servicios inmarsat
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INMARSAT
Marcos Rivas Bernaldo de Quirós
Hugo García Trancón
1.-INTRODUCCIÓN.
1.1-Historia de Inmarsat
Inmarsat es la compañía líder en comunicaciones móviles por satélite, fue fundada en
1979 como una organización intergubernamental (posteriormente se convirtió en una
empresa privada) con el objetivo de mejorar la seguridad marítima.
El primer sistema de Inmarsat estuvo operativo el 1 de Febrero de 1982, se optó por
una configuración de satélites alquilados, entre ellos algún Marisat y algún Marec. El sistema
Marisat fue el primero que permitía comunicaciones marítimas comerciales vía satélite y los
Marecs fueron desarrollados por la unión europea para mejorar las comunicaciones marítimas.
Entre 1990 y 1992 se lanzan los satélites inmarsat-2, que fueron los primeros
totalmente propios de Inmarsat. El 3 de Abril de 1996 se empiezan a lanzar los inmarsat-3 que
fueron los primeros en usar distintos tipos de cobertura ya que tenían un haz global y podían
crear 7 haces regionales. En la actualidad los satélites inmarsat-2 están en desuso y los
inmarsat-3 se usan para servicios de voz y datos de hasta 2.4 Kbits/s.
La cuarta generación de Inmarsat son los satélites comerciales más grandes y dan
cobertura en más del 90% de la superficie terrestre. Fueron diseñados para ofrecer
transmisiones de datos de banda ancha de hasta 492 Kbits/s (servicio BGAN).
1.2-Servicios de Inmarsat
Inmarsat ofrece una gran variedad de servicios, desde llamadas tradicionales a conexiones de
internet de alta velocidad, además de servicios de seguridad. Su servicio más potente es el
BGAN que está basado en tecnología GPRS y puede ofrecer velocidades de bajada de hasta 492
kbit/s.
Los servicios están agrupados en dos categorías: servicios avanzados y servicios existentes y
evolucionados. El segundo tipo es ofrecido por estaciones terrestres que no son propiedad de
inmarsat si no de compañías con las que inmarsat tiene un acuerdo comercial. Los servicios
avanzados, sin embargo, son ofrecidos por estaciones terrenas que son propiedad de inmarsat.
Nos centraremos en explicar los servicios avanzados ya que entre ellos está el BGAN que es el
servicio que estamos analizando.
1.2.1-Servicios Avanzados
Familia BGAN
La familia BGAN es un conjunto de servicios que van sobre IP:
BGAN: Para uso en tierra. Como ya hemos dicho puede ofrecer servicios de datos de hasta 492
kbit/s. También existen terminales móviles que ofrecen servicio ISDN con velocidades más
bajas, de 64 kbit/s e incluso de 4.8 kbit/s
FleetBroadband (FB): Un servicio marítimo, FleetBroadband está basado en la tecnología
BGAN, ofreciendo servicios similares y usando las mismas estructuras que usa el servicio
BGAN.
SwiftBroadband (SB): Servicio aeronaútico, SwiftBroadband, al igual que FleetBroadBand está
basado en la tecnología BGAN y ofrece servicios similares.
Aunque todos estos servicios están basados en la misma tecnología, es necesario que los
dispositivos de los usuarios sean diseñados específicamente para cada caso, tierra mar o aire,
para poder ofrecer el servicio de forma óptima.
Comunicaciones M2M (Máquina a Máquina.
BGAN M2M: ofrece servicio de datos de baja velocidad para usuarios que necesiten un
suministro de datos continuo y fiable. Está diseñado para funcionar a alta frecuencia con
latencias bajas, de este modo el servicio ofrece una monitorización de una gran utilidad,
resulta de gran uso en por ejemplo en el control de pozos de petróleo .
IsatM2M: IsatM2M es un servicio global y rápido, permite mandar mensajes de 10.5 o 25.5
bytes en el enlace de subida, y hasta 100 bytes en el de bajada.
Servicios de voz
IsatPhone Pro: IsatPhone Pro es in dispositivo diseñado y fabricado por inmarsat, ofrece
telefonía de calidad y datos para transmitir SMS y emails.
IsatPhone Link: IsatPhone Link es un servicio de bajo coste de telefonía fija por satélite. Ofrece
conexión de voz para usuarios alejados de las zonas en las que no haya cobertura celular.
FleetPhone: FleetPhone es un servicio ideal para ser usado en barcos ya que ofrece cobertura
de telefonía a bajo coste para aquellos usuarios que están navegando en alta mar y se
encuentran fuera de la cobertura celular.
2.-Inmarsat i-4
2.1-Conceptos Generales.
