InET 2x4: Especial de Teledesic

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InET Magazine

 · 10 May 2022

Teledesic logo

Juanjo, Ignacio, Arturo

Teledesic es uno de los proyectos mas ambiciosos existentes en el ambito de las comunicaciones globales via satelite. Su objetivo es proporcionar enlaces de banda ancha mediante una constelacion de 288 satelites situados en orbita baja.

SISTEMA DE SATELITES (2x4x1)

Una manera sencilla de diferenciar los diversos sistemas de satelites es por la altura a la que se encuentran. Tambien es un factor clave para determinar cuantos satelites necesita un sistema para conseguir una cobertura mundial y la potencia que debe tener. Dado cierto ancho de haz de la antena del satelite, el area de cobertura del mismo sera mucho menor estando en una orbita de poca altura que estando en otra de mayor altura. Sin embargo, la potencia necesaria para emitir desde un órbita baja es muy inferior a la necesitada en casos de mayor altura de la orbita.

TIPOS DE ORBITAS

Los expertos en satelites utilizan cuatro terminos basicos para describir las diversas altitudes, que son los que son : GEO, MEO, LEO y HALE.

• GEO: Abreviatura de orbita Terrestre Geosincrona. Los satelites GEO orbitan a 35848 kilometros sobre el ecuador terrestre. A esta altitud, el periodo de rotacion del satelite es exactamente 24 horas y, por lo tanto, parece estar siempre sobre el mismo lugar de la superficie del planeta. La mayoria de los satelites actuales son GEO, asi como los futuros sistemas Spaceway, de Hughes, y Cyberstar, de Loral. Esta orbita se conoce como orbita de Clarke, en honor al escritor Arthur C. Clarke, que escribio por primera vez en 1945 acerca de esta posibilidad. Los GEO precisan menos satelites para cubrir la totalidad de la superficie terrestre. Sin embargo adolecen de un retraso (latencia) de 0.24 segundos, debido a la distancia que debe recorrer la señal desde la tierra al satelite y del satelite a la tierra. Asi mismo, los GEO necesitan obtener unas posiciones orbitales especificas alrededor del ecuador para mantenerse lo suficientemente alejados unos de otros (unos 1600 kilometros o dos grados). La ITU y la FCC (en los Estados Unidos) administran estas posiciones.
• MEO: Los satelites de orbita terrestre media se encuentran a una altura de entre 10075 y 20150 kilometros. A diferencia de los GEO, su posicion relativa respecto a la superficie no es fija. Al estar a una altitud menor, se necesita un numero mayor de satelites para obtener cobertura mundial, pero la latencia se reduce substancialmente. En la actualidad no existen muchos satelites MEO, y se utilizan para posicionamiento.
• LEO: Las orbitas terrestres de baja altura prometen un ancho de banda extraordinario y una latencia reducida. Existen planes para lanzar enjambres de cientos de satelites que abarcaran todo el planeta. Los LEO orbitan generalmente por debajo de los 5035 kilometros, y la mayoria de ellos se encuentran mucho mas abajo, entre los 600 y los 1600 kilometros. A tan baja altura, la latencia adquiere valores casi despreciables de unas pocas centesimas de segundo. Tres tipos de LEO manejan diferentes cantidades de ancho de banda. Los LEO pequeños estan destinados a aplicaciones de bajo ancho de banda (de decenas a centenares de Kbps), como los buscapersonas, e incluyen a sistemas como OrbComm. Los grandes LEO pueden manejar buscapersonas, servicios de telefonia movil y algo de transmision de datos (de cientos a miles de Kbps). Los LEO de banda ancha (tambien denominados megaLEO) operan en la franja de los Mbps y entre ellos se encuentran Teledesic, Celestri y SkyBridge.
• HALE: Las plataformas de gran altitud y resistencia son basicamente aeroplanos alimentados por energia solar o mas ligeros que el aire, que se sostienen inmoviles sobre un punto de la superficie terrestre a unos 21 kilometros de altura. No se habla mucho de ellos y en la actualidad constituyen fundamentalmente un proyecto de investigacion. Un ejemplo de HALE que utiliza globos estacionarios es Skystation.

Bandas de Frecuencias y Orbitas

SATELITES LEO VS GEO

De los cuatro tipos mencionados anteriormente, los dos mas utilizados y de mayor importancia son los LEO y los GEO.

Como ya hemos dicho, los satelites geoestacionarios se encuentran a una altitud de unos 36000 Kilometros sobre el ecuador, siendo la unica orbita que permite que el satelite mantenga una posicion fija con relacion a la tierra. A esta altura, las comunicaciones atraves de un GEO perpetuan una latencia minima de transmision de ida y retorno (un retardo de extremo a extremo) de por lo menos medio segundo, incluyendo los retardos provocados por las diversas pasarelas y conversiones que deben sufrir los datos. Esto significa que los GEO nunca podran proveer demoras similares a las fibras opticas. Esta latencia de GEO es la fuente de demora fastidiosa en muchas de las llamadas internacionales, impidiendo que se pueda entender la conversacion y deformando el matiz personal de la voz. Lo que puede ser una incomodidad en una conversacion telefonica, sin embargo, puede ser insostenible para aplicaciones en tiempo real, tales como videoconferencias, como tambien para muchos protocolos estandares de datos, aun para los protocolos subyacentes de Internet.

