Telefonía Móvil Satelital :  Trata del funcionamiento y estado actual de la técnica en los sistemas de comunicaciones móviles basados en satélites de órbita baja (LEO). Estos sistemas representan una  alternativa viable a las tradicionales redes celulares. Pudiendo prescindir de las antenas en tierra se logra extender la cobertura telefónica a toda la superficie del globo. 

TELEFONÍA MÓVIL SATELITAL

Las comunicaciones satelitales, desde sus comienzos en los años ’60s han tenido un vertiginoso desarrollo. Desde las primeras aplicaciones militares hasta las actuales constelaciones para aplicaciones multimedia interactivas, el número de satélites puestos en órbita sigue creciendo incesantemente.

Sin duda podría hacerse un trabajo completo exclusivamente acerca de satélites, siendo el mismo de todas maneras incompleto, dado los avances que los mismos experimentan constantemente y el abanico de posibilidades de servicios y aplicaciones que los mismos pueden ofrecer. Sin embargo nosotros, tras una breve explicación general de los distintos tipos y características globales de los mismos, nos centraremos exclusivamente en las comunicaciones celulares vía satélite, que siguiendo el esquema y objetivos de este trabajo, vemos se presenta como una alternativa novedosa al sistema de telefonía fija y un complemento de la telefonía móvil del tipo celular.

1 - SATÉLITES GEOSTACIONARIOS (GEO)

La idea, objetivos y concepción del satélite fue cambiando con el transcurso de los años.

Los primeros satélites puestos en órbita como el Sputnik ruso en 1957 y el americano Explorer 1 en 1958, no eran satélites de comunicaciones sino que tenían fines puramente bélicos. El primer satélite de comunicaciones fue el Early Bird lanzado desde Cabo Kennedy en 1965. Todos estos eran pasivos, es decir que sólo reflejaban la señal recibida y no realizaban ningún tipo de conversión ni amplificación. Con la miniaturización electrónica y la mejora en la potencia de los sistemas de lanzamiento los satélites, poco a poco se fueron asemejando a los actuales.

La capacidad de un satélite actual para recibir y transmitir se consigue gracias a un dispositivo llamado “tranponder” (transpondedor). Los transponders, trabajan en frecuencias del orden de los GHz. Típicamente un satélite posee unos 12 a 20 transponders. Para evitar interferencias se utiliza una frecuencia f1 para transmitir desde la Tierra hacia el satélite (uplink) y otra frecuencia f2 para hacerlo desde el satélite hacia la Tierra (downlink).  

Los primeros satélites tenían órbitas elípticas y su altura no superaba los 10.000 km. El resultado de una órbita tan baja era que la velocidad del satélite superaba la velocidad de rotación la Tierra. Esto era problemático para los fines que se perseguían, ya que el seguimiento del satélite por parte de las estaciones terrestres era dificultoso debido a que el mismo desaparecía frecuentemente por el horizonte. Por ejemplo, para lograr una adecuada cobertura de la región del Atlántico Norte se requerirían 50 satélites en órbita elíptica.

La aparición de los satélites del tipo GEO (Geostationary Satellite) fue revolucionario y fue lo que dio gran impulso al desarrollo posterior de las comunicaciones vía satélite hasta nuestros días.

Las órbitas geoestacionarias se sitúan a una altura vertical de 36.000 km de la Tierra por el plano del ecuador. Están diseñados para mantener una velocidad de 11.070 km/h. De esta forma, el efecto conjunto de la velocidad del satélite y la atracción gravitatoria terrestre hacen que la posición del satélite permanezca fija respecto a la superficie de la Tierra, es decir el mismo se mueve conjuntamente con el giro de la Tierra. Esto significa que el mismo parece que estuviera inmóvil con respecto a un observador en la misma, de allí el nombre de “geo-estacionario”. La ventaja de esto es que las estaciones terrestres “no pierden de vista” al satélite además de que las antenas pueden mantenerse en posiciones relativamente fijas. Los satélites geoestacionarios habitualmente se lanzan de a tres ya que con una separación de 120 grados pueden ofrecer una cobertura prácticamente global.    

Un nuevo descubrimiento fueron las microestaciones terrestres VSAT (Very Small Aperture Terminals). Estas estaciones poseen antenas de 1 metro y transmiten con una potencia de 1W. El uplink llega a 19.2 kbps y el downlink de 512 kbps.