Los satélites inmarsat-4 están en órbita geoestacionaria a 37.786 Km sobre la Tierra. Se
da cobertura mundial (salvo las zonas polares) con 3 satélites, siguiendo por lo tanto la teoría
formulada por Arthur C. Clarke en 1945. Con esta constelación se necesita un menor número
de satélites para dar cobertura global que en la generación anterior que usaba 4 satélites (+1
de reserva).
Figura1. Comparación constelación i-3 con una de satélites geoestacionarios.
El primer satélite en ser lanzado fue el Inmarsat F1 en Marzo de 2005, le siguió en F2
en Noviembre de ese mismo año, el último satélite en ser lanzado fue el F3 en Agosto de 2008.
Fueron diseñados para estar en funcionamiento durante 12 años. Una vez lanzados fue
necesario hacer un reposicionamiento para optimizar el sistema.
Los satélites i-4 son los encargados de dar el servicio de telefonía móvil por satélite de
Inmarsat (BGAN). La combinación de sus huellas da cobertura en todo el mundo sin problemas
entre latitudes de 76º Sur y 76º Norte.
Figura 2. Cobertura de los i-4.
El objetivo del servicio es poder ofrecer conexiones de alta velocidad a pequeños
terminales de usuario en la mayor parte del mundo, usa la banda de 1525-1559 MHz para el
canal de bajada y la de 1626.5-1660.5 MHz para el de subida, con canales de 200KHz y
polarización circular a derechas tanto en el enlace de subida como en el de bajada.
Las operaciones de telemetría y control se hacen en banda C, usando la banda 6338 –
6342 MHz para comunicaciones desde la estación terrena y la 3945 – 3955 MHz desde el
satélite, en este caso hay rehúso de polarización, circular a derechas y circular a izquierdas.
Los satélites i-4 son los más avanzados en comunicaciones móviles por satélite
comerciales, unas de sus características son:
Cuerpo del satélite de 7m x 2.9m x 2.3m.
Paneles solares de 45m de largo.
Reflector de 9m, desplegable en órbita, combinado con un array de 120 hélices para
transmitir y recibir en banda L
2 antenas en banda C para transmitir y recibir.
2.2-Reposicionamiento.
Una vez estuvieron los tres satélites en órbita y se comprobó su correcto funcionamiento,
Inmarsat decidió reposicionar los satélites para optimizar el área de cobertura de los tres i-4.
Este reposicionamiento duró en total 3 meses:
Octubre 2008: Inmarsat i-4 F3 empieza a dar servicio comercial.
Noviembre 2008: Reposicionamiento del i-4 F2, 5 semanas.
Diciembre 2008: Reposicionamiento del i-4 F1, 3 semanas.
Enero 2009: Cobertura global.
Este procedimiento implicó una pérdida parcial de la cobertura para algunos servicios ya
que al mover los satélites es necesario apagar el sistema de comunicaciones para no interferir
con otros sistemas.
En las siguientes figuras se muestra un esquema del reposicionamiento de los satélites
además de los servicios afectados:
Figura 3. Reposicionamiento i-4, efecto sobre servicios de banda ancha.
Figura 4. Reposicionamiento i-4, efecto sobre servicios de telefonía
Figura 5 Cobertura después del reposicionamiento.
2.3-Cobertura
Los satélites i-4 ofrecen tres tipos de cobertura en banda L: global, regional y local. Cada
satélite i-4 genera 19 haces regionales y 200 locales, estos últimos son los que ofrecen el
servicio BGAN. La siguiente imagen muestra los haces locales en todo el mundo:
Figura 6. Haces locales satélites i-4.
Además, los terminales de usuario recibirán cobertura del haz global o los regionales. Este
tipo de cobertura se utiliza para señalización, con el objetivo de controlar las diferentes
sesiones de comunicaciones.
Figura 7. Haces regionales de los i-4
Las comunicaciones con las estaciones de control se hacen mediante dos haces global en
banda C, uno con polarización a circular a izquierdas y otro con circular a derechas idénticos.
La ganancia de un haz global se puede estimar usando anchos de haz, ya que sabemos a
qué distancia está el satélite:
También se puede estimar la ganancia de los haces regionales y globales. Como hay un
haz global y 19 regionales podemos estimar el ángulo sólido cubierto como 19 veces menor
que el que cubre el global. Si se hace el mismo procedimiento para el local las ganancias
resultantes son de 34.6 dB y de 44.8 dB.
