Red VSAT del proyecto compartel de conectividad en banda ancha para instituciones públicas

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Dpto. Telecomunicaciones y Electrónica. “Red VSAT del proyecto Compartel De Conectividad En Banda Ancha Para Instituciones Públicas”. Tesis presentada en opción al Título Académico de Master en Telemática. Maestría de Telemática. Autor: Ing. Néstor J. Villabona Mujica Tutor: Dr. Roberto Jiménez Hernández 2007.

(2) Hago constar que el presente trabajo fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de las Villas como parte de la culminación de los estudios de la maestría en telemática autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. ________________ Firma del Autor Los abajo firmantes, certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. ________________ Firma del Tutor. _______________________ Firma del Jefe de Dpto. Donde se defiende el trabajo. ____________________ Firma del Responsable de Información Científico- Técnica.

(3) A mi madre. Maria Teresa, principio y razón de mi vida.

(4) Resumen El presente trabajo expone como lograr enlaces en zonas de difícil acceso y comunidades aisladas, de manera que puedan disponer de las ventajas de Internet y acceder a servicios de telecomunicaciones, se realiza un análisis de las diferentes variantes de acceso a Internet y se especifica porque la solución escogida es la variante de acceso satelital a través de una red VSAT. Se realiza de la descripción del sistema satelital escogido SurfBeam. Además se puede apreciar el análisis realizado de las condiciones del enlace para los puntos más críticos de este, las técnicas de direccionamiento de antenas y el dimensionamiento del ancho de banda del proyecto en su primera etapa. Por último se presenta de manera muy detallada la solución técnica presentada..

(5) Indice INTRODUCCIÓN……………………………………………………………………….. 1. CAPÍTULO 1: Acceso a Internet por satélites................................................................... 4 1.1 ¿Por qué satélites? ......................................................................................... .............. 4 1.2 Satélites en WWW....................................................................................................... 5 1.2.1 Distribución de contenidos............................................................................. 6 1.2.2 Acceso por satélite a los usuarios finales....................................................... 6 1.3 Los satélites y TCP........................................................................................................ 7 1.3.1 STCP............................................................................................................... 8 1.3.2 El canal de retorno DVB-RCS........................................................................ 9 1.4 Cable MODEM............................................................................................................. 9 1.4.1 Historia del cable MODEM............................................................................ 9 1.4.2 El estándar DOCSIS...................................................................................... 10 1.5 Sistema Satelital SurfBeam......................................................................................... 11 1.5.1 Características del Sistema SurfBeam........................................................... 12 1.5.2 Elementos de la Red..................................................................................... 13 1.5.3 Características de software de SurfBeam....................................................... 18 1.5.4 Integridad de polaridad....................................... ........................................... 19 1.5.5 Aceleración TCP................................................ ............................................ 19 1.5.6 Seguridad............................................................ ............................................20 1.5.7 Otros soportes..................................................... ............................................21 CAPÍTULO 2: Análisis del enlace. ................................................. .................................. 23 2.1 Geometría del enlace.................................................................................................... 23 2.1.1 Distancia del enlace.......................................................... ............................. 23 2.2 Técnicas para direccionar antenas....................................... ......................................... 25 2.2.1 Ángulos de Azimut y Elevación................................... ................................. 26 2.3 Atenuación por lluvia en enlaces satelitales........................ ......................................... 28 2.3.1 Cálculo de la atenuación por lluvia utilizando el método del ITU-R………. 30 2.4 Dimensionamiento de Ancho de Banda.............................. ........................................ 36 2.4.1 Enlace upstream............................................................ ................................. 38 2.4.2 Enlace downstream....................................................... ................................. 39 2.4.3 Requerimientos de ancho de banda para el proyecto..................................... 42 CAPÍTULO 3: Solución Técnica. ................................................... .................................. 43 3.1 Introducción......................................................................... ........................................ 43 3.2 Descripción de las tecnologías............................................ ......................................... 45 3.2.1 Puntos de Red y Equipos Concentradores de Red........ ................................ 45 3.2.2 Sistema de Transmisión................................................ ................................ 45 3.2.3 La Red VSAT............................................................... ................................ 46 3.2.3.1 Telepuerto 2.2...................................................... .............................. 46 3.2.3.2 Estaciones remotas............................................... .............................. 46 3.2.3.3 Gestión de la Red.................................................. .............................. 47.

(6) 3.2.4 Administración......................................................................................... 3.3 Sistema Eléctrico................................................................. ...................................... 3.4 Diagrama de conectividad................................................... ....................................... 3.5 Segmento Satelital............................................................... ...................................... 3.6 Plan de Frecuencias............................................................. ....................................... 3.7 Topología y Diseño de la Red............................................. ....................................... 3.8 Gestión del ancho de banda................................................. ....................................... 3.9 Acceso a Internet................................................................. ....................................... 3.10 Disponibilidad................................................................... ....................................... 3.11 Plan de Contingencia......................................................... ....................................... 3.11.1 Contingencia relativa al Segmento Satelital............. ................................. 3.11.2 Contingencia relativa al Telepuerto............................ ............................... 3.11.2 Contingencia relativa a la conexión a Internet........................................... 47 48 49 54 55 56 58 58 60 60 60 61 61. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES………………………………………… 62 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS…………………………………………………... 63 GLOSARIO DE TÉRMINOS…………………………………………………………… 65 ANEXOS………………………………………………………………………………… 67.

(7) Introducción. La llegada de Cristóbal Colon a Colombia, por el mar caribe remontando el río Magdalena, que lo llevo directamente a enfrentarse a la cordillera de los Andes y ello marco el proceso de colonización de la zona andina sobre los tres ramales montañosos. dejando. prácticamente inexplorado medio país, llano con grandes ríos que conforma la cuenca del Orinoco y selvático en la cuenca del Amazonas. Estas características geográficas y el proceso de conquista crearon dos Colombias desde el punto de desarrollo, diametralmente opuestas y ello se reflejo en las telecomunicaciones; por esto el estado Colombiano decidió cerrar esa brecha y lanzo los proyectos COMPARTEL, inicio con telefonía por etapas, poblaciones de más de 15.000 habitantes después mayores de 5.000, siguió con centros municipales de acceso a Internet y por último lanzo la licitación pública para ACCESO A INTERNET DE BANDA ANCHA PARA INSTITUCIONES PÚBLICAS, que dio origen a esta propuesta. El impulso geométrico de la Internet y los beneficios educativos que conlleva al abrir el mundo de la información y comunicación a las instituciones, independiente de su localización geográfica y la necesidad de integrar al estado todas las regiones llevaron a convocar a una licitación que permitiera buscar soluciones de comunicación acordes. Licitación publica que motivo la participación empresarial que encomendó la presentación de una solución técnica que contemplara el diseño, instalación y mantenimiento por 6 años con un presupuesto y el cumplimiento de una disponibilidad de 99% del servicio. La condiciones difíciles de acceso a las zonas selváticas y de llanuras orientales, donde la energía es generada por plantas eléctricas de baja capacidad para las poblaciones pequeñas de colonos de menos de 50 años de fundadas que conviven con comunidades indígenas y en muchas ocasiones solo para las instituciones durante las horas de clase..

(8) Las condiciones climáticas de intensa lluvia, calor, las dificultades de transporte y los altos costos de combustible,. junto con la necesidad de cumplir con las condiciones de. disponibilidad del servicio, llevo a pensar en un sistema de servicio con unidades independientes,. relativamente fáciles de trasportar, que en caso de daños los impactos. fueran individuales, razón por la cual se prefirió no usar enlaces inalámbricos en los municipios para distribuir el servicio a nivel local. Los desarrollos de las comunicaciones impulsadas por la televisión digital satelital que inicialmente fueron comunicaciones unidireccionales, pero la necesidad de promocionar el servicio llevo a desarrollar un canal de retorno de muy baja capacidad para las solicitudes de servicio. Ello, fue el principio de las mejoras de protocolos que superaran los retrasos satelitales geoestacionarios con velocidades asimétricas que abrieron el camino a la solución a aplicar en los accesos al servicio de Internet. Los desarrollos satelitales de estaciones de bajas prestaciones en contraprestación a las de muy alta capacidad y costosas, de fácil transporte y relativo bajo costo, se conjugaron junto con los desarrollos en software que bajo las consideraciones climáticas, de transporte y los suministros de energía, para buscar la solución técnica, financiera que permitiera proponer el diseño de la RED VSAT DEL PROYECTO COMPARTEL DE CONECTIVIDAD DE BANDA ANCHA PARA INSTITUCIONES PUBLICAS, que cumpliera con las calidades de servicio, confiabilidad y costos requeridos. ¿Cómo lograr con la implementación de una técnica factible, los servicios y calidad que se requiere en los mismos para implementar los enlaces de manera que se pueda disponer de las ventajas de la Internet y acceder a servicios de telecomunicaciones? Para el logro de lo anterior el presente trabajo se trazo los siguientes objetivos: Objetivo General: •. Analizar las posibles variantes de acceso a Internet por satélites y describir la propuesta.. Objetivos Específicos:.