Las aplicaciones de los satélites tipo GEO tradicionalmente fueron las comunicaciones telefónicas internacionales (Intelsat ,1962), enlaces telefónicos locales (Telecom 1, 1980). El alcance de estos sistemas se extendió rápidamente a la televisión y a la radiodifusión.

2 - SATÉLITES DE ÓRBITA BAJA (LEO) Y MEDIA (MEO)

Paralelamente a los geoestacionarios GEO, una filosofía totalmente distinta, que ha tenido un gran auge en los últimos años es la de las constelaciones de satélites de órbita baja LEO(Low Earth Orbit) y MEO (Medium Earth Orbit). 

En órbitas que pueden partir desde los 400 km, tuvieron su aplicación más importante en elGlobal Positioning System (GPS). Desarrollado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos en 1978, constituye la  primera constelación accesible por todos. Consiste en una constelación de 24 satelites en seis planos orbitales, cuya órbita media es de 20.000 km que fue completada recién en 1994. Constituye fundamentalmente, entre otras aplicaciones un invalorable sistema de ayuda a la aeronavegación. 

Hoy en día resultan el ámbito muy conveniente para implementar sistemas telefónicos móviles del tipo celular y todo tipo de sistemas interactivos como multimedia. En este aspecto los GEO poseen un gran inconveniente: el recorrido de los 36.000 km de ida y vuelta generan un retardo de unos 0,5 segundos difíciles de enmascarar. Por su menor distancia a la tierra el retardo típico de un LEO es 0,02 segundos lo que los hace idóneos para todas las aplicaciones que requieren una respuesta en tiempo real.

 3 - CONSTELACIONES LEO PARA TELEFONÍA CELULAR

3.1 - SISTEMA IRIDIUM

Los tradicionales satélites GEO representan el medio ideal para transmisiones del tipo broadcasting como ser radio y televisión. Sin embargo cuando hablamos de sistemas de telefonía móvil, que soporten terminales portátiles de mano (handheld) similares a los de telefonía celular, no resulta posible una comunicación directa con un satélite geoestacionario dado el tamaño de la antena requerida y la potencia puesta en juego.

El proyecto Iridium, nace en manos de Motorola en el año 1990 y consta de un consorcio de 17 organizaciones mundiales de investigación y desarrollo.

Se trata de una constelación del tipo LEO que inicialmente fue diseñada con un total de 77 satélites (de allí el nombre de Iridium, ya que 77 es el nro atómico del iridio, por similitud a lo que sería un átomo de iridio, representando cada satélite un electrón del mismo), finalmente se llevó a la práctica con un total de 66. Lo novedoso de Iridium es la posibilidad de proveer un sistema básico de telecomunicciones directamente desde el satélite a los terminales móviles, en cualquier parte del mundo, pudiendo proveer además del sistema básico telefónico de voz, los servicios de fax, datos, paging y asistencia a la navegación. Sin duda el sistema compite ventajosamente con los avanzados sistemas terrestres de PCS. La idea es que al no ser geoestacionarios, cuando uno se pierda de vista siempre haya otro que lo reemplace. En otras palabras: el clásico sistema de telefonía celular consta de celdas fijas y los usuarios móviles: con este sistema, las celdas también son móviles y lo que era la estación base aquí está representado por el satélite. Las técnicas de handoff son, en este caso, igualmente válidas y el caso de un usuario pasando de una celda a otra es equivalente al paso de un satélite a otro.

Cada satélite se posiciona en órbitas polares (es decir verticalmente como si fueran husos horarios y van de polo a polo) circulares a una altitud de 750 km como muestra la figura. Cada órbita dista en 32 grados de latitud con respecto a la otra lo por lo tanto tiene seis satélites cada una. Los satélites en su movimiento van escaneando hasta un máximo de 48 celdas o spots.  Con esto pueden cubrir toda la superficie de la tierra, generando un total de 1628 celdas. Por supuesto rigen los mismos conceptos de reuso de frecuencias que en la telefonía celular convencional. Cada celda puede tener un máximo de 174 canales full-duplex, lo que representa un total de 1628 x 174 = 283.272 canales en el mundo.

El uplink y el downlink trabajan en la banda L a 1,6 GHz, lo que hace posible la comunicación con un handset alimentado a batería. El sistema utilizado es TDMA. En esta figura se ve claramente como todos los satélites pasan por los polos , por esa a esta constelación también se la llama en estrella, vista desde el polo parece una estrella.