2.4-Señalización
El terminal de usuario empieza buscando la portadora del haz global, esta portadora
contiene información sobre los canales de los haces regionales que el terminal de usuario
puede usar para registrarse en la red, no hay ningún tipo de comunicación desde el usuario al
satélite en el haz global. La selección del haz regional se basa en la posición GPS del terminal
de usuario, una vez seleccionado el usuario se registra en el haz.
Si está registrado se puede iniciar una sesión de comunicación a través de un haz local,
una vez finalizada la comunicación se desconecta del haz local para no ocupar recursos
innecesariamente, pero permanece registrado en el regional.
- Portadora señalización global: Se transmite continuamente una portadora de 12,5KHz
ancho de banda.
- Portadora señalización regional: En el haz regional se transmiten dos portadores de
ancho de banda 50KHz. La portadora del canal de subida se usa para registrar al
usuario en la red, si el terminal es de clase 3 el ancho de banda de la portadora es de
25KHz.
2.5-Sistema de Comunicaciones.
El sistema de comunicaciones permite el establecimiento de una serie de enlaces entre
diferentes bandas debido a que las estaciones de control están transmitiendo en banda C y los
terminales de usuario en banda L.
En el caso de un enlace entre una estación de control y un usuario, la señal es recibida
en banda C, es amplificada con un LNA y se baja de frecuencia antes de conectarse al
procesador digital central. A continuación del procesador hay un post-procesador en banda L
donde las señales son filtradas y se les coloca en banda L. El post-procesador está conectado a
un amplificador cuyas salidas están conectadas a cada uno de los 120 elementos del array. Los
diferentes haces se forman alimentando los elementos del array tal y como indica el
procesador digital central.
En el camino contrario se sigue un camino similar, cada elemento del array está
conectado a un LNA y luego las señales entran a un pre-procesador en banda L donde se
convierten a banda base para procesarlas luego en el procesador digital central. Se suben las
señales a banda C y son filtradas para después conectarlas a un amplificador.
A continuación se incluye un esquema del sistema de comunicaciones.
Tx
Banda C
Conversor
a Banda C
Procesador
Central
Post-
Procesador
Banda L
AMPLIF.
Pre-
Procesador
Banda L
AMPLIF.
Antena
Banda L
Antena
Banda C tx
Conversor
Banda- base
Rx
Banda C
Antena
Banda C rx
3.-Terminales de Usuario y balances de enlace
3.1- Terminales de Usuario del servicio BGAN
El servicio BGAN de Inmarsat es compatible con una gran variedad de terminales, de
diferentes características para poder satisfacer todos los tipos de demanda. Por ello, Inmarsat
divide los terminales de usuario en diferentes clases, según los servicios ofrecidos y las
velocidades de los enlaces. En el servicio BGAN estándar las velocidades ofrecidas son las
siguientes:
Uplink (kbps) Downlink (kbps)
Clase 3 240 384
Clase 2 448 464
Clase 1 492 492
Tabla 1. Velocidades de subida y bajada en función de la clase del terminal
Como se puede apreciar en la siguiente tabla comparativa, los transmisores de la gama
Explorer transmiten en banda L:
Explorer 300 Explorer 500 Explorer 700
Precio($) 2595 2895 4695
Clase 3 2 1
PIRE 10±1dBW 15.1±1dBW 20±1dBW
Frecuencia Rx (MHz) 1525.0 – 1559.0 1525.0 – 1559.0 1525.0 – 1559.0
Frecuencia Tx (MHz) 1626.5 – 1660.5 1626.5 – 1660.5 1626.5 – 1660.5
Power(W) 14W 14W 18W Tabla 2. Comparativa entre terminales de usuario
3.2- Relación entre la codificación 16-QAM y el BER
Para la realización del balance de enlace, se supone codificación Gray en la señal
transmitida en 16-QAM. Como los símbolos adyacentes en la constelación solo varían en un
bit, el error causado por el ruido gaussiano será de solo uno de cada kbits, siendo k el número
de bits por símbolo. Por tanto la relación entre el error de bit y el error de símbolo es:
De este modo, como cada símbolo se compone de k bits, en este caso k = log2(16) = 4, la
relación energía de símbolo a ruido será k veces la relación energía de bit a ruido:
Por otra parte, se sabe que el error de símbolo se corresponde con la ecuación (5):
Combinando las ecuaciones (4) y (5), se concluye que el ratio de error de bit (BER) para la
codificación Gray 16-QAM con ruido blanco aditivo gaussiano es:
En la siguiente gráfica se muestra el compara el valor del BER en función de la relación
energía de bit a ruido de la codificación Gray 16-QAM:
Figura 9. BER en función de Eb/N0
3.3- Balance de enlace y sus parámetros con los terminales de usuario
Se procede al cálculo del balance de enlace entre un terminal de usuario y un satélite
Inmarsat-4 en banda L. Para ello, se estima un nivel máximo de BER, en este caso 10-5, que fija
un nivel de energía de bit a densidad de ruido mínima, que será de 13.42 dB, y finalmente un
nivel de señal a ruido mínimo, cuyo valor dependerá también de la velocidad R deseada en el
enlace según la ecuación (7), y que con un ancho de banda BW = 0.2 MHz, toma los siguientes
valores:
Velocidad (kbps) S/N (dB)
Uplink 240 448 492
26.3743 49.2321 54.0674
Downlink 384 464 492
42.1989 50.9903 54.0674
Tabla 3. Niveles de S/N mínimos
Posteriormente, se calculan las pérdidas de espacio libre del enlace. Como se trabaja
en banda L, se pueden despreciar las pérdidas por gases de la atmósfera o por lluvias.