(9) •. Valorar las tecnologías de acceso a Internet, específicamente por medio de satélites que es la única de las variantes que en las condiciones actuales puede dar cobertura a todos los puntos del proyecto.. •. Analizar los puntos fundamentales a tener en cuenta en desempeño de enlaces satelitales a través de redes VSAT.. •. Describir el sistema en su conjunto.. Para ello sea ha estructurado en tres capítulos que tratan los temas que a continuación se reflejan: Capítulo 1: Se presenta una breve descripción teórica de las tecnologías de acceso a Internet por satélites, las ventajas en el uso de los satélites y su impacto dentro de este proyecto. Se describe una de las posibles topologías a escoger, asi como la tecnología con que se implementará la solución. Capítulo 2: Se analiza el comportamiento de los enlaces para los puntos críticos del proyecto, así como se hará el direccionamiento de las antenas y se dimensiona el ancho de banda requerido por el proyecto. Capítulo 3: Se describe la solución técnica propuesta, resaltando las tecnologías a emplear..

(10) Capitulo 1: Acceso a Internet por satélites.. 1.1 ¿Por qué satélites? El mercado de los satélites de telecomunicaciones ha estado muy vinculado a los enlaces intercontinentales a larga distancia y ha sido extensamente explotado por las administraciones telefónicas nacionales y por los operadores de TV, estas eran básicamente la funciones a cumplir hasta que el pasado reciente trajo a colación la difusión de TV por satélite DTH (directa al hogar)y la telefonía móvil las cuales sirvieron de alimento para el desarrollo de la industria satelital en la pasada década, alcanzándose niveles de cobertura muy amplios. No obstante a pesar de que el satélite lograba imponer sus ventajas con relación al cable en cuanto a su rápida instalación, el mejor desempeño de las redes y el menor costo de las mismas, las rápidas implementaciones de las tecnologías digitales sobre fibra óptica empezaban a erosionar el amplio dominio de los satélites, si bien mantenían ventaja sobre los sistemas a fibra, tales como: o Áreas de mercado donde la fibra no tiene presencia. o Los satélites pueden saltarse el lazo de abonado, aún el de par de cobre. o El sistema celular-fibra no es suficiente en lugares remotos, carentes de infraestructura. o La fibra es impracticable en lugares escabrosos, zonas selváticas y boscosas. A pesar de que justifica la existencia de los satélites, no era suficiente para seguir apostando por el desarrollo de los mismos por lo tanto se podía creer que se llegaría a un período de decadencia de los satélites, solo que, habían surgido motores que lanzarán a los satélites hasta dimensiones inimaginables. Internet que convierte al mundo en una sociedad global de información que demanda libertad, rapidez y personalización de los servicios, es un terreno privilegiado para la utilización de los satélites. Esencialmente, porque como medio de recogida y transferencia de información, el satélite está libre de las limitaciones terrestres (fronteras, infraestructuras terrenas) y permite servir instantáneamente a grandes comunidades de usuarios en zonas muy amplias. Asociados con la disponibilidad de memorias muy baratas y de muy alta.

(11) capacidad en tierra, esta ventaja única ofrece a los satélites un enorme campo para los servicios personalizados. Los satélites son también muy flexibles en términos de cobertura, velocidad de transmisión y conectividad y por consiguiente, son idóneos para dar servicio a un número creciente de rutas secundarias, así como para acceder a abonados aislados. Permiten también garantizar una elevada calidad de servicio al unir directamente las fuentes de información y los usuarios, eliminando los cuellos de botellas que se producen con la congestión de las redes terrestres. Además, está la calidad del servicio que es independiente del nivel de desarrollo de la región servida, como es el caso de las regiones donde da cobertura este proyecto, lo que hace de los satélites una herramienta importante para terminar con el aislamiento de las regiones menos desarrolladas. La mayoría de los lanzamientos previstos hasta el año 2010 serán dirigidos a aplicaciones de Internet, figura 1.1.. Figura 1.1 Evolución de la utilización de los satélites 1.2 Satélites en WWW. Si bien es cierto que en muchos países los enlaces vía satélite son el único medio mediante el cual los ISP (Proveedores de Servicio de Internet) locales pueden conectarse al corazón de la red, donde se encuentran los proveedores de contenido, la realidad es que los campos en los que se pronostica un mayor crecimiento son: o La distribución de contenidos a la periferia o El acceso al usuario final.

(12) 1.2.1 Distribución de contenidos. En este sentido se han aprovechado los años de experiencia en la difusión de televisión por satélite, que permite a miles de espectadores acceder a una única canasta de programas de TV, para utilizarlos en la distribución de contenidos por Internet y esto gracias a que una proporción cada vez mayor del tráfico en la red de redes está constituida por informaciones a las que accede simultáneamente un gran número de usuarios. Dentro de ellas: la distribución por satélite de páginas web en paralelo a numerosos POP (Punto de Presencia) donde están instaladas las memorias caché locales; y la difusión a una zona extensa de video con protocolo IP. En esta modalidad se utiliza UDP como protocolo de transporte para de esta forma aprovechar al tope las capacidades de multidifusión del satélite a costa de la confiabilidad de la entrega, dejando en manos de la capa de aplicación todo el chequeo y la verificación de los datos recibidos.. 1.2.2 Acceso por satélite a los usuarios finales. Para llegar al usuario final existen dos variantes en las que el satélite es utilizado: 1. Acceso unidireccional: Los sistemas de acceso unidireccional utilizan varios métodos para el canal de retorno terrestre especialmente el acceso permanente o el acceso RDSI conmutado a Internet. Esta implementación se adapta bien a la naturaleza asimétrica de la mayoría de las aplicaciones de Internet, sobre todo la navegación por la red y el flujo continuo de datos multimedia, figura 1.2.. Figura 1.2 Acceso unidireccional.

(13) 2. Acceso bidireccional: Equipos específicos aseguran la recepción de las señales procedentes del satélite y la emisión hacia él, adaptando los paquetes enviados o recibidos por la antena a las interfaces normalizadas Ethernet o USB, figura 1.3.. Figura 1.3 Acceso bidireccional. 1.3 Los satélites y TCP. Debido a la altura de la órbita geoestacionaria, donde operan la mayoría de los satélites que prestan servicio de acceso a Internet y a la velocidad finita de la luz, en los enlaces satelitales aparece un problema adicional para el desempeño de TCP, vinculado básicamente al elevado retardo que tendrá en este tipo de redes el RTT (viaje redondo) y por ello será muy costoso en términos de tiempo alcanzar la capacidad de transmisión máxima del enlace, además los canales de satélites son especialmente afectados por el ruido lo cual contribuye a la agudización del problema. Las tres principales desventajas de los enlaces satelitales desde el punto de vista de TCP pueden resumirse como: •. Lazo de retroalimentación largo: Debido al retardo de propagación de los canales de satélite (250 ms. para órbita GEO) el tiempo que necesita un trasmisor TCP para determinar si un paquete se recibió adecuadamente en su destino es muy grande. Este retardo afecta a las aplicaciones interactivas así como a algunos de los mecanismos de control de flujo de TCP..

(14) •. Elevado valor del producto ancho de banda retardo de propagación (BDP): Esto define la cantidad de datos que el protocolo puede tener “volando” en cada instante para la completa utilización de la capacidad del canal. El retardo usado en esta ecuación es el tiempo de ida y regreso de un paquete.. •. Errores de transmisión: Los satélites tienen una alta razón de error de bit (BER) comparado con las redes terrestres típicas. TCP interpreta todos estos errores como signos de congestión en la red y reduce el tamaño de la ventana de transmisión para evitar la congestión.. A lo largo de los años se han desarrollado refinamientos en TCP que le permiten superar adecuadamente estas deficiencias, dos de los mecanismos más difundidos son: •. Path MTU Discovery: Utilizado para determinar el tamaño máximo de los paquetes que la conexión puede enviar por la red sin que se haga necesaria la fragmentación IP. El transmisor envía un paquete con el tamaño apropiado para la red local y pone a uno el bit “no fragmentar” (DF) en el campo de banderas del datagrama IP.. •. Corrección de errores (FEC): Una pérdida en TCP siempre es interpretada como una indicación de congestión y por tanto provoca una reducción del tamaño de la ventana de congestión y como el crecimiento de esta ventana depende de los acuse de recibo, TCP gasta mucho tiempo en recuperarse de estas pérdidas cuando opera en redes de satélites. Si la pérdida de paquetes ocurre por corrupción y no por congestión, TCP no necesita disminuir la ventana pero en la actualidad no existen formas de determinar las causas de la pérdida. Consecuentemente para que TCP opere eficientemente es necesario que las únicas pérdidas que ocurran en el canal sean producto de la congestión de la red y es por eso que se recomienda la utilización de códigos correctores de errores en enlaces satelitales con el fin de mejorar la razón de error de bit en el canal para resguardar de esta forma a TCP de la falsas señales de congestión.. 1.3.1 STCP. STCP es una extensión de TCP diseñada para mitigar en gran medida los problemas descritos anteriormente basándose en la idea de agilizar las conexiones análogas y.