EVOLUCION DE SATELITES GEO A SATELITES LEO

La evolucion de los satelites geoestacionarios a satelites de orbita terrestre baja (LEO) ha dado lugar a numerosos sistemas propuestos de satelites globales, los cuales pueden ser agrupados en 3 tipos distintos. Estos sistemas LEO pueden distinguirse mejor haciendo referencia a sus complementos terrestres: mensajeria personal, celular y fibra optica.

Los LEO grandes, por ejemplo, proveen servicio telefonico movil de banda ancha a un precio alto, mientras que Teledesic provee principalmente conexiones fijas de banda ancha a tarifas comparables con un servicio urbano de comunicaciones por linea alambrica. Asi como los servicios de celular y fibra optica no se consideran competitivos, la unica cosa que Teledesic tiene en comun con los LEO grandes es el uso de satelites de orbita terrestre baja.

PROBLEMAS DE LOS SATELITES LEO

-> Saturacion de las orbitas.

En algunos sectores se ha mostrado cierta preocupacion por la gran cantidad de satelites que podrian juntarse en una porcion relativamente pequeña del espacio, ya que son numerosos los sistemas de satelites LEO proyectados. La zona de orbitas de baja altura (LEO), parte de la atmosfera terrestre hasta una zona de alta radiacion conocida como el "cinturon de Van Allen". Son 900 Kilometros de distancia que pueden albergar una cantidad inmensa de recorridos.

El proyecto de Teledesic no ocuparia mas de 10 Km. Alli podrian colocarse mas de 60.000 satelites sin problemas, segun George Gilder, acido analista de la revolucion de la informacion, quien califica como absurdo siquiera pensar en la posibilidad de una superpoblacion de satelites.

-> Chatarra espacial.

Una vez que los LEO se encuentren en orbita, se presenta todo un nuevo conjunto de dificultades. En primer ligar existe el problema de la llamada "chatarra espacial", que consiste en restos de las anteriores misiones espaciales de todos los tamaños, velocidades y peligrosidades.

-> Perdida y sustitucion de satelites.

Aunque los satelites no resulten alcanzados por los escombros espaciales, cabe la posibilidad de que caigan a la atmosfera. A diferencia de los GEO, que cuando acaban su vida util se desplazan a una orbita de estacionamiento unos pocos kilometros mas alejada de lo normal, los LEO se desintegraran en la atmosfera. Aunque la vida de un satelite oscila entre los 10 y 12 años, con los LEO debe tenerse en cuenta una politica de sustitucion de satelites.

-> Visibilidad del satelite.

Suponiendo que estas dificultades se hayan superado queda, por ejemplo, el asunto de seguir la pista y enlazar con estos satelites tan veloces. Un satelite LEO resulta visible durante 18-20 minutos antes de que desaparezca en el horizonte. Esto complica en gran medida el posicionamiento de la antena y el trabajo para mantener activo el enlace.

El problema de la antena lo resuelve una tecnologia denominada antena de array en fase. A diferencia de una antena parabolica normal, que sigue mecanicamente el rastro del satelite, las antenas de array en fase son dispositivos autodirigidos que contiene diversas antenas mas pequeñas que pueden seguir a varios satelites sin moverse fisicamente, por medio de señales levemente diferentes recibidas por el conjunto de antenas, reduciendo asi el desgaste,entre otras ventajas. El problema de mantener un enlace activo cuando el satelite desaparece cada media hora se soluciona manteniendo como minimo dos satelites a la vista en todo momento (muchos LEO pretenden mantener constantemente tres satelites a la vista). El conjunto de antenas es consciente de la posicion de todos los satelites e inicia un nuevo enlace antes de cortar el existente con el satelite de poniente. En la jerga de los satelites, a esto se le llama "make before break".

-> Direccionamiento mediante enlaces intersatelite.

Otro problema interesante es el del direccionamiento de la señal entre dos puntos alejados de la superficie terrestre. Una posibilidad es la de realizarlo a traves de estaciones terrenas, pero eso nos lleva a perder la ventaja de la latencia reducida. La otra posibilidad, que es la que utiliza Teledesic, es la de utilizar un direccionamiento de satelite a satelite. La constelacion Teledesic se comunica en la banda de los 40-50 GHz. La desventaja de este metodo es, evidentemente, que cada satelite debe disponer de mas hardware de comunicaciones y seguimiento (mas inteligencia) y, por lo tanto, su precio sera mas elevado que en el caso de utilizar estaciones terrenas.

