SISTEMA DE COMUNICACIÓN SATELITAL GLOBALSTAR,
 PARA VOZ Y DATOS

 

 

Globalstar es un sistema de comunicación satelital, utilizado principalmente en telefonía inalámbrica, basado en la interconexión de puntos distantes en la superficie terrestre. La tecnología de codificación utilizada es la conocida como CDMA (Code Division Multiple Access), con la que se accede a una mayor eficiencia del sistema. Como factor negativo, está la probabilidad latente de posibles colisiones en las señales, tanto recibidas/transferidas por el satélite utilizado, como por las estaciones terrenas (Gateways).

Dentro del sistema Globalstar se encuentran distintos niveles de transición de cada señal enviada:

Se muestra el momento en que un usuario realiza una llamada por un teléfono Globalstar. En esa acción, la señal proveniente del celular viaja a través del aire en una dirección aleatoria en el espacio. El satélite de órbita baja (LEO) espera su tiempo de recepción de dicha señal, manteniéndose dentro de su órbita alrededor de la tierra. Una vez que el satélite ha recibido la señal, ésta es procesada, encriptada y codificada para su posterior envío hacia la base terrena (Gateway), más cercana al punto de destino final.

Los enlaces de información del sistema Globalstar se dividen en:

  • Enlace satélite     :          La señal desde (hacia) el teléfono es recibida (transmitida) por el satélite LEO (Orbita Baja).
  • Enlace gateway   :         La señal desde (hacia) el satélite es recibida (transmitida) por la estación terrena.

 

  • Característica del sistema de Globalstar

La constelación Globalstar, está compuesta por 52 satélites móviles, de los cuales 48 son satélites principales y se encuentran a 1.414 Km de la tierra (LEO: Low Earth Orbiting), en órbita  circular y distribuidos a en 8 planos inclinados a 52º con respecto al Ecuador. Los 4 satélites restantes se colocan en órbitas intermedias, en reserva de los satélites principales. Las ventajas de estos equipos son:

  • Todas las ventajas de la órbita baja: terminales de tamaño similar a los terminales celulares de primera generación y servicio sin ningún retraso de la voz (fenómeno característico de eco generado por los satélites geoestacionarios).
  • Una cobertura completa y permanente del planeta entre los 70º y –70º de latitud, cada centímetro cuadrado del planeta esta cubierto por la constelación Globalstar excluyendo los polos. Esto permite concentrar toda la capacidad de la constelación en la zona de uso potencial.
  • Un servicio satelital redundante para cada terminal: los satélites Globalstar se cruzan por encima de los usuarios. De esta forma cada terminal, tiene un acceso simultaneo a 4 satélites esto permite evitar los cortes de comunicación cuando un obstáculo surge entre el usuario y un satélite en particular. Este es el único sistema que presenta esta garantía.

 

  • Recepción en bases terrenas.

La recepción de las señales de RF enviadas desde los satélites a la tierra son recibidas por las gateways, o puertas de enlace en la recepción de aquéllas, ya que cuentan con un Centro de Control de Operaciones Terreno (GOCCs), un Centro de Control de Operaciones Satelital (SOCCs), además de la Red de Datos Globalstar (GDN).

Las gateways consisten en tres o cuatro grandes antenas; una base de administración de switches y un control de operación remoto. Las gateways poseen un servicio de integración con la telefonía regional y local, tanto en redes alámbricas como inalámbricas. Las redes utilizan los estándares T1/E1 con las interfaces PSTN/PLMN, además de redes celulares  GSM/MAP.

  • GOCC     : Son responsables de planear y controlar el uso de satélites LEO por los terminales de las gateways y para coordinar esto, utilizan los SOCC. El plan de control de cada GOOCs por las gateways y el control de la ubicación de los satélites es propio para cada gateway.
  • SOCC     : Manejan la constelación de satélites Globalstar. El equipo de las SOCC controlan sus órbitas y provee telemetría y un servicio de comandos para las constelaciones.
  • GDN       : Es la red de conectividad que provee y facilita las intercomunicaciones de área extendida que se derivan de las gateways, de las GOCC y de las SOCC.

 

  • Transmisión

Las frecuencias del sistema Globalstar son las siguientes:

1. Enlaces de servicio:

   Terminal a satélite de 1610 a 1626,5 [MHz] (banda L).
   Satélite a terminal de 2483,5 a 2500 [MHz] (banda S).

2. Enlace de conexión:

  Gateway a satélite 5091 a 5250[MHz] (banda C).
  Satélite a Gateway 6875 a 7055[MHz] (banda C).

Existen varios protocolos de control de acceso al medio que son utilizados en la actualidad, tanto para aprovechar el espectro de frecuencias (conjunto de frecuencias que caracterizan a una señal) como para la inserción de bits de sincronismo y de chequeo de errores en las señales. Los protocolos más usados en  telefonía digital inalámbrica son:

  • TDMA   : Time Divison Multiple Access
  • FDMA   : Frecuency Division Multiple Access
  • CDMA  : Code Division Multiple Access

De estos últimos, el protocolo CDMA es el utilizado (en realidad, DS-CDMA).