(15) coordinar aquellas que sean recurrentes. Las implementaciones actuales de STCP se centran en compartir la información del umbral de arranque lento y de la ventana de congestión. En el estándar DVB-S se definen los esquemas de codificación de canal y de modulación para el enlace satelital y a su vez se utiliza una adaptación del MPEG-2 para la codificación de fuente.. 1.3.2 El canal de retorno DVB-RCS. El canal de retorno vía satélite (DVB-RCS) es una opción que permite una conexión DVB de dos sentidos ofreciendo al usuario capacidad de transmisión a partir de la misma antena, esta transmisión usa MF-TDMA (acceso múltiple por división de tiempo en multi frecuencia) para compartir la transmisión en el terminal de usuario. El canal de retorno es codificado utilizando un código convolucional de razón de código ½ y por la aplicación de un código Reed Solomon. Las frecuencias de transmisión no han sido estandarizadas y cada proveedor puede usar la que más se acomode a su aplicación. Para el transporte de los datos puede aplicarse indistintamente encapsulación ATM-AAL5 o cualquier tipo de encapsulación nativa de IP sobre MPEG. Toda la información necesaria para el funcionamiento del RCS es trasmitida por el control central de la red DVB-RCS (NCC) usando la conexión directa. El NCC proporciona funciones de monitoreo y control así como genera los mensajes de control y sincronización necesarios para que la red funcione, todos estos mensajes son enviados en el flujo de transporte MPEG como parte de los datos. 1.4 Cable MODEM. 1.4.1 Historia del cable MODEM. Comienzos de los 90. operadores de cable en USA buscan nuevas oportunidades de. negocio además de la distribución de TV. El acceso a Internet comienza a ser visto como un servicio potencial. Inicialmente tecnologías propietarias (Motorola, Com21, Terayon, ...), ya que no existe un estándar el operador ha de adquirir las cabeceras de cable modem y los terminales de un único suministrador. La necesidad de un estándar para convertir los terminales en “electrónica de consumo” de menor precio y posibilitar la entrada de más fabricantes, llevan a la creación de CableLabs por parte de los operadores y fabricantes para el establecimiento de estándares (DOCSIS, PacketCable, OpenCable, ...).

(16) Data Over Cable System Interface Specification (DOCSIS) es un estándar creado por CableLabs con el fin de: “introducir un sistema de datos sobre cable abierto y multi-vendor que facilite la rápida definición, diseño, desarrollo e implementación de servicios”, en 1998 se da a conocer el primer draft del estándar DOCSIS data, hoy es el estándar mundial dominante en redes de cablemodem, CableLabs realiza homologaciones periódicas (Certification Waves) tanto de CMTSs o cabeceras como de terminales, se han dado a conocer varias versiones del protocolo: DOCSIS 1.0, DOCSIS 1.1, DOCSIS 2.0, EuroDOCSIS y DOCSIS-S entre otros.. 1.4.2 El estándar DOCSIS. DOCSIS 1.0: • Conexión plug&play a la red: No existen parámetros a configurar por el usuario. • Privacidad: Encriptación del tráfico. • Posibilidades de filtrado de servicios. • Gestión SNMP de los terminales. • Upgrades de SW remotos. DOCSIS 1.1, incorpora a DOCSIS 1.0: • Mecanismos de QoS, diferenciación de tipos de tráfico. • Fragmentación de datos en los terminales. • Mejora de eficiencia de transmisión. • Ampliación de la definición del tratamiento al tráfico multicast. • Autentificación de terminales con certificados X.509. • Mejora de los mecanismos de encriptación del tráfico. DOCSIS 2.0: incorpora a DOCSIS 1.1 la modificación de la capa física para posibilitar mayores anchos de banda de retorno (hasta 6,4MHz) y modulaciones más eficiencientes (hasta 64 QAM). EuroDOCSIS: Es una variante a DOCSIS que sólo se diferencia en la capa física (canalización PAL vs NTSC de DOCSIS), existiendo de igual modo variantes 1.0, 1.1 y 2.0. DOCSIS-S (Data Over Cable System, Satellite): incorpora la modificación de la capa física para posibilitar de manera óptima el acceso Internet y servicios similares a aquellos implementados con tecnologías de DSL o Cable Modem..

(17) Todas las versiones DOCSIS son compatibles entre sí, al igual que las EuroDOCSIS, lo cual permite una importante protección de las inversiones acometidas por los operadores. 1.5 Sistema Satelital SurfBeam. EL Sistema Satelital SurfBeam, esta basado en la tecnología DOCSIS-S (Data Over Cable System, Satellite). Sistema escogido para la solución al acceso, las razones principales por las cuales se escogió SurfBeam frente a las otras plataformas VSAT disponibles son: 1. Forma de onda de última generación (8PSK) en el canal de Outbound con Turbo Códigos, lo que significa una eficiencia de canal de hasta 55%, comparado con los modos estándar DVB QPSK. 2. Capacidad dinámica de Multi-rate, que mejora la capacidad del canal Outbound hasta 30% en comparación con canales estáticos. 3. Canales de retorno MF-TDMA con Turbo Códigos; los canales de retorno con diferentes velocidades, asignados en forma dinámica, mejoran la capacidad en comparación con los canales fijos TDMA. En la fase inicial de la ejecución del proyecto, IPC implementará retorno a través de acceso TDMA, es decir con preasignación de portadora de inbound para cada estación. 4. Canales de retorno con capacidad de AUPC (Control Automático de Potencia) mediante el cual se controla la potencia de salida de la estación remota en función de las condiciones de enlace. Se reduce la cantidad de margen de señal requerida en el enlace, haciendo más eficiente el uso del segmento satelital. 5. Alta capacidad en el canal de retorno, actualmente 1.2 Mbps y en el futuro hasta 2 Mbps. 6. Sistema de mejoramiento de Proxy HTTP así como TCP, como parte de la plataforma sin requerirse software en los PCs de los usuarios. 7. Base DOCSIS de tercera generación con escalabilidad, acceso condicional, control de Calidad de Servicio (QoS), sistema de redundancia automático. 8. Plataforma con provisionamiento (registro, autenticación y configuración de condiciones de operación) automático, sin necesidad de comunicación de voz entre el instalador de la estación remota y el NOC. 9. Tecnología de red tipo Bridge, que requiere menos recursos de procesamiento, los equipos hacen parte de una sola red con políticas personalizadas o globales y la administración de enrutamiento requerida es mínima. 10. Definición de QoS y CIR tanto en el Outbound como en el Inbound, a diferencia de algunas tecnologías que solo lo hacen en el Inbound. Esto mejora la eficiencia en el uso de los recursos de la plataforma. 11. ISP virtual, mediante esta facilidad, es posible compartir los recursos del Hub entre diferentes ISP, con la garantía de operación, manejo y administración independiente. Se requiere la adición de un NOC virtual o VNO. 12. A diferencia de sistemas propietarios, SurfBeam soporta funciones y prácticas esenciales de negocios a través del uso de interfaces desarrolladas para la industria de Cable Modem. Estas incluyen, entre otras, Activación, Manejo de Cliente, Atención de Cliente, Facturación..