PROTOTOCOLOS (2x4x2)

Existe poca informacion publica sobre los subsistemas del satelite, asi como de los protocolos de red que se est·n desarrollando para el sistema Teledesic, sin embargo se pueden exponer generalidades de este tipo de sistemas. Primero se expondran las caracteristicas que presenta un entorno de red de este tipo, por el hecho de que los nodos son satelites y de que los enlaces, de miles de kilometros, son via radio. Seguidamente se veran los requerimientos que se imponen a los protocolos para poder adaptarse a las caracteristicas anteriores.

CARACTERISTICAS DEL ENTORNO

-> Limitaciones debidas al satelite:
Las caracteristicas de un satelite imponen una serie de limitaciones que afectan a los protocolos de comunicacion que pueden usarse.

>> Recursos de computacion:
Los vehiculos espaciales estan limitados en volumen, peso y, sobre todo, potencia, por tanto su capacidad de procesamiento y memoria estan limitados. En general, disponen solo de 0.15 a 4 MIPS y de 0.15 a 4 Mbytes. Posiblemente las futuras restricciones en potencia, volumen y peso seran menos severas, pero la capacidad de proceso y la memoria continuaran siendo mas limitadas en un vehiculo espacial que en los sistemas terrestres. La capacidad de proceso se espera que alcance como mucho los 8 MIPS y, la memoria como mucho los 8 Mbytes.

>> Potencia de transmision:
Actualmente, la potencia de transmision es relativamente pequeña, dando como resultado una velocidad de transmision media-baja.

-> Entorno de red:
Las caracteristicas de un entorno de red en el espacio tienen un impacto en los protocolos de comunicacion que puedan dar soporte a las aplicaciones espaciales.

>> Conectividad:
Mientras que a los vehiculos espaciales geoestacionarios se puede acceder continuamente desde el mismo punto de la Tierra, los LEO son accesibles, normalmente, de forma periodica solo durante unos pocos minutos desde el mismo punto de la Tierra.

Ademas, los sistemas consistentes unicamente en satelites LEO tienen una conectividad con la Tierra variable en el tiempo (cada modelo de conectividad dura unicamente unos pocos minutos), donde cada modelo especifico de conectividad se repite periodicamente.

>> Retardos:
Los retardos debidos a la propagacion son tipicamente de 0.125 segundos como maximo, en el enlace descendente.

>> Errores:
Los errores en transmision son debidos a la congestion, distorsion de la señal, o perdidas de la conexion. Los errores debidos a la distorsion, pueden ser aleatorios o en rafagas. La tasa de errores aleatorios observada desde la capa de red, suele fluctuar entre 10^-9 y 10^-5. La tasa de errores a rafagas puede estar entre 10^-5 y 10^-4. Se espera mejorar estas tasas en el futuro en un orden de magnitud.

>> Ocupacion del enlace:
Actualmente la ocupacion del enlace es media-baja en funciones de telemetria y enlaces de control, y media-alta en misiones de transmision de datos y transporte de trafico de comunicaciones entre puntos de la tierra. En el futuro se espera que la ocupacion de los enlaces permanezca igual, pues el aumento del trafico sera previsiblemente proporcional al incremento de las tasas de transmision de datos.

REQUERIMIENTOS

Hay cuatro requerimientos basicos impuestos por las caracteristicas de los satelites, para estos protocolos:

• Deben contener programas pequeños. Las implementaciones deben ocupar tan poco codigo como sea posible y usar los buffers de memoria eficientemente para reducir las necesidades de memoria durante su funcionamiento.
• Deben permitir programas no muy complejos. Una maquina de estados finitos simple reducira la complejidad de procesamiento.
• Deben imponer pequeñas cabeceras y pequeñas colas a los paquetes.
• Deben proporcionar comunicaciones extremo a extremo. Seria necesario un direccionamiento individual para cada sistema destinatario en cada vehiculo espacial, para lograr comunicaciones extremo a extremo.

Ademas por las caracteristicas del entorno de esta red se imponen otros requerimientos adicionales:

• Deben proporcionar comunicaciones extremo a extremo. Seria necesario un direccionamiento individual para cada sistema destinatario en cada vehiculo espacial, para lograr comunicaciones extremo a extremo.
• Deben proporcionar algoritmos de encaminamiento que manejen eficientemente cambios dinamicos en la conectividad, asi como maximizar la probabilidad de alcanzar el destino deseado dentro del tiempo requerido.
• Deben proporcionar mecanismos para manejar eficientemente la combinacion de grandes retardos con altas tasas de error.
• Deben proporcionar mecanismos de suspension, reenganche y terminacion de transmisiones largas en situaciones de contactos periodicos cortos, separados por periodos de desconexion bastante largos.

ACCESO MULTIPLE

Los recursos del canal asociados a cada celula son compartidos entre los terminales de dicha celula, asignando la capacidad bajo demanda para satisfacer los requerimientos de cada uno. Esta flexibilidad permite a Teledesic manejar eficientemente una amplia variedad de servicios: Uso ocasional o permanente, a rafagas o aplicaciones de tasa constante de bits, en areas de baja densidad de usuarios hasta de relativamente alta densidad.