  • TDMA

Con el protocolo TDMA, cada usuario tiene asignado un canal durante una ranura de tiempo sobre un rango de frecuencia. Puede que se utilice la banda de frecuencias completa para la transmisión o, simplemente, un rango de frecuencias dentro de la banda. Esta técnica involucra a una señal ruidosa debida a la conmutación para el uso del canal. Además, requiere de una sincronización en la recepción para la recuperación de la información deseada.

  • FDMA

El protocolo FDMA otorga a cada usuario un canal de frecuencia para la comunicación mientras dure. En el caso de los canales satelitales pueden estar permanentemente asignados. Este esquema tiene la ventaja de ser relativamente fácil de implementar y sencillo de administrar cuando el número de usuarios es bajo. Como desventaja, el sistema debe contar con la implementación necesaria para aprovechar al máximo el canal de frecuencias asignado; es poco eficiente cuando el número de usuarios es elevado y no se adapta muy bien a la transmisión de datos, por lo que no es muy usado.

  • DS - CDMA

Cada usuario tiene todo el ancho de banda de frecuencias asignado para la comunicación durante todo el tiempo que ésta dure, pero su comunicación se realiza utilizando un código que es único. Dicha codificación es digital, utilizando con ello, técnicas de radio de espectro amplio (RF). Es por ello que CDMA es la tecnología  digital inalámbrica más utilizada, puesto que la utilización del ancho de banda en la comunicación es altamente eficiente, permitiendo una mejor calidad en voz, llegando a ser muy similar a la transmitida en línea alámbrica. Además, filtra los ruidos de fondo cruces de llamadas, e interferencia por interrupciones o por flujo de señales de ocupado que congestionan el sistema, mejorando en forma considerable la privacidad y calidad de la llamada generada.

El protocolo CDMA se caracteriza por utilizar un espectro amplio de frecuencia determinado para una o más señales superpuestas ortogonalmente durante todo el tiempo de duración de la comunicación. La ortogonalidad de las señales, generada por un código codificador de la banda base, concede la prácticamente nula posibilidad de colisión entre las señales que comparten el canal; a su vez, la seguridad en la privacidad de la información transmitida capaz de ser reconocida sólo por el receptor del enlace.

Otras características de la tecnología CDMA son las siguientes:

  1. Utilización de todo el ancho de banda en el enlace por ensanchamiento de la banda base, superponiendo a los usuarios. Con respecto a un canal analógico, la capacidad aumenta 15 veces en condiciones de máximo flujo.
  2. Posibilidad de la creación de nuevos servicios al cliente y evolución del sistema, debido a la versatilidad del código y la señalización digital.
  3. Costos inferiores a la tecnología analógica debido al desarrollo de componentes electrónicas digitales.
  4. Uso eficiente de las fuentes de poder (baterías) en los aparatos con la tecnología, debido a que la estructura de CDMA se encuentra diseñada para operar en ciertos niveles de potencia. Además, presenta la capacidad de detectar tiempo ocioso en el canal por lo que se disminuye la potencia media de transmisión.
  5. Alta relación señal a ruido y  baja probabilidad de errores en el código por la utilización de redundancias, debido a la magnitud del ancho de banda utilizado.

Es importante destacar que la tecnología digital CDMA, resulta compatible con otras como AMPS (Advanced Mobile Phone System), que es la base de la mayoría de las redes de teléfonos celulares análogos. También se relaciona con redes de teléfono IS-41 y con redes GSM/MAP, que permiten amplia cobertura y conexión.

Los requerimientos de ancho de banda son muy superiores a otros sistemas, debido a que cada bit transmitido, codificado en forma polar, debe ser multiplicado por una secuencia difusora de chips.

 

  • Técnicas de espectro ensanchado. 

El Ensanchamiento de espectro es una técnica de transmisión en la cual una señal ocupa un ancho de banda que supera considerablemente el mínimo necesario. La función de ensanchamiento es independiente de la información transmitida y es conocida por el receptor el cual debe sincronizarse con ella para el desensanchamiento del espectro y recuperación de la información.

  • Algunas  técnicas de espectro ensanchado.

* Salto en Frecuencia (FHSS: Frecuency Hopping Spread Spectrum): Consiste en que la portadora se desplace en frecuencia con un patrón determinado, el cual es definido por una secuencia pseudoaleatoria, produciendo el ensanchamiento del espectro. Para la recuperación de esta señal se utiliza un receptor no coherente.