(18) 1.5.1 Características del Sistema SURFBEAM. A continuación se describen características que muestran en el potencial de la tecnología ofrecida por IPC para el cubrimiento del proyecto, como el objeto inicial es el acceso a Internet. El sistema propuesto es un sistema de comunicación satelital bidireccional de banda ancha para Protocolos Internet vía Satélite (IP), a través de redes VSAT con capacidad para las siguientes aplicaciones: • Acceso a Internet. • Videoconferencias. • Intranets y Extranets corporativas. • Educación a distancia. • Voz sobre IP. • Redes virtuales privadas. • Otros servicios basados en IP. SurfBeam es un sistema de uso principal para protocolo de Internet (IP) escalable, de alta eficiencia que entrega canales satelitales de ida y vuelta en gran ancho de banda. El sistema proporciona acceso IP para multiservicios de banda ancha en demanda desde un Hub central a sitios remotos con un canal de vuelta TDMA multifrecuencia, asimétrico de banda ancha, es un sistema. basado en la tecnología DOCSIS-S, optimizado para el acceso. Internet y servicios similares a aquellos implementados con tecnologías de DSL o Cable Modem.. Figura 1.4 Diagrama de Bloques Sistema SurfBeam.

(19) El terminal remoto consiste en una unidad Externa (ODU) compacta operando en Banda Ku y una Unidad Interna (IDU) tipo Cablemodem, la cual conecta vía LAN 10/100Base-T a los PC de usuarios. El Gateway o Hub se compone por la estación terrena de RF, el sistema de Terminación Satelital de Modems (SMTS); que provee la modulación y demodulación satelitales, el protocolo de procesamiento, QoS y enrutamiento de la red SurfBeam. Así mismo, el Sistema de Provisionamiento de Banda Ancha el cual asigna las direcciones de red y la configuración a los terminales remotos, el Sistema de Manejo de Red (NMS) y los servidores de aceleración TCP. El sistema también cuenta con una función de NOC (Network Operation Center) que se puede ubicar remotamente del gateway satelital e incluye funciones adicionales de Manejo de Red y Provisionamiento de Servicio. El sistema ha sido diseñado para soportar grandes cantidades de tráfico asimétrico, que lo hace ideal para Proveedores de Servicios Internet (ISP). Cuando un ISP expande la cobertura más allá de las zonas metropolitanas, el servicio satelital en banda ancha se hace crecientemente valioso y económico. El Hub da el acceso a la red troncal de la Internet, y se instalan terminales remotos donde se encuentran los grandes clientes o en sitios con Punto de Presencia (POP) del ISP.. 1.5.2 Elementos de la Red. Hub. El Hub contienes los siguientes componentes como sistema básico: • • • • • • • •. El Terminal de Radiofrecuencia (RFT) y Antena El enlace entre Instalaciones del RFT (IFL) SMTS Servidores PEP Sistema de Provisionamiento Sistema de Gestión (NMS) Infraestructura de LAN Unidad de Distribución Regional (RDU).

(20) Figura 1.5 Diagrama de bloques del Hub. El Hub funcionará eficientemente con una amplia gama de equipos de RFT. El Hub SurfBeam está diseñado para transmitir una gran señal TDM al exterior y para recibir señales varias portadoras TDMA (MF-TDMA). El RFT y la antena forman parte del Equipo Entregado al Usuario (CFE).. Figura 1.6 Diagrama de Bloques de Sección RF. El IFL del Hub incluye una cadena de transmisión, una cadena de recepción, y un GPS. La cadena de transmisión del RFT emite la señala TDM al exterior en FI. HPA convierte la.

(21) señal a banda Ku y la envía a alimentación de la antena. El RFT, en la cadena de recepción recibe la señal de RF enviándola al bastidor receptor, a través de Bloque Reductor de Bajo Ruido (LNB) que la convierte a FI y la envía al bastidor receptor. Además hay un sistema de cadena de recepción de Posicionamiento Global (GPS) desde una antena GPS al receptor GPS que proporciona una señal de reloj de referencia. El SMTS (Satellite Modem Termination System) está basado en los sistemas de terminación de módems para cable (CMTS), modificado para operación eficiente sobre satélite. El SMTS emplea el CMTS BSR-64000 de Motorola que está muy bien estructurado para DOCSIS con la adición de la interfaz satelital. Adicional al soporte de la capa de enlace, el BSR-640000 es un sofisticado enrutador de banda ancha, con manejo de QoS, que controla el tráfico entre los suscriptores y los servidores locales. El enrutador es capaz de manejar velocidades de hasta 42 Gbps., con 8000 flujos de tráfico Outbound. Los servidores PEP (Performance Enhanced Protocol) permiten eliminar las dificultades encontradas cuando TCP/IP sin modificar es usado sobre canales de datos de banda ancha con altos retardos de propagación, como el caso satelital. El cliente del software PEP está integrado a la IDU de cada Terminal Remota. El Sistema de Provisionamiento consiste en múltiples elementos que proveen el provisionamiento y manejo de los terminales de usuario en relación a sus direcciones IP, configuración de dispositivo y seguridad. Los principales elementos de este sistema son: • Registrar (DHCP y DNS) • Device Provisioning Engine (TFTP y TOD) • Regional Distribution Unit Los elementos del sistema de provisonamiento trabajan en conjunto para validar usuarios, registrar las IDUs, configurar las IDUs, manejar las direcciones IP y proveer las asociaciones de seguridad o claves DES al usuario. El sistema de provisionamiento es implementado utilizando paquetes de software existentes de terceras partes, desarrollados por Cisco para las grandes redes de Cable modem. Terminal remota. Dentro de los componentes de las estaciones remotas se encuentran una Antena o Unidad Externa (ODU), muy similar a uno de las terminales DTH utilizadas en la televisión, pero.

(22) capaz de transmitir en Banda Ka o Ku, Anexo 1.1. Adicionalmente se encuentra el modem satelital o unidad interior (IDU) que se asemeja a una Terminal de ADSL o a un cablemodem.. Figura 1.7 Terminal remota. Dentro del esquema propuesto se planea emplear un SurfBeam Ku-Band BUC de 2W. Este es el BUC más comercial de esta marca. Emplea una banda L estándar (950 – 1450 MHz) de frecuencia intermedia a la entrada y entrega al transmisor una frecuencia en Banda FSS (14.0 – 14.5 GHz). El sistema estándar SurfBeam de LNB en banda Ku. Este emplea una frecuencia de radio estándar a la entrada en banda FSS Ku (11.7 – 12.2 GHz, 10.95-11.7 GHz, or 12.25-12.75 GHz) y genera una frecuencia de salida para el transmisor en Banda L (950 – 1450 MHz). El Anexo 1.1 refleja las características de cada uno de los dispositivos. La IDU provee la modulación, demodulación, procesamiento de señales y funciones de todas las interfaces del sistema remoto. Tiene un atractivo y funcional diseño exterior. Elementos de la IDU. •. Broadcom BCM-3360: Es un chip de la octava generación de los chips para cable modem, Este chip provee una completa integración de la controladora DOCSIS, el.

(23) procesador de comunicaciones MIPS, la controladora Ethernet 10/100 y un puerto USURFBEAM con el sistema de Transmisión Recepción. •. Demodulador IC: La función de demodulación del Downstream la realiza el integrado Broadcom BCM4500. Este es un chip digital satelital capaz de soportar entradas en modulaciones QPSK, 8PSK, 16QAM y concatenarlas con un sistema de detección de errores RS-Turbo. El chip integra 8 convertidores A/D, un receptor de múltiples digitales con tasas variables en diferentes modulaciones y un decodificador de RS-Turbo.. •. Sintonizador IC: Esta función la realiza el BroadCom BCM3360. Este sintonizador acepta un downlink completo de 500 MHz. (Convertido por el ODU en Banda L) y encamina los canales del downstream sintonizados a salidas base I y Q, compatibles ya con la entrada del demodulador.. •. Up-Converter para Banda L: Esta labor es realizada por el BroadCom BCM3360. Y se encarga de acomodar la señal para entregársela al transmisor. Este cuadra la frecuencia dependiendo de la banda en la que se este trabajando en un punto entre 950 y 1450 (en Banda Ku) o 1800 y 2300 Mhz para funcionamiento en Banda Ka.. •. Soporte SNMP: El modem soporta protocolo simple de gestión de red y proporciona los siguientes detalles de su funcionamiento a través de este protocolo: •. •. Id del Canal de subida y de bajada así como frecuencia, estado y calidad del enlace. • Reporte de errores del enlace. • Detalle del estado de la estación remota. • Contador de pérdidas de sincronismo. • Contador de reset de la IDU. • Parámetros de QoS de la IDU. Capacidades de Interconexión: La IDU surfbeam es capaz de interconectarse a una red a través de su interfase Ethernet o puede conectarse directamente a un equipo a través de su interfase USURFBEAM.. •. Capacidades de Gestión: Adicionalmente a la gestión que puede realizarse a través de SNMP sobre la IDU, esta puede ser gestionada a través de un Terminal remota a su interfaz Ethernet. Para gestión en sitio el equipo cuenta con indicadores de funcionamiento..