Se implementa un sistema de acceso multiple entre los terminales y el satelite, permitiendo a la celula controlar la comparticion de los recursos del canal entre los terminales. Dentro de una celula, la comparticion del canal es lograda de la siguiente forma:

• Enlace ascendente: MF-TDMA (Multi-Frequency Time Division Multiple Access o Acceso Multiple por Division en el Tiempo Multi Frecuencia).
• Enlace descendente: ATDMA (Asynchronous Time Division Multiplexing Access o Acceso Asincrono por Multiplexacion por Division en el Tiempo).

CONMUTACION DE PAQUETES

Desde el punto de vista de una red de comunicacion, cada satelite constituye un nodo de una red de "conmutacion rapida de paquetes", existiendo enlaces de comunicacion entre satelites de la misma orbita, o entre satelites de orbitas adyacentes. Este tipo de interconexion da lugar a una red de mallado no jerarquico, robusta y capaz de responder ante errores y situaciones de congestion local.

Routing

La comunicacion en el interior de la red espacial se gestiona como un flujo de paquetes cortos y de longitud fija. Cada paquete contiene una cabecera que incluye la direccion de destino y el numero de secuencia de la informacion, una seccion de control de errores para verificar la integridad de la cabecera, y una zona de datos donde se transporta la informacion de usuario codificada digitalmente. El encapsulamiento de la informacion en paquetes se realiza en los terminales del extremo de la red.

ENCAMINAMIENTO

La topologia de una red basada en una constelacion de satelites LEO es dinamica. La red debe adaptarse continuamente a estas condiciones cambiantes para alcanzar las conexiones optimas entre terminales, entendiendo por optimas las de menor retardo.

La red Teledesic usa un algoritmo de encaminamiento de paquetes distribuido y adaptativo para conseguir un bajo retardo y una varianza tambien baja de dicho retardo. Cada paquete lleva la direccion de red del terminal de destino, y cada nodo selecciona independientemente el camino de retardo minimo hacia dicho destino. De esta forma, paquetes de una misma sesion pueden atravesar distintos caminos a traves de la red. El terminal de destino almacena los paquetes entrantes en una cola, y si es necesario, los reordena para hacer transparentes los efectos de los diferentes retardos.

ROBUSTEZ DEL SISTEMA

Una topologia de red con una densidad de enlaces tan grande, junto con los algoritmos de encaminamiento comentados anteriormente permite un sistema robusto, tolerante a los fallos, y con capacidad de adaptarse a los cambios en la topologia y a nodos y enlaces congestionados o averiados. Para conseguir un sistema de gran capacidad y una alta densidad de canales, es necesario que cada satelite sea capaz de concentrar una gran capacidad en su relativamente pequeña area de cobertura. La superposicion entre areas de cobertura, junto con la posibilidad de usar satelites de repuesto en orbita, permiten la reparacion rapida de la red cuando se produce el fallo de un satelite. En conclusion, la fiabilidad del sistema se basa mas en la constelacion como conjunto que en la robustez de un satelite.

COMPATIBILIDAD CON TCP/IP

Por todos es sabido la necesidad de todo nuevo producto que se comercializa en el mundo de las telecomunicaciones de ser compatible con los estandares previos. En el aspecto de la interconexion de redes los protocolos estandar son TCP e IP, que dan soporte a la World Wide Web, la aplicacion de las redes de mas rapido crecimiento e implantacion. Debido al problema del retardo, ni TCP/IP ni la WWW funcionan correctamente sobre enlaces geoestacionarios.

TCP, protocolo de transporte de los terminales conectados a Internet, emplea una ventana de transmision de paquetes transmitidos, que no actualiza hasta que no ha recibido la confirmacion de todos los paquetes que hay en ella. TCP/IP fue diseñada para funcionar aceptablemente bien en redes terrestres, con un retardo bajo. Los problemas surgen cuando se emplea en redes con elevado retardo, como los enlaces geoestacionarios.

La ventana de transmision suele ser de tamaño no muy elevado, ya que el mecanismo de retransmision de TCP es del tipo Go-Back-N, pero en un enlace con un gran retardo, solo el numero de bits de la ventana pueden estar en transito y en espera de reconocimiento en cada momento. Por tanto, no importa cuantos bits pueda transmitir el canal teoricamente, porque se tarda como minimo medio segundo en recibir el reconocimiento de los bits de la ventana, sin el cual no se puede comenzar a transmitir los bits siguientes, con lo que tenemos impuesto un throughput bastante limitado, y ademas en caso de error, las prestaciones bajan mucho mas que en un enlace de bajo retardo.

Otros inconvenientes adicionales se observan cuando se estudia el comportamiento de una aplicacion de red soportada por TCP/IP, concretamente la WWW. Para cada parte de una pagina Web (cada dibujo, el texto, los sonidos, etc...), se establece una transaccion TCP distinta, lo cual requiere al menos dos tiempos de retardo para establecer la conexion.