* Salto en tiempo: Esta técnica implica la división del eje temporal en tramas que son los bloques de información. Estas tramas se subdividen en ranuras. La idea es transmitir en forma pseudoaleatoria cada trama en una sola ranura, dejando las otras vacías. Es así como el ensanchamiento depende de la cantidad de ranuras, siendo ésa la determinante en el incremento del ancho de banda de la señal original.

* Chirp: Es una técnica de ampliación del espectro que utiliza pulsos chirp. Esta técnica consiste en un barrido lineal y continuo que desplaza la frecuencia de la portadora y provoca la ampliación del espectro. Su utilización más común es en los sistemas de  radar.

* Modulación por Secuencia Directa (DDSS: Direct Sequence Spread Spectrum): Este tipo de modulación es el más usado en las aplicaciones de espectro ensanchado. La señal de información es multiplicada con una secuencia pseudoaleatoria con tasa de transmisión mucho mayor que la señal original. El resultado es una señal de la misma frecuencia que el código ensanchador.

Esta técnica es diferente de TDMA y permite un mejor rechazo a los desvanecimientos de la señal en bandas estrechas del espectro. Además, cada usuario tiene todo el ancho de banda de frecuencias asignado para su comunicación durante todo el tiempo que esta dure, siendo un tipo de CDMA; pues su comunicación se realiza utilizando un código único. El problema de este sistema es el gran ancho de banda que necesita. Otro problema,  para lograr una recepción independiente (sin problemas de interferencia entre dos o más comunicaciones) los códigos deben ser ortogonales y las señales mutuamente interferentes deben tener igual potencia. Éso debe ocurrir, debido a que es un problema inherente a este método, llamado efecto “cerca-lejos”, el cual ocurre cuando los niveles de potencia de las señales no deseadas generadas por otros usuarios son muy grandes en comparación con el nivel de potencia de la señal deseada; y cuando la ganancia de procesamiento del sistema no es suficiente para resolver este problema, otros métodos de ensanchamiento de espectro pueden ser necesarios de implementar.

  • Técnicas consideradas

 * FHSS  banda estrecha : Una trama de bits se envía ocupando ranuras específicas de tiempo en diversos canales de radio frecuencia, es decir, como una combinación entre CDMA, TDMA y FDMA, pues para la comunicación entre usuarios se van a subdividir los ejes de tiempo, frecuencia y código. La asignación del canal a ocupar por cada usuario depende del código que han acordado al comienzo de la sesión.
    
* FHSS  banda ancha : Durante el intervalo de un bit se conmutan diversos canales de radio-frecuencia.    

 

Las ventajas del protocolo de acceso multiple (DS-CDMA, Direct Sequence CDMA) son diversas. Optimiza bastante el espectro de frecuencias en la transmisión montando información de diversos usuarios en un mismo ancho de banda y tiempo. La ventaja de utilizar este método de acceso, redunda en la idea de ocupar eficientemente el espectro de frecuencias, dependiendo del número de usuarios solicitando un enlace.
Como desventaja, esta subyacente la idea de perder el asincronismo de DS-CDMA, lo que permitía un retardo mayor en establecer y mantener la comunicación. Ahora, es necesario en la trama de comunicación, insertar bits de sincronismo de trama y de portadora, capaces de informar exactamente el tiempo en que termina una trama y comienza otra, provocando que la transmisión con FH-CDMA requiera un poco más de ancho de banda. Sin embargo, ese sincronismo de trama se ve coronado con un menor tiempo en los retardos de propagación. En conjunto con ésto, dada la ortogonalidad entre las señales generadas, FH-CDMA, disminuye ampliamente el BER (Bit Error Rate), con lo que la posibilidad de error por overhead e interferencia por señales a nivel co-canal se hace mínima. Lo anterior manifiesta una característica significativa frente a la codificación DS-CDMA. 

  • Costo de la red satelital

El costo inicial proyectado de la instalación de los 48 satélites más las 100 estaciones terrenas (proyecto original), alcanzaba la suma de 2,2 billones de dólares estimados. En marzo del presente año, tras los cambios en la red instalada, y dado los problemas presentados durante la puesta en marcha de este servicio, se tienen en funcionamiento 52 satélites orbitando más 11 estaciones terrenas, con un costo acumulado cercano a los 3,3 billones de dólares. A fines de este año se proyecta tener 22 estaciones funcionando, de un total que fluctuaría entre 38 y 60 estaciones terrenas, con un costo total de 3,8 billones de dólares.

  • Costo del servicio

Los costos del servicio incluyen básicamente el de contratar el plan, incluyendo los equipos, y el del minuto cursado en llamadas. El costo del equipo se encuentra alrededor de los US$1.500, mientras que a continuación se muestran los costos del servicio en Estados Unidos:

Plan

Costo en US$

Minutos gratis

Valor minuto extra

Beyond Zero

24.95

0

1.69

Beyond 50

89.95

50

1.49

Beyond 100

149.95

100

1.39

Tabla de Costos del servicio por minuto en Estados Unidos.

 

 

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