(24) 1.5.3 Características de software de SURFBEAM Autocomisionamiento. El comisionamiento, registro y autenticación de las terminales remotas se basa en el Sistema DOCSIS e incluye: • • •. Configuración IP. Sincronización del reloj. Establecimiento e inicialización de servicios de datos, así como un sistema de seguridad (opcional).. El sistema DOCSIS está diseñado para que entre automáticamente en operación sin necesidad de operador remoto. Para soportar el proceso, cada Terminal remota contiene la siguiente información definida de fábrica: • •. Dirección MAC de 48 bits IEEE única, asignada durante el proceso de manufactura y que identifica al MODEM. Información de seguridad incluida en un certificado digital X.509 que se utiliza para autenticar el MODEM en el SMTS y viceversa.. Una Terminal Remota inicialmente se comunica con el servidor de conectividad para obtener una dirección IP, Gateway y la información del servidor de red. Esta información la requiere la terminal remota para completar el proceso de conectividad, la terminal recupera la hora actual del servidor TOD (time of day) para ubicar su hora interna, luego recupera un archivo de configuración procedente del servidor TFTP, que contiene los parámetros operativos exclusivos para dicha terminal. La estación se autoconfigura de acuerdo a esos parámetros y de acuerdo a la activación del sistema de seguridad, inicia el servicio con el SMTS. El sistema central debe mantener o tener acceso a la siguiente información: • • • • •. MAC address de la Terminal Remota. Configuración de la Terminal Remota. Estado de la Terminal Remota. Asignación DHCP actual (dirección IP) para la Terminal Remota. Asignación DHCP actual (dirección IP) para el CPE que sigue al MODEM remoto.. A continuación se describe el proceso de registro y autenticación de usuario conocido, aunque, de cualquier forma el sistema debe proveer una forma para registrar nuevos usuarios. En primera instancia, un Terminal solicita una dirección IP del servidor DHCP, el.

(25) sistema asigna una dirección de un grupo de direcciones temporales, que es usada para reenrutar las solicitudes subsecuentes de los servicios de red, permitiendo al Terminal registrar servicios básicos. Para nuevos usuarios, el servidor DOCSIS notifica al servidor DHCP para que asigne una dirección IP del grupo de direcciones, el servidor DOCSIS actualiza la base de datos del usuario con la nueva dirección IP, permitiendo revisar el estado de cuenta actual para verificar el acceso al servicio solicitado. Por último, notifica al servidor Web, mientras tanto el servidor DOCSIS envía un comando de reinicio al MODEM para tomar la nueva configuración.. 1.5.4 Integridad de polaridad. El sistema SurfBeam emplea un control de potencia de salida para la Terminal Remota automatizado, controlado por el protocolo de Mantenimiento de la Estación DOCSIS. A las estaciones remotas se les asigna periódicamente un canal de Mantenimiento de Estación en su canal de subida asignado, canal por el cual debe transmitir un mensaje DOCSIS Ranking Request (RNG-REQ). El STMS mide automáticamente los parámetros del canal de cada mensaje RNGREQ recibido incluyendo el nivel de potencia recibido (SNR), error de tiempo, y error de frecuencia. El STMS entrega inmediatamente las correcciones en el nivel de potencia, tiempo y frecuencia como un mensaje DOCSIS Ranging Response (RNGRSP). De esa forma, el STMS ajusta continuamente la potencia de salida del Terminal para asegurar que su recepción tenga un nivel apropiado, que permita recibir, sin interferir con otros canales adyacentes. La periodicidad con la que se asignan los slots para los RNGREQ a las estaciones remotas, son configurables desde el STMS, un valor típico está entre 1.5 y 3 segundos.. 1.5.5 Aceleración TCP. El sistema SurfBeam usa un protocolo mejorado de desempeño incluido (PEP), para acelerar el TCP en sistemas satelitales geoestacionarios, el cual actúa de forma transparente hacia el PC del usuario, donde no se necesitará software o hardware adicional..

(26) El sistema usa un sistema propietario llamado SkyX PEP, que aumenta el desempeño del IP en satélite gracias a una combinación de protocolo de conexión y compresión de datos completamente transparente al usuario final. El SkyX trabaja recibiendo la conexión TCP del usuario y lo transforma en un protocolo de transporte expreso (XTP) para la transmisión en satélite. El Gateway SkyX al otro extremo retorna los datos nuevamente al protocolo TCP para ser entregados al servidor. El proceso interno crea tres conexiones diferentes: una conexión TCP entre el lado remoto y el Gateway SkyX, una conexión XTP entre los dos SkyX Gateways y una conexión TCP entre el servidor y el SkyX gateway remoto. Esta arquitectura se denomina también como un Proxy de Mejoramiento de Desempeño TCP (TCP-PEP), compatible con IETF RFC 3135. El XTP es un protocolo abierto diseñado específicamente para operar eficientemente sobre redes de alta velocidad.. 1.5.6 Seguridad. La seguridad de la red se basa en tres componentes primarios: autenticación de usuario, integridad de datos y confidencialidad en la sesión. Integridad y Autenticación. Para los propósitos del sistema de INTERNET POR COLOMBIA, la integridad y autenticación se requiere solamente entre el Gateway y el Terminal de usuario, opcionalmente puede lograrse entre el gateway y el cliente de negocios conectado vía Internet por una interfaz terrestre. Los servicios de integridad de datos y autenticación entre el Terminal de usuario y el gateway se pueden implementar de acuerdo a las especificaciones DOCSIS Baseline Privacy Plus Interface, usando un certificado digital X.509 que entrega una identidad a cada estación remota..

(27) Confidencialidad. Se realizan de acuerdo a las especificaciones DOCSIS Baseline Privacy Plus Interface, combinando estas especificaciones con una seguridad IP estándar entre el gateway y la oficina del cliente, se puede tener una seguridad end-to-end. El BPI+ se compone por 2 protocolos: 1. Un protocolo de encapsulado para la encriptación de paquetes en la red satelital. Define: primero el formato de trama para el transporte de paquetes de datos dentro de tramas DOCSIS MAC, segundo un soporte de suites criptográficas y tercero las reglas para la aplicación de esos algoritmos en una trama DOCSIS MAC. 2. Un protocolo de administración de llaves que distribuye seguramente las llaves de datos desde el SMTS a los terminales remotos, llaves por medio de las cuales logran sincronizarse.. 1.5.7 Otros soportes Soporte VPN: El sistema SurfBeam provee soporte transparente para paquetes VPN. Así los usuarios estarán habilitados para acceder a servidores VPN corporativos por medio de terminales remotas SurfBeam. VoIP: El sistema SurfBeam soporta servicios de VoIP de alta fidelidad como beneficio derivado del sistema DOCSIS 1.1 Caching: La base del SurfBeam no tiene este sistema integrado, pero es posible equipar al Gateway con una aplicación web para acelerar la velocidad al usuario y reducir el ancho de banda en la interfaz terrestre. Multicast: El SurfBeam SMTS soporta los siguientes protocolos de enrutamiento: DVMRP, PIM-SM/DM, IGMP v2 y MBGP. Email: Las capacidades de QoS del SurfBeam soportan una definición de las características del ancho de banda de Inbound, que pueden ser ajustados para cumplir con los requerimientos del servicio de e-mail. Capacidad para múltiples PCs: El sistema SurfBeam tiene la capacidad para soportar hasta 16 direcciones MAC conectadas directamente a la Terminal Remota. Para un número mayor de elementos de red se requiere el uso de un servidor Proxy. El sistema SurfBeam permitirá que INTERNET POR COLOMBIA mantenga un estricto control sobre el número.

(28) de computadores que cada estación remota esté autorizada para controlar el acceso en las instituciones..

(29) Capítulo 2: Análisis del enlace.. 2.1 Geometría del enlace. 2.1.1 Distancia del enlace. La figura muestra el modelo geométrico básico para un enlace satelital. Figura 2.1 Geometría del enlace satelital. Donde: θ. latitud de la estación terrena (T).. ϕT longitud de la estación terrena. ϕS posición orbital del satélite. Las latitudes Norte y las longitudes Este, serán consideradas con signo positivo; las latitudes Sur y las longitudes Oeste, serán consideradas con signo negativo, en el momento de determinar los diferentes parámetros. Se define ∆ϕ como: ∆ϕ = ϕ S − ϕ T. Las coordenadas rectangulares de la estación terrena (punto T en el plano XZ) son:.