Los problemas expuestos anteriormente no se presentarian en un sistema como Teledesic, ya que gracias a las ventajas de la orbita baja, los retardos no difieren sustancialmente de los sistemas terrestres, siendo esta una de las grandes bazas con las que cuenta Teledesic ante sus mas directos competidores, los sistemas GEO, los cuales, por otra parte han desarrollado alternativas al TCP/IP, como el IETF RFC 1323, que emplea grandes ventanas de transmision, o variaciones sobre TCP/IP, como TCP-LW (Large Window), tambien de ventana mayor, o TCP-SACK (Selective ACKnowledge), que emplea reconocimiento selectivo.

COMPATIBILIDAD CON FUTUROS SISTEMAS

Una de las tendencias de las redes es el desarrollo de la capacidad de alterar dinamicamente sus caracteristicas segun el trafico y las aplicaciones demandadas, por ejemplo, el uso de las pausas entre frases en conversaciones telefonicas en Intrernet, para servicios ABR (Avaliable Bit Rate o Tasa de Bits Residual) , como e-mail. Pero esta multiplexacion estadistica (permitiendo a varios usuarios compartir la red) solo es posible si ambos terminales transmisores pueden negociar dinamicamente las demandas de ancho de banda en la red. Es precisamente este proceso de negociacion el que se ve afectado por los retardos elevados.

Otra de las tendencias futuras es la aplicacion de codigos adaptativos que permita conmutar a diferentes algoritmos FEC (Forward Error Control o Control Previo de Errores), de forma que los codigos redundantes empleados para la recuperacion de errores en la transmision, se adapten dinamicamente para optimizar el uso del espectro radioelectrico. Nuevamente los retardos elevados impiden que el proceso de adaptacion dinamico se ajuste eficientemente.

Con esto se muestra una ventaja estrategica adicional con que cuenta Teledesic, que trata de anticiparse a las tendencias futuras en Internet, apostando por un sistema de gran ancho de banda por satelite con bajo retardo.

SEGMENTO TERRESTRE (2x4x3)

La Red Teledesic consta tanto de un segmento espacial (la red conmutada basada en la constelacion de satelites que proporcionan los enlaces de comunicacion entre los terminales), como de un segmento terrestre (terminales, pasarelas de red y sistemas de control y operaciones de red). Los terminales son el extremo de la Red Teledesic y proporcionan el interfaz entre la red de satelites y las redes y usuarios terrestres. estos realizan la conversion entre los protocolos internos de la Red Teledesic y los protocolos estandar de los sistemas terrestres.

TERMINALES

Los terminales Teledesic se comunican directamente con la red de satelites y soportan un amplio rango de velocidades de transmision. Aunque la Red Teledesic esta optimizada para terminales fijos, es tambien capaz de dar servicio a terminales transportables y moviles, como los empleados en aplicaciones maritimas y aeronauticas. No se tienen muchos detalles tecnicos sobre el funcionamiento de los terminales. Sin embargo si se conocen algunas de las funciones que llevaran a cabo, que pasan a describirse a continuacion:

• Permitiran implementar algoritmos de encriptacion y desencriptacion.
• Conversion a formato de paquetes de datos, realizando la interfaz con un amplio rango de protocolos estandar de red (IP, ISDN, ATM ...).
• Deben imponer pequeñas cabeceras y pequeñas colas a los paquetes.
• Control de potencia en transmision en el enlace ascendente, de manera que se use la minima potencia necesaria para llevar a cabo la transmision. La minima potencia de transmision se usara en casos de cielo claro y despejado, mientras que conforme empeoren las condiciones climatograficas (la lluvia) se producira un incremento de la potencia.
• Permitir que las configuraciones fijas y las transportables o moviles operen desde los multiplos de 16 Kbps del canal basico hasta los 2.048 Mbps (equivalente a 128 canales basicos).

Estos terminales podran usar antenas con diametros desde 16 cm hasta 1.8 m que vendran determinados por la maxima velocidad de transmision en el canal, la region climatica, y requerimientos de disponibilidad. El rango de potencias de transmision variara desde 0.01 W hasta 4.7 W, dependiendo del diametro de la antena, la velocidad de transmision y las condiciones climaticas. Todas las velocidades de datos hasta los 2.048 Mbps pueden ser soportadas con una potencia media transmitida de 0.3 W con una conveniente eleccion del tamaño de la antena.

Esta capacidad de manejo de multiples velocidades de tansmision, protocolos y prioridades de servicio, proporciona la flexibilidad para soportar un amplio rango de aplicaciones, incluyendo Internet, intranets corporativas, comunicacion multimedia, interconexion de LANs, wireless backhaul, etc. De hecho la flexibilidad es un punto clave, ya que gran cantidad de las aplicaciones y protocolos que proporcionara Teledesic no han sido concebidos todavia.