Así pues, se comienza con el enlace de bajada, que se realiza a una frecuencia máxima
fc=1.559GHz, cuya longitud de onda es de λ = 0.1924 metros.
Para el balance de enlace se considera el peor caso del enlace respecto a la cobertura
proporcionada en la Tierra, hecho que se produce en los polos. Por tanto, para el balance se
considerará la distancia a estos puntos. Sabiendo que el satélite geoestacionario se sitúa a
37786 kilómetros de la Tierra, y que el radio de esta es de 6370 km, se concluye que el peor
enlace tendrá una distancia de R = 44613 km. Según la ecuación (8), las pérdidas totales en
decibelios serán de 189.2879 dB.
Por otra parte, se conoce que la PIRE del satélite Inmarsat es de 44.5 dB. Con estos dos
datos, se puede calcular el parámetro G/T que tendrá que disponer el terminal receptor, según
la ecuación (9):
Los parámetros G/T obtenidos en función de las velocidades de los enlaces son:
Velocidad (kbps) G/T (dB)
Uplink 240 448 492
16.5912 13.8805 13.4736
Downlink 384 464 492
14.55 13.7281 13.4736
Tabla 4. Niveles de G/T mínimos del terminal receptor
El procedimiento para el cálculo de la PIRE del terminal emisor del enlace de subida es
análogo. La frecuencia máxima del enlace de subida es fc=1.6605GHz, su longitud de onda
λ=0.1807 metros, y según la ecuación (7) las pérdidas de espacio libre son de 189.8358 dB.
En este caso el dato conocido es el parámetro G/T del satélite, 12.7 dB. A partir de él, y
según la ecuación (8) se calculan las PIRE necesarias en el terminal de usuario según las
velocidades de los enlaces:
Velocidad (kbps) PIRE (dB) Uplink 240
448 492
15.7567 18.4674 18.8742
Downlink 384 464 492
17.7979 18.6198 18.8742
Tabla 5. Niveles de PIRE mínimos del terminal emisor
Este cálculo de parámetros G/T y PIRE se ve también reflejado en la siguiente gráfica:
Figura 10. G/T del receptor y PIRE del emisor en función de la velocidad del enlace
Una vez hecho este cálculo nos proponemos establecer la velocidad de transmisión
que podría soportar un determinado terminal de usuario en función de la ganancia de su
antena. Para ello consideraremos el clásico esquema generador+LdT+antena.
Se consideran y unas pérdidas de 1dB en la línea, y gracias a esto podemos modelar la línea de
transmisión como un cuadripolo pasivo y calcular su temperatura equivalente de ruido.
Sabiendo que la temperatura de ruido de la antena es aproximadamente 110ºK
podríamos calcular la temperatura de ruido total del sistema.
Para el enlace de subida suponemos que el transmisor tiene un voltaje de 12V, y que la
impedancia del generador y la impedancia característica de la línea de transmisión son iguales
y de 50Ω, la potencia disponible en el generador viene dada por la ecuación (10) y en este caso
es de 0.36W:
Además, se define el coeficiente de reflexión para una buena adaptación, con unas
pérdidas de retorno de 10 dB. Así pues, se calcula la potencia entregada y la PIRE del terminal
de usuario, siguiendo las ecuaciones (12) y (13).
A partir de este valor de la PIRE, y con las pérdidas de espacio libre calculadas
anteriormente y el parámetro G/T del satélite se despeja de la ecuación (9) la relación señal a
ruido del usuario en el enlace de subida. Finalmente, se calcula la velocidad de subida que
permite esta relación señal a ruido, siguiendo la ecuación (8).