(30) (Rsin θ ; 0; Rcos θ). Las coordenadas del satélite (punto S en el plano XY) son: [(R+H)cos ∆ϕ ; (R+H)sin ∆ϕ; 0]. La distancia entre el satélite (S) y la estación terrena (T) puede calcularse a partir de la siguiente expresión:. d = ( R + H ) 2 + R 2 − 2 R( R + H ) cos ∆ϕ cosθ Al sustituir los valores numéricos del radio de la Tierra (R=6378.17 Km.) y la altura del satélite (H=35870) para el caso del satélite ANIK F1 se obtiene la siguiente expresión para la distancia del enlace en kilómetros: d = 42.727 x10 3 1 − 0.29521 cos ∆ϕ cos ϑ. [km]. Con la longitud del enlace, podrá ser calculada la pérdida de espacio libre en decibeles desde la siguiente ecuación:. Lb (dB) = 185.056 + 20 log f (GHz ) + 10 log(1 − 0.29521cos ∆ϕ cos ϑ ) Ejemplo Cálculo de la pérdida de espacio libre para una estación terrena ubicada en la localidad de Carreño en 6.18778º N; 62.47305º W que recibe señal del satélite ANIK F1 ubicado en los 107.3º W. Solución: Latitud de la estación terrena. θ = 6.18778º N. Longitud de la estación terrena. ϕT= 62.47305º W Posición orbital del satélite.. ϕS= 107.3º W. ∆φ = φS - φT = -107.3 – (-62.47305) = - 44.82695º Véase la distancia de la línea de la visual (LOS) para el caso de este enlace. d = 42.727 x10 3 1 − 0.29521 cos ∆ϕ cos ϑ. [km]. d = 38020.92 Km.; La pérdida de espacio libre más crítica del enlace será en el caso que se tome el trasponder 32 del satélite en su enlace ascendente ya que tiene la mayor de las frecuencias, del Anexo 1.2 se observa que la frecuencia en este caso será 14485.25 MHz: Lb ( dB) = 185.056 + 20 log f (GHz ) + 10 log(1 − 0.29521 cos ∆ϕ cos ϑ ).

(31) Lb= 207.261 dB. 2.2 Técnicas para direccionar antenas. Varias tecnologías han sido desarrolladas para apuntar las antenas receptoras a uno o varios satélites geoestacionarios, dependiendo del tipo de montaje se pueden dividir en dos grupos principales, son ellos: Antena biaxial (emplean montaje por azimuth-elevación) y antenas uniaxiales (emplean montaje tipo polar). En el caso de antenas biaxiales tanto el azimut (Azº) como la elevación (ELº) deben ser ajustados en la dirección del máximo de radiación. Figura 2.2.. Figura 2.2: Montaje Az-EL. El montaje polar ha sido usado en las antenas parabólicas de los sistemas de banda C cuando se ha requerido el barrido de un segmento de la orbita geoestacionaria..

(32) Figura 2.3: Montaje polar. El proyecto solo emplea montaje Az-EL, por lo que se requiere de la determinación de los ángulos de azimut y elevación para cada uno de los diferentes puntos de acceso al satélite.. 2.2.1 Ángulos de Azimut y Elevación. Como se ha visto los ángulos de azimut (Azº) y elevación (ELº) permiten direccionar de forma precisa la antena de un Terminal en Tierra a un satélite ubicado en la orbita geoestacionaria.. Figura 2.4: Ángulos de Elevación (EL°) y azimut (Az°). Se puede demostrar que el ángulo de elevación para el caso del satélite ANIK F1, se expresa como:.

(33) ⎡ cos ∆ϕ cos ϑ − ( R )⎤ (R + H ) ⎥ ELo = arctan ⎢ ⎥ ⎢ 1 − cos 2 ∆ϕ cos 2 ϑ ⎥⎦ ⎢⎣. ⎛ cos ∆ϕ cosθ − 0,1513 ⎞ ⎟ EL° = arctan⎜ ⎜ ⎟ 2 2 ⎝ 1 − cos ∆ϕ cos θ ⎠ Y el ángulo de azimut: ⎛ tan ∆ϕ ⎞ Az° = 180° − arctan⎜ ⎟ ⎝ sinθ ⎠ Ejemplo:. Calcule los ángulos de Azimut y Elevación para una estación terrena ubicada en San Pablo cuyas coordenadas son 1.75º N; 76.979º W, que ha de recibir servicios del satélite ANIK F1. Solución: Latitud de la estación terrena. θ = 1.75º N. Longitud de la estación terrena. ϕT= 76.979º W ϕS= 107.3º W. Posición orbital del satélite.. ∆φ = φS - φT = -107.3 – (-76.979) = - 30.321º ⎡ cos ∆ϕ cos ϑ − ( R )⎤ (R + H ) ⎥ EL = arctan ⎢ ⎢ ⎥ 1 − cos 2 ∆ϕ cos 2 ϑ ⎢⎣ ⎦⎥ o. ⎡ cos(−30.321o ) cos(1.75 o ) − 0.1513 ⎤ ⎥ ELo = arctan ⎢ ⎢⎣ 1 − cos 2 (−30.321) cos 2 (1.75 o ) ⎥⎦. EL º = 54.6055 ⎛ tan ∆ϕ ⎞ Az° = 180° − arctan⎜ ⎟ ⎝ sinθ ⎠ ⎡ tan(−30.321) ⎤ Az o = 180 o − arctan ⎢ ⎥ o ⎣ sin(1.75 ) ⎦.

(34) Az º = 267.0109. Los diferentes valores de los ángulos de Azimuth y Elevación para cada uno de los emplazamientos seleccionados se obtienen de entrar a un software la ubicación de cada una de las estaciones terrenas tomadas a partir de la lectura de un GPS, así como los grados a fijar en el inclinómetro en el momento de realizar el montaje de la antena offset de compartel, el valor es medido con el 90 arriba puesto en la platina que sostiene el plato, ver figura 2.5.. Figura 2.5: Vista posterior de la antena offset de compartel. 2.3 Atenuación por lluvia en enlaces satelitales.. En la mayoría de los sistemas radioeléctricos reales la potencia de la señal recibida sufre fluctuaciones temporales, como se aprecia en la figura 2.6, este fenómeno toma el nombre de desvanecimiento..

(35) PR(dBm) Valor nominal AR. ∆t t. Figura 2.6: Desvanecimiento de señal radioeléctrica. El desvanecimiento por lluvia es un tipo de desvanecimiento que ocurre en sistemas radioeléctricos que operan por encima de 10 GHz. donde las gotas de lluvia absorben energía radioeléctrica y producen ruido térmico adicional. Debido a la variabilidad de la presencia o no de lluvia, la potencia recibida presenta variaciones que deben ser compensadas de alguna manera. Los métodos utilizados para describir la atenuación por lluvia son de carácter empírico y se basan en estimar la atenuación específica, en dB/Km, para una intensidad de lluvia dada en mm/h y la longitud efectiva del tramo lluvioso, en Km. El producto de estos parámetros permite calcular la atenuación en dB para una determinada probabilidad de interrupción del servicio. Para el cálculo de la atenuación por lluvia se dispone de un método recomendado por el UIT-R y el método de Crane. Las afectaciones en la señal radioeléctrica por la presencia de lluvia son: a) Atenuación. b) Depolarización. c) Ruido adicional en la antena. El efecto del desvanecimiento por lluvia conlleva a la modificación de la ecuación de margen de la manera siguiente, se definirá MR como margen por lluvia, para el caso de la lluvia. AF = AR, donde AR es la atenuación de la lluvia. El incremento de temperatura de. ruido de la antena es denominado ∆TA, por tanto, la temperatura de ruido de la antena en presencia de lluvia es: TA' = TA + ∆TA Bajo condiciones de lluvia el factor de mérito de receptor es: (G / T )´¨= G R /(T A + ∆T A + TR ).

(36) En condiciones de “cielo despejado” el factor de mérito del receptor es: (G/T) = G R /(T A + TR ) el cociente (G/T)`/(G/T) se expresa como: T A + TR (G / T )' = (G / T ) T A + ∆T A + TR. (G / T )' = (G / T ). 1 ∆T A 1+ T A + TR. tomando ∆T como: ∆T = 10 log[1 +. ∆T A ] T A + TR. expresando logarítmicamente (G/T)`/(G/T) como: (G/T)’= (G/T) - ∆T Al sustituir esta expresión en la ecuación de margen con desvanecimiento se obtiene la ecuación de margen con desvanecimiento debido a la lluvia. M R = PIRE (dBW ) + G / T (dB / K ) − Lb (dB ) − ∑ L(dB ) − Rb (dB.bps ) + GC − ⎛⎜ ⎝. Eb. ⎞(dB ) + 228.6 N 0 ⎟⎠. Entonces, la condición a cumplir para el caso de la lluvia es: M R ≥ AR + ∆T Los parámetros del enlace seleccionados con esta ecuación de diseño permiten que el sistema cumpla con la métrica primaria de calidad (C/N o Eb/N0) para una determinada probabilidad de interrupción del servicio p(%). Por lo tanto, para un sistema radioeléctrico con desvanecimiento estos son los dos criterios que definen el desempeño del sistema.. 2.3.1 Cálculo de la atenuación por lluvia utilizando el método del ITU-R. El siguiente método puede ser utilizado para propósitos generales de planificación. El procedimiento, paso a paso es como sigue:.