A comienzos de 1999, el sistema comenzó apresentar fallas, se reportaron 12 satélites con problemas técnicos. Además el consorcio comenzó a atravesar graves problemas financieros y en junio de 1999 se declaró en quiebra. Sin duda fue un proyecto muy costoso (llevarlo a la práctica costó unos 7.000 millones de dólares) y resultó en un costo muy elevado por usuario (3 dólares por minuto de comunicación) lo que lo colocó en desventaja frente a otros sistemas equivalentes como el Globalstar.

 3.2 - SISTEMA GLOBALSTAR

Con posterioridad al nacimiento de Iridium y en un desarrollo conjunto de Loral Qualcomm y Odyssey nace Globalstar, un sistema de características similares que utiliza 48 satélites en vez de 66 pero a costa de un inferior área de cobertura (llega sólo hasta los 70 grados de latitud, es decir que excluye los polos).

Las mejoras consisten en una mejor tecnología, ya que utiliza el sistema CDMA en vez del TDMA de Iridium, el cual es más apto para comunicaciones satelitales. Además el complejo sistema de enlace intersatélite que utiliza Iridium es delegado a estaciones terrestres llamadas Gateways.

Pero la principal ventaja de Globalstar es sin duda su menor costo para el usuario final: alrededor de 1 dólar por minuto contra los 3 dólares de Iridium.

La constelación Globalstar 

La constelación es de la llamada tipo “Walker” la cual consiste en 8 planos orbitales a 52 grados, con 6 satélites cada una. De esta forma completan los 48 que comprenden el sistema. Además hay 8 extras de reserva, así que en total son 56. 

Este tipo de constelación (Walker), genéricamente llamada “delta” porque los satélites en vez de girar verticalmente con un ángulo de 90 grados con respecto al ecuador, lo hacen en forma oblicua, en este caso particular con un ángulo de 52 grados. Está comprobado que este sistema ofrece mejor aprovechamiento del área de cobertura con menos satélites , aunque en este caso quedan excluídos los polos. La constelación queda como se ve en la figura.

 Los satélites

Los satélites fueron construidos en Italia por la empresa Alenia Spazio y lanzados a partir de 1997. Algunos, en vehículos del tipo conocido como Boeing Delta II (ver gráfico) desde Cabo Cañaveral  y otros en cohetes ucranianos del tipo Zenit II desde la ex Unión Soviética.

Cuando es lanzado, cada satélite ocupa un volumen de 1 metro cúbico y pesa 450 kg. Una vez puesto en órbita desplega sus aletas de unos 7m de longitud cada una. El combustible necesario para propulsión y puesta en órbita pesa unos 80 kg. Sus grandes paneles solares que constituyen sus aletas le brindan la energía necesaria para su funcionamiento. El consumo eléctrico promedio es de unos 750 W con un máximo de 1900 W. Están diseñados para una vida útil de 7 años y medio.

Como son simples “transponders”, es decir solo se encargan de reflejar lo que reciben, un complejo sistema de control es montado en Tierra, el cual consiste entre 50 y 100 estaciones gateway, las cuales permiten enlazar el sistema satelital con segmentos en tierra.

Este sistema además posee una configuración mucho mas simple que Iridium . Por empezar los saélites no se comunican entre sí, lo que  hace que los complejos equipos para la comunicación intersatélite ya no sean necesarios, reduciendo costos y probabilidades de fallas. Todo el mecanismo de conmutación se hace desde las estaciones terrenas “gateways”.

Como se ve , no reemplaza al sistema telefónico fijo ni celular en existencia sino que sirve de complementa al existente. Esto lo veremos con claridad en el punto que sigue.

Interoperabilidad de Globalstar

Existen 3 posibilidades :

1) llamada desde un teléfono convencional a un móvil Globalstar en el país

1-El llamado se produce hacia el nro de móvil celular.

2-El operador determina que el usuario móvil no está en su red ni en las redes de

los operadores con las que tiene acuerdos de roaming nacional.

3-La estación terrena detrmina que el usuario está disponible en modo Globalsta

2) llamada desde un teléfono convencional a un móvil Globalstar en otro país

1-El llamado se produce hacia el nro de móvil celular.

2-El operador determina que el usuario móvil no está en su red ni en las redes de los operadores con las que tiene acuerdos de roaming internacional.