Se procede a calcular el enlace de bajada, comenzando con el parámetro G/T del
terminal de usuario según la ecuación (14):
Finalmente, se concluye el cálculo aplicando nuevamente las ecuaciones (8) y (9) para
volver a calcula la relación señal a ruido que define este nuevo parámetro G/T y la velocidad a
la que podrá tener ese ratio.
Todo el cálculo se refleja en la siguiente gráfica:
Figura 11. Velocidades del enlace para unas pérdidas y una potencia disponible determinadas
4.-Estaciones de Control
Además de los enlaces en banda L en los que se comunica la información que se desea
transmitir, Inmarsat-4 también realiza enlaces en banda C en los que se comunica con las
estaciones de control. En este caso la parte del enlace más limitante es el satélite ya que las
estaciones terrestres se caracterizan por una gran PIRE y una muy buena relación G/T. En este
caso en la estación:
PIRE= 57.3 dBW
G/T= 32.3 dB
Figura 12. Estación terrestre de inmarsat en Italia
En este enlace se hacen las operaciones de control del satélite y por lo tanto nos
interesa que el enlace sea lo más fiable posible. Por tanto, para este enlace se considera
reducir el BER a un nivel mucho menor, por ejemplo 10-50.
Para hacer el balance de enlace hemos considerado una relación CP/XP de igual o
mayor a 40 dB para poder despreciar las interferencias debido a que en este enlace se reutiliza
polarización. Se sigue un procedimiento análogo al del apartado anterior logrando los
siguientes resultados:
Figura 13. Parámetros G/T y PIRE del satélite en banda C
5.Antena Banda L Inmarsat-4
La antena está formada por la combinación de un reflector 9m y un array de 120 hélices.
Todos los elementos son idénticos y se pueden usar tanto para transmitir como para recibir.
Cada elemento está directamente alimentado por un duplexor que consiste en un filtro banda-
base y una unión en T para separar la transmisión de la recepción.
La ganancia de cada elemento varía entre 9 u 11 dBi dependiendo de si se está transmitiendo o recibiendo y de la posición del elemento.
Se busca también una alta eficiencia de radiación, las pérdidas óhmicas en cada elemento son sobre 0.15 dB.
Figura 14. Array en cámara anecoica
El duplexor utilizado está diseñado para tener las menores pérdidas de inserción posibles y el
mayor aislamiento entre los puertos de transmisión y recepción. Las pérdidas de inserción son
aproximadamente de 0.45 dB y el aislamiento entre los puertos de transmisión y recepción es
de 75 dB.
Este conjunto se ha diseñado para tener la mayor adaptación posible logrando unas pérdidas
de retorno mejores de 20 dB, además debido a las grandes variaciones de temperatura del
ambiente espacial estos elementos se diseñaron y fabricaron de tal modo que sus parámetros
apenas varían con la temperatura.
Es un sistema por satélite reducir la intermodulación pasiva (PIM) es básico. Este fenómeno se da cuando un componente del sistema no lineal excita frecuencias demasiado cercanas a las originales, es crítico en enlaces satelitales debido a la gran diferencia entra las señales entrantes con las salientes. En las uniones de las guías de ondas se produce PIM debido al contacto por esto se evitan todo tipo de contactos cerca de altos niveles de campo.
Figura 15.Panel para mitigar PIM
6.-Global Xpress (5ª generación de Inmarsat banda Ka)
El servicio será ofrecido por la próxima generación de Inmarsat los i-5s, la cobertura global de
estos satélite estará disponible a finales de 2014 y se podrá ofrecer velocidades de hasta
50Mbps. Funcionará en banda Ka y podrá ofrecer servicios de gran velocidad a terminales de
usuario muy pequeños y manejables, como tabletas y smartphones. Para tener fiabilidad extra,
Global Xpress estará complementado por el servicio de banda ancha de los inmarsat-4
Cada Inmarsat 5 generará 89 haces
en banda Ka. Están diseñados para
generar 15KW de potencia al
principio del servicio y sobre 13.8KW
15 años después, al final de su vida
útil.
DIMENSIONS
In orbit H, 6.98 m W, antennas: 8.08 m L, solar arrays: 33.80 m
Stowed H, 6.98 m W, 3.59 m L, 3.27 m
Mass Launch In orbit (beginning of life)
5,900 kg 3,750 kg
PAYLOAD AND ANTENNAS
Antenna Ka
89 user beams generated by 2 transmit and 4 receive apertures
Repeater Ka
Bent-pipe repeater Ka-band: 60:48 TWTAs
T&C RF Ka and C-band
High Capacity
Six steerable spot beams fed by 12 130W TWT
7.-Bibliografía
www.inmarsat.com
http://www.dsplog.com/2008/06/05/16qam-bit-error-gray-mapping/