(37) a) Localizar la ubicación del terminal terreno receptor en el mapa de la figura 2.1, Anexo 2.1 y determinar la zona lluviosa correspondiente (A, B, C, D, E, F, G, H, I, J, K, L, M, N, P o Q). b) Obtener la intensidad de lluvia R0,01; en mm/h en la Tabla 2.1 y para el 0,01 % interrupción del servicio promedio anual c) Estimar la altura de la isoterma de 0º C durante condiciones de lluvia, hFR, utilizando. h FR. ⎧5 − 0,075(θ − 23) ⎪5 ⎪⎪ = ⎨5 ⎪5 + 0,1(θ + 21) ⎪ ⎩⎪0. for for. θ > 23 NH 0 ≤ θ ≤ 23 NH. for for for. 0 ≥ θ ≥ -21 SH - 71 ≤ θ < -21 SH θ < -71 SH. donde NH y SH significan hemisferios Norte y Sur, respectivamente, hFR esta en Km y θ es la latitud en grados. d) El trayecto oblicuo LS; en Km., es LS =. hFR − hS sin EL0. donde ELº es el ángulo de elevación y hS es la altura del terminal terreno sobre el nivel del mar en Km. e) El factor de reducción; debido a la inhomogeneidad de la lluvia, esta dado por. r0, 01 =. 1 Lg 1+ Lo. Donde: L g = LS ⋅ cos EL0. Lo = 35 ⋅ exp(− 0,015 ⋅ R0, 01 ) f) La atenuación especifica de la lluvia. γ 0,01. ; en dB/Km., es:. γ 0, 01 = k ⋅ (R0, 01 )α los coeficientes k y α están dados por:.

(38) [. ]. k = k H + kV + (k H − kV ) ⋅ cos 2 EL0 ⋅ cos 2τ 2. α = [k H α H + kV α V +(k H α H −kV α V ) ⋅ cos 2 EL0 ⋅ cos 2τ ] 2k τ es el ángulo de polarización relativo a la horizontal:. τ = 0 0 para polarización horizontal.. τ = 90 0 para polarización vertical. τ = 45 0 para polarización circular. Los coeficientes k H , kV , α H , α V son dependientes de la frecuencia. Los valores de k y α , a frecuencias diferentes de las que aparecen en la Tabla 2.2, pueden obtenerse por interpolación logarítmica y lineal, respectivamente. Es decir, log k = (log k 2 − logk 1). α = (α 2 − α 1 ). log f − log f1 + log k1 log f 2 − log f 1. log f − log f1 + α1 log f 2 − log f 1. g) La longitud efectiva del tramo lluvioso Le; en Km., es: Le = LS ⋅ r0, 01. h) La atenuación por lluvia A0.01; en dB, es: A0,01 = γ 0,01 ⋅ Le. i) Para una probabilidad de interrupción del servicio (p%) dada: A p% A0, 01. = 0,12 ⋅ p −[ 0,546 + 0, 043⋅log ( p % )]. La relación entre la interrupción del servicio del peor mes pw y la interrupción del servicio promedio anual p, ambos en por ciento, viene dada por: p = 0,3 ⋅ ( pW ). 1,15.

(39) Tabla 2.1: Intensidad de lluvia. Porcentaje de tiempo (%). A. G. H. J. K. L. M. N. P. Q. 1.0. <0.1 0.5 0.7 2.1 0.6 1.7 3. B. C. D. E. F. 2. 8. 1.5. 2. 4. 5. 12. 24. 0.3. 0.8. 2. 2.8 4.5 2.4 4.5 7. 4. 13 4.2. 7. 11. 15. 34. 49. 0.1. 2. 3. 5. 8. 6. 8. 12 10 20 12. 15. 22. 35. 65. 72. 0.03. 5. 6. 9. 13. 12. 15. 20 18 28 23. 33. 40. 65. 105 96. 0.01. 8. 12. 15. 19. 22. 28. 30 32 35 42. 60. 63. 95. 145 115. 0.003. 14. 21. 26. 29. 41. 54. 45 55 45 70. 105 95. 0.001. 22. 32. 42. 42. 70. 78. 65 83 55 100 150 120 180 250 170. 140 200 142. Tabla 2.2: Coeficientes de regresión para estimar la atenuación especifica (dB/Km). kH. kV. αH. αV. 4. 0.000654. 0.000591. 1.121. 1.075. 6. 0.00175. 0.00155. 1.308. 1.265. 7. 0.00301. 0.00265. 1.332. 1.312. 8. 0.00454. 0.00395. 1.327. 1.310. 10. 0.0101. 0.00887. 1.276. 1.264. 12. 0.0188. 0.0168. 1.217. 1.200. 15. 0.0367. 0.0335. 1.154. 1.128. 20. 0.0751. 0.0691. 1.099. 1.065. 25. 0.124. 0.113. 1.061. 1.030. 30. 0.187. 0.167. 1.021. 1.000. 40. 0.350. 0.310. 0.939. 0.929. Frecuencia (GHz). Ejemplo:. Análisis del enlace bajo los efectos de desvanecimiento por lluvia en el caso de Buenaventura. Localización de la estación terrena: 77.069 º W; 3.8933º N; altura sobre el nivel del mar 10 m. Solución: Según el procedimiento expuesto: a) Por la ubicación del terminal terreno receptor en el mapa, corresponde: Zona lluviosa: N b) Para el 0,01 % interrupción del servicio promedio anual, la intensidad de lluvia es: R0,01 = 95 [mm/h].

(40) c) La altura de la isoterma de 0º C durante condiciones de lluvia para latitudes por debajo de 23º es: hFR = 5 [Km]. d) El trayecto oblicuo LS; en Km., es: LS =. hFR − hS sin EL0. Para: hFR = 5 Km. hS = 10 m. ELº = 54.334 º Se obtiene:. LS = 6.142 [Km.]. e) El factor de reducción; debido a la inhomogeneidad de la lluvia, es: r0, 01 =. 1 Lg 1+ Lo. Para: LS = 6.142 Km. ELº = 54.334 º R0,01 = 95 mm/h L g = LS ⋅ cos EL0. Lg = 3.581 [Km.] Lo = 35 ⋅ exp(− 0,015 ⋅ R0, 01 ) Le = 8.418 [Km.] r0, 01 =. 1 Lg 1+ Lo. r0.01 = 0.702. f) La atenuación especifica de la lluvia. γ 0,01. ; en dB/Km., es:. γ 0, 01 = k ⋅ (R0, 01 )α los coeficientes:. [. ]. k = k H + kV + (k H − kV ) ⋅ cos 2 EL0 ⋅ cos 2τ 2.

(41) α = [k H α H + kV α V +(k H α H −kV α V ) ⋅ cos 2 EL0 ⋅ cos 2τ ] 2k Para la Región 2 y frecuencias de 12 GHz con polarización lineal, los coeficientes pueden calcularse empleando las siguientes fórmulas: k = 0,020 ± 1,08 ⋅ 10 −3 ⋅ cos 2 (EL0 ). α = [0,024 ± 1,48 ⋅ 10 −3 ⋅ cos 2 (EL0 )] k Para una elevación EL = 54.334º k = 0.020 ± 3.67x10-4. Para Polarización Horizontal k = 0.020367 Para Polarización Vertical. k = 0.019633, no es de interés, ya que el enlace. descendente solo es de polarización horizontal en el plan de canalización del ANIK F1 para América del Sur α = 1.203. Para: R0,01 = 95 mm/h k = 0.020367. γ 0, 01 = k ⋅ (R0, 01 )α γ0.01 = 4.877 [dB/Km.]. g) Longitud efectiva del tramo lluvioso: Le = LS ⋅ r0, 01. Para. LS = 6.142 Km. r0.01 = 0.702 Le = 4.312 [Km.]. h) Atenuación por lluvia: A0.01; en dB, es: A0,01 = γ 0,01 ⋅ Le. Para: Le = 4.312 Km. γ0.01 = 4.877 dB/Km. A0.01 = 21.03 [dB].. i) Para el enlace se plantea una disponibilidad del servicio de un 99.7 % promedio anual, lo que conlleva a una probabilidad de interrupción del servicio de 0.3 %. La atenuación por lluvia para estas condiciones será:.