3-La estación terrena local determina que el usuario está disponible en modo Globalstar bajo la cobertura de otro Gateway.

4-La red celularpasa la comunicación al usuario a través de la estación terrena de otro país.

3) llamada de un móvil Globalstar a otro

1-El llamado se produce desde un móvil Globalstar, fuera del área de cobertura celular hacia otro nro. de móvil celular.

2-La estación terrena detecta un móvil llamando a su cobertura.

3-La estación terrena interroga a la red cellular local por el nro. solicitado para ver si el móvil se encuentra en su área de cobertura o en las que la misma tiene acuerdos de roamming..

4-La estación terrena  establece la comunicación en modo Globalstar.

Estaciones terrenas (Gateways)

 Son los nexos entre los satélites y las redes de telecomunicaciones terrestres. Cada estación terrena posee un complejo sistema de 4 antenas , las cuales sincronizadamente van siguiendo a un satélite. De esta forma está garantizada la comunicación permanente. Del mismo modo que cada terminal móvil recibe señal de varios satélites por si alguno se encuentra abstruído. Este complejo sistema de conmutación es controlado por un puesto de control en el gateway.

Cada estación terrena posee 4 antenas de 5,5 m de diámetro para seguir simultáneamente a los 4 satélites. Cada una de ellas lo hace durante 15 minutos que es el tiempo que el satélite se encuentra visible hasta que desaparece en el horizonte. La estación terrena tiene, entre otras cosas realizar la función de sincronizar esta conmutación. En conjunto se preve que cada una de estas pueda brindar servicio en un radio de 2000km a la redonda.

Partes  de la estación terrena:

ANTENAS

Cada estación terrena posee 4 antenas parabólicas , c/u de las cuales sigue a 1 satélite durante 15 minutos.

SUBSISTEMAS DE RADIOFRECUENCIA

Realizan la transmisión y recepción de las señales entre los satélites y la estación de conexión

SUBSISTEMA CDMA

Realiza las funciones de modulación y demodulación de las señales y la gestión de los recursos de radio

SUBSISTEMA DE CONMUTACIÓN

Realiza el control de llamadas y la gestión de movilidad de los abonados

SUBSISTEMA DE GESTIÓN

Realiza la interfaz con el operador de la estación y con el centro de control de Globalstar

Unidades móviles

Hay ya en el mercado una multitud de equipos para la comunicación en modo Globalstar. Cada unidad integra las dos tecnologías : celular y satelital y tienen opción a instalación en vehículos.

La comercialización del servicio se hace por medio de los proveedores locales de telefonía celular, ya que el sistema es un complemento del mismo. Por lo tanto e conserva el mismo número asignado por el proveedor celular en cualquier parte del mundo.

Existen en total cuatro posibilidades de equipos:

- single-mode: sólo Globastar

- dual-mode: Globalstar / GSM

- dual-mode: Globalstar / PCS(CDMA)

- triple-mode: Globalstar / CDMA / AMPS

A continuación vemos algunos modelos de equipos como ejemplo.

Estos tres modelos fueron diseñados por cada uno de los fabricantes pare ser usado en sistema celular o Globalstar.

El primero y el segundo , por ejemplo (Ericsson y Telital) son duales, y trabajan en GSM como celular y en las bandas L y S para el modo Globalstar.

El tercero (Qualcomm) es tri-modo y permite funcionar como AMPS analógico, IS-95 digital y Globalstar.

El tamaño de los equipos, por ahora equivale a la de un celular de 1ra generación.

Las frecuencias y el enlace

Las frecuencias de comunicación con los terminales móviles son:

Uplink:  1610-1625,5 MHz

Downlink : 2483,5-2500 MHz

Y con los Gateways:

Uplink:  5091-5250  MHz

Downlink : 6875-7055 MHz

Globalstar en la Argentina 

En Argentina, igual que en otros 23 países entre los que se encuentran Venezuela, Perú, Francia, España, Polonia, etc se ha formado una compañía llamada TESAM(Télécommunications par Satellites Móbiles), integrada por France Telecom y Alcatel, encarga de suministrar el servicio satelital. Recientemente fue montada una estación terrena Gateway en la provincia de Córdoba, en la localidad de “Bosque Alegre”  y TESAM, ya tiene convenios hechos con CTI y Telecom Personal para brindar servicios móviles en el país. El manejo global del servicio es encabezado por Loral Qualcomm en Estados Unidos.