Access to Existing Networks

GIGALINKS

La red tambien soporta un pequeño numero de terminales fijos para GigaLinks, que operaran a la velocidad OC-3 (155.52 Mbps) y multiplos de esa velocidad, hasta OC-24 (1.2 Gbps). Las antenas de estos terminales estaran en el rango de 28 cm a 1.6 m, y su potencia de transmision entre 1 W y 49 W. Ademas, las antenas utilizaran diversidad en espacio para reducir la probabilidad de error por fading de lluvia.

Los terminales de los GigaLinks proveeran conexiones a las redes publicas y a bases de datos y servicios Teledesic, asi como puntos de interconexion para el Centro de Control de Operaciones de la Constelacion de la Red Teledesic (COCC), y para el Centro de Control de Operaciones de Red (NOCC). El COCC coordina el posicionamiento inicial de los satelites, diagnostico de fallos, reparaciones, y salida de orbita. El NOCC incluye una gran variedad de funciones de administracion y control sobre redes distribuidas, tales como bases de datos de red, monitorizacion de red y sistemas de cobro. Los terminales Gigalinks proporcionaran tambien conexiones a otras redes privadas y terminales de alta velocidad. Un satelite podra soportar hasta 16 terminales GigaLinks dentro de su area de servicio.

EL SATELITE Y SU LANZAMIENTO (2x4x4)

Cada satelite de Teledesic pesara unos 700 Kg y tendra una vida util de 10 años. Un panel solar apuntara de forma constante hacia el sol, en busca de energia. El lanzamiento esta previsto para los años 1999-2000.

El aspecto del satélite de Teledesic es el siguiente:

Aspecto del satélite de Teledesic

Se estima que unas 20 compañias participaran en el envio de los satelites hacia el cielo, siendo el socio principal en este aspecto, la compañia norteamericana Boeing. Las transmisiones se iniciaran en el 2001.

El coste de cada uno de los 288 satelites de Teledesic rondara los 3.000 millones de pesetas, lo cual significa un desembolso de 864.000 millones de pesetas solo en satelites, a lo cual deben añadirse los costes de lanzamiento y los seguros que, en el caso de algunos sistemas de satelites, igualan al coste del propio satelite.

LANZAMIENTO DE LOS SATELITES

En cuanto a la puesta en orbita de los satelites, no hay nada definido, ya que la posibilidad de utilizar misiles norteamericanos esta vedada por una ley federal que prohibe su uso comercial. Es por esto, que Bill Gates ha mantenido conversaciones con compañias rusas. A principios del mes de octubre, el director de la Agencia Espacial Rusa (RKA), Yuri Koptev, confirmo que Rusia y Ucrania (las dos mayores republicas de la extinta URSS que producian los SS-18) se proponen crear una empresa conjunta encargada de adaptar estos cohetes para el lanzamiento de satelites. Los misiles estrategicos intercontinentales SS-18 (conocidos durante la guerra fria como "Satan"), que Rusia se ha comprometido a destruir de acuerdo con el tratado de desarme nuclear ruso - estadounidense START II (todavia no ratificado por Moscu), constan de dos segmentos y deben ser dotados de una tercera etapa para poder poner en orbita pequeños aparatos espaciales. Segun el diario ruso Kommersant Daily, la reconstruccion y el lanzamiento de un misil con un satelite costara unos 15 millones de dolares, y el interes de Gates por los SS-18 se debe al altisimo nivel de seguridad de los lanzamientos (97 por ciento).

Entre las posibles alternativas de cohetes para poner en órbita los satélites están:

SUBSISTEMAS DEL SATELITE

Existe poca informacion publica sobre los subsistemas del satelite, pero se pueden exponer generalidades de este tipo de sistemas, con las que se pueden apreciar los retos que se afrontan al abordar un proyecto de esta envergadura.

-> El vehiculo espacial:
Las caracteristicas de un vehiculo espacial imponen una serie de limitaciones que afectan a los protocolos de comunicacion que pueden usarse.

>> Recursos de computacion:
Los vehiculos espaciales estan limitados en volumen, peso y, sobre todo, potencia, por lo que su capacidad de procesamiento y memoria estan limitados. En general, disponen solo de 0.15 a 4 MIPS y de 0.15 a 4 Mbytes. Posiblemente las futuras restricciones en potencia, volumen y peso seran menos severas, pero la capacidad de proceso y la memoria continuaran siendo mas limitados en un vehiculo espacial que en los sistemas terrestres. La capacidad de proceso se espera que alcance como mucho los 8 MIPS y la memoria, como mucho los 8 Mbytes.

>> Potencia de transmision:
Actualmente, la potencia de transmision es relativamente pequeña, dado que para transmitir en banda Ka hace falta mas potencia para compensar las mayores atenuaciones que se producen.

-> Entorno de red:
Las caracteristicas del entorno de la red espacial tienen un impacto en los protocolos de comunicacion que puedan dar soporte alas aplicaciones espaciales.

>> Conectividad:
Mientras que a los vehiculos espaciales geoestacionarios se puede acceder continuamente desde el mismo punto de la Tierra, los LEO son accesibles, normalmente, de forma periodica solo durante unos pocos minutos desde el mismo punto de la Tierra. Ademas, los sistemas consistentes unicamente en satelites LEO tienen una conectividad con la tierra variable con el tiempo (cada modelo de conectividad dura unicamente unos pocos minutos), donde cada modelo especifico de conectividad se repite periodicamente.

>> Retardos:
Los retardos van a ser variables en funcion del numero de enlaces intersatelite que se necesiten utilizar para alcanzar el destino. Por lo general estos retardos van a ser muy pequeños, de forma que garanticen aplicaciones en tiempo real de gran ancho de banda. La orbita LEO favorece este comportamiento al reducir consuderablemente el tiempo de latencia con respecto al de los satelites GEO, que es de alredor de 0.5s (enlace ascendente + enlace descendente).

>> Errores:
Los errores en transmision son debidos a la congestion, distorsion de la señal, o perdidas de la conexion. Los errores debidos a la distorsion, pueden ser aleatorios o en rafagas. La tasa de errores aleatorios observada desde la capa de red, suele fluctuar entre 10^-9 y 10^-5. La tasa de errores a rafagas puede estar entre 10^-5 y 10^-4. Se espera mejorar estas tasas en el futuro en un orden de magnitud.

>> Aprovechamiento del enlace:
Actualmente el aprovechamiento del enlace es medio-bajo en funciones de telemetria y enlaces de control, y medio-alto en misiones de transmision de datos y transporte de trafico de comunicaciones entre puntos de la tierra. En el futuro se espera que el aprovechamiento de los enlaces permanezca igual, pues el aumento del trafico sera previsiblemente proporcional al incremento de las tasas de transmision de datos.

FRECUENCIAS (2x4x5)

Cuando se trata de satelites de comunicaciones, la porcion del espectro radioelectrico que utilizaran lo determina practicamente todo: la capacidad del sistema, la potencia y el precio. Por eso, vamos a hacer un estudio de las principales bandas de frecuencias utilizadas en sistemas de satelites, para mas adelante concretar un poco en el caso particular de Teledesic. La informacion disponible sobre este aspecto no es muy detallada y diariamente aparecen nuevas noticias. Para conocer los ultimos detalles consultar nuestro apartado de buscadores, o la Web de la World Radio Conference.

ESTUDIO DE LAS BANDAS DE FRECUENCIAS

Las longitudes de onda diferentes poseen propiedades diferentes. Las longitudes de onda largas pueden recorrer grandes distancias y atravesar obstaculos. Las grandes longitudes de onda pueden rodear edificios o atravesar montañas, pero cuanto mayor sea la frecuencia (y por tanto, menor la longitud de onda), mas facilmente pueden detenerse las ondas.

Cuando las frecuencias son lo suficientemente altas (hablamos de decenas de gigahertzios), las ondas pueden ser detenidas por objetos como las hojas o las gotas de lluvia, provocando el fenomeno denominado "rain fade". Para superar este fenomeno se necesita bastante mas potencia, lo que implica transmisores mas potentes o antenas mas enfocadas, que provocan que el precio del satelite aumente.

La ventaja de las frecuencias elevadas (las bandas Ku y Ka) es que permiten a los transmisores enviar mas informacion por segundo. Esto es debido a que la informacion se deposita generalmente en cierta parte de la onda: la cresta, el valle, el principio o el fin. El compromiso de las altas frecuencias es que pueden transportar mas informacion, pero necesitan mas potencia para evitar los bloqueos, mayores antenas y equipos mas caros.

Concretamente, las bandas mas utilizadas en los sistemas de satelites son:

Banda L.

Rango de frecuencias: 1.53-2.7 GHz.

Ventajas: grandes longitudes de onda pueden penetrar a traves de las estructuras terrestres; precisan transmisores de menor potencia.

Inconvenientes: poca capacidad de transmision de datos.

Banda Ku.

Rango de frecuencias: en recepcion 11.7-12.7 GHz, y en transmision 14-17.8 GHz.

Ventajas: longitudes de onda medianas que traspasan la mayoria de los obstaculos y transportan una gran cantidad de datos.

Inconvenientes: la mayoria de las ubicaciones estan adjudicadas.

Banda Ka.

Rango de frecuencias: 18-31 GHz.

Ventajas: amplio espectro de ubicaciones disponible; las longitudes de onda transportan grandes cantidades de datos.

Inconvenientes: son necesarios transmisores muy potentes; sensible a interferencias ambientales.

Para ver con mas detalle los nombres de las distintas bandas de frecuencia, consulte la siguiente tabla:

+---------------------------------------------------------------+ 
|       Tipo de Banda       |     Rango de Fecuencias           | 
|---------------------------------------------------------------+ 
|            HF             |           1.8-30 MHz              | 
|---------------------------------------------------------------| 
|            VHF            |           50-146 MHz              | 
|---------------------------------------------------------------| 
|             P             |         0.230-1.000 GHz           | 
|---------------------------------------------------------------| 
|            UHF            |         0.430-1.300 GHz           | 
|---------------------------------------------------------------| 
|             L             |         1.530-2.700 GHz           | 
|---------------------------------------------------------------| 
|             S             |         2.700-3.500 GHz           | 
|---------------------------------------------------------------| 
|             C             | Downlink: 3.700-4.200 GHz         | 
|                           | Uplink: 5.925-6.425 GHz           | 
|---------------------------------------------------------------| 
|             X             | Downlink: 7.250-7.745 GHz         | 
|                           | Uplink: 7.900-8.395 GHz           | 
|---------------------------------------------------------------| 
|        Ku (Europa)        | Downlink: FSS: 10.700-11.700 GHz  | 
|                           | DBS: 11.700-12.500 GHz            | 
|                           | Telecom: 12.500-12.750 GHz        | 
|                           | Uplink: FSS y Telecom: 14.000     | 
|                           |                        14.800 GHz | 
|                           |                                   | 
|                           | DBS: 17.300-18.100 GHz            | 
|---------------------------------------------------------------| 
|         Ku (America)      | Downlink: FSS: 11.700-12.200 GHz  | 
|                           | DBS: 12.200-12.700 GHz            | 
|                           | Uplink: FSS: 14.000-14.500 GHz    | 
|                           | DBS: 17.300-17.800 GHz            | 
|---------------------------------------------------------------| 
|         Ka                | Entre 18 y 31 GHz                 | 
+---------------------------------------------------------------+

FRECUENCIAS DE TELEDESIC

La banda de frecuencias mas baja con ancho espectral suficiente para satisfacer el servicio de banda ancha proporcionado por Teledesic, asi como sus objetivos de calidad y capacidad es la banda Ka. Los enlaces de comunicacion entre terminal y satelite operan dentro de la porcion de la banda Ka que ha sido identificada internacionalmente para servicio fijo en satelites no geoestacionarios, y cuya licencia se ha concedido en EEUU para su uso en Teledesic.

Los enlaces descendentes operan entre 18.8 GHz y 19.3 GHz, y los ascendentes operan entre 28.6 GHz y 29.1 GHz. Por otra parte, los enlaces entre satelites se producen en la banda de los 40-50 GHz.

LA CONSTELACION (2x4x6)

Cada satelite de la constelacion es el equivalente a un nodo de una red de conmutacion de paquetes de alta velocidad, y tiene enlaces (comunicacion inter-satelite), con ocho satelites adyacentes. Cada satelite esta enlazado con cuatro satelites dentro del mismo plano (dos delante y dos detras), y uno en cada uno de los planos adyacentes en ambos lados. Este tipo de interconexion forma un mallado no jerarquico y proporciona una robusta configuracion de red que tolera errores y congestiones locales. La red combina las ventajas de una red de conmutacion de circuitos (bajos retardos mediante "caminos digitales") y de una red de conmutacion de paquetes (manejo eficiente de la multi-velocidad y de las rafagas de datos).

TOPOLOGIA DE LA RED

La topologia de las redes basadas en satelites LEO es dinamica. Cada satelite guarda la misma posicion relativa a otros satelites en su plano orbital, mientras que su posicion y retardo de propagacion relativo a la Tierra y a otros satelites cambia continuamente y en forma predecible. En resumen, los cambios en la topologia de la red, en cuanto al flujo de datos a traves de la red, se traducen en colas de paquetes acumulados en los satelites y cambios del tiempo de espera para transmitir al siguiente satelite. Todos estos factores afectan al encaminamiento de paquetes y se producen continuamente dentro de cada nodo usando un algoritmo de encaminamiento distribuido y adaptativo.

Desde el punto de vista de la red, una gran constelacion de nodos de conmutacion entrelazados ofrece un gran nomero de ventajas en terminos de calidad de servicio, seguridad y capacidad. La malla fuertemente interconectada proporciona un robusto diseño que tolera fallos y que, automaticamente, se adapta a cambios de topologia y a nodos y enlaces congestionados o averiados.

Una representación esquemática de la topología de la red puede verse en la siguiente figura:

Topología para el proyecto inicial de 840 satélites

Si lo desea también puede ver una comparación con otros sistemas conocidos, así como una animación del movimiento de los satélites al pasar por el polo norte.

Para lograr un sistema de alta capacidad y alta densidad de canal, cada satelite puede concentrarse en su relativamente pequeña area de cobertura. El solapamiento de las areas de cobertura, ademas del uso de satelites de reserva en orbita, permite la rapida reparacion de la red siempre que un satelite falla y se provoca un vacio en la cobertura. En esencia, la seguridad del sistema se basa en la constelacion como un conjunto, de forma que no es vulnerable al fallo de un solo satelite.

COBERTURA DEL SISTEMA

Teledesic cubrira el 95% de la superficie seca de la Tierra, y casi el 100% de la superficie habitada, dando acceso a comunicaciones interactivas de gran ancho de banda