(42) A p% A0,01. = 0,12 ⋅ p −[ 0,546 + 0,043⋅log ( p % )]. Ap% = 4.74 [dB] 2.4 Dimensionamiento de Ancho de Banda. El ancho de banda requerido en el transpondedor del ANIK F1 que será empleado por la red será analizado a partir de los requerimientos establecidos por el Programa Compartel de Conectividad en Banda Ancha, requerimientos tales como: número de PC a los que se deben dar servicios de conectividad, velocidad mínima para el acceso, tanto inbound como outbound, factor de reuso permitido y la máxima cantidad de remotas, es por ello que se han definido varios tipos de conectividad, tabla 2.3 Tabla 2.3: Requerimientos establecidos por el Programa Compartel de Banda Ancha. Según el requerimiento del Programa Compartel Número de PC en los que se deberá prestar el servicio de Velocidad mínima del canal Acceso. (Kbps) Velocidad mínima garantizada de navegación (download) Máximo factor de simultaneidad permitido Máximo factor de asimetría permitido (Download/upload). TIPO 3a4 128 48 4 4a1. TIP 5a8 128 64 4 4a1. TIPO 9a1 256 96 4 4a1. TIPO 1 3 a1 256 128 4 4a1. El satélite debe cursar el tráfico de todo el Programa, por tanto ha de evaluarse el caso más crítico, aquel en que todas las remotas tengan acceso simultáneo el esquema equivalente de este caso se muestra en la figura, donde el ancho de banda total se divide en dos porciones, una para el enlace inbound y otra para el outbound empleando para ello el esquema de acceso descrito con anterioridad, mostrado en la figura 2.7..

(43) Figura 2.7: Esquema de acceso. Una forma de reducir la velocidad de transmisión de bit, y por tanto los requerimientos de potencia de los transmisores VSAT es organizando los VSATs en grupos de L VSATs. Obsérvese que en el enlace Inbound, cada grupo comparte la misma banda de frecuencias (FDMA) y accede al satélite mediante TDMA. La banda inbound está ocupada por G portadoras. Ahora para el Outbound, los NK canales que transmite el hub se multiplexan por división en el tiempo. Si se analiza la tabla 2.4 se tendrá que la capacidad total de la conectividad Tipo A, en cuanto a velocidad, se obtiene para el enlace outbound a partir de multiplicar el número total de remotas, 615 en este caso, por la velocidad outbound pero con reuso, ya que todos acceden a la vez, 12 Kbps, obteniéndose los 7.38 Mbps; así para cada uno de los diferentes Tipos, requiriéndose una capacidad total de 30.25 Mbps para el enlace Outbound Tabla 2.4: Requerimientos por tipo de conectividad Tipo Conectividad TIPO A TIPO B TIPO C TIPO D TOTAL. Cantidad Remotas 615 202 221 448. Velocidad Mínima (Kbps). Velocidad con Reuso. Outbound. Inbound. Factor de Reuso. 48,00 64,00 96,00 128,00. 12,00 16,00 24,00 32,00. 4 4 4 4. Capacidad Total (Mbps). Outbound. Inbound. Outbound. Inbound. 12,00 16,00 24,00 32,00. 3,00 4,00 6,00 8,00. 7,38 3,23 5,30 14,34. 1,85 0,81 1,33 3,58. 30,25. 7,56.

(44) Para el caso inbound, conocido también como upstream, se requiere de una capacidad total de 7.56 Mbps en cuanto a velocidad, obtenida por un procedimiento similar al anterior.. 2.4.1 Enlace upstream. Se ha seleccionado el empleo del modem STMS-1200 en el enlace inbound con una razón de símbolo de 320 Ksps para el canal de retorno. Ver Anexo 2.2 y Anexo 2.3 que reflejan las especificaciones de los modem. De las especificaciones técnicas del SurfBeam STMS1200 se tienen los siguientes parámetros, tabla 2.5, para portadoras de 320 Ksps: Tabla 2.5: Parámetros del MODEM Parámetro Razón de símbolo Tipo de modulación FEC Reed Solomon Overhead Factor de Roll-off. Valor 320 Ksps QPSK ½ No usado 15 % 1.25. De los datos anteriores se obtienen los siguientes parámetros del enlace: •. Velocidad de Transmisión: 640 Kbps. Es la razón de símbolos por el número de bit por símbolos que para el caso de la modulación QPSK es dos.. •. Velocidad de Datos (Vd): 320 Kbps. Es la velocidad de transmisión por la razón de codificación, FEC ½, indica que por cada bit de información uno redundante.. •. Velocidad de Información: 272 Kbps. Los datos que se transmiten a 320 Kbps son los bits de información más una cabecera (overhead) que ocupa el 15%, si se elimina dicha cabecera solo se tendrán los de información.. •. Ancho de Banda por Portadora: 400 KHz. Para un filtro ideal el ancho de banda requerido sería solamente de 320 Hz que es la velocidad de símbolos o de portadora. En este caso ha de tenerse en cuenta el factor de caída del filtro (rolloff), generalmente se emplean filtros con respuesta tipo coseno alzado, para este caso el roll off es de 1.25, por lo que para una velocidad de Transmisión de 320 Ksps y un filtro de estas características se requiere de un ancho de banda de 400 KHz por portadora..

(45) La capacidad total requerida por el enlace upstream, es de 7.56 Mbps, en lo que a velocidad de información se refiere como se vio con anterioridad, en la configuración seleccionada del modem, la velocidad de información para una portadora es de 272 Kbps, por lo que se requiere para lograr esa capacidad total, en velocidad, del empleo de 28 portadoras, las que demandan de un ancho de banda total de 11.2 MHz (400 KHz, ancho de banda para una portadora, multiplicado por el número total de portadoras, 28). Tabla 2.6. Tabla 2.6: Capacidad del enlace inbound. Capacidad total para el enlace upstream. Velocidad Total de Información (Mbps). 7,563. Número de Portadoras. 27,81. Portadoras Escogidas. 28. Ancho de Banda Total (MHz). 11,20. Como el número de portadoras seleccionadas es de 28, algo mayor al requerido 27.81, eso implica que la velocidad total de información que se pueda alcanzar se algo mayor: 7,616 Mbps en ese ancho de banda.. 2.4.2 Enlace downstream. Si se considera que para el esquema empleado que por cada portadora downstream pueden tenerse hasta ocho portadoras upstream, entonces para las 28 portadoras upstream seleccionadas se han de requerir de cuatro portadoras downstream. Entre los requerimientos del sistema se impusieron los siguientes: •. Link Budget con portadora Downstream de 3.5 Msps a Puerto Carreño, 8PSK Fec 5/6, RS 1.1. •. Link Budget con portadora Downstream de 3.5 Msps a Buenaventura, 8PSK Fec 5/6, RS 1.1. •. Link Budget con portadora Downstream de 5 Msps a Puerto Carreño, 8PSK Fec 5/6, RS 1.1.

(46) •. Link Budget con portadora Downstream de 5 Msps a Buenaventura, 8PSK Fec 5/6, RS 1.1. De lo anterior se deriva que de las cuatro portadoras downstream a emplear, dos de ellas serán de 3.5 Msps y las dos restantes de 5 Msps. Cálculo de las portadoras downstream. Para el caso del enlace outbound, se requiere de una capacidad total de 30.25 Mbps en cuanto a velocidad, obtenida por un procedimiento similar al aplicado para el enlace inbound. Se ha definido el empleo de dos tipos de portadoras 3.5 Msps y 5 Msps. Cálculo de portadoras downstream de 5 Msps. Parámetros del modem: Parámetro. Valor. Razón de símbolo. 5000 Ksps. Tipo de modulación. 8PSK. FEC. 5/6. Reed Solomon. 1.1. Overhead. 5%. Factor de Roll-off. 1.2. De los datos anteriores se obtienen los siguientes parámetros del enlace: •. Velocidad de Transmisión: 15000 Kbps. Es la razón de símbolos por el número de bit por símbolos que para el caso de la modulación 8PSK es tres.. •. Velocidad de Datos (Vd): 11363.63 Kbps.. •. Velocidad de Información: 10795.45 Kbps. Los datos que se transmiten a 11363.63 Kbps son los bits de información más una cabecera (overhead) que ocupa el 5%, si se elimina dicha cabecera solo se tendrán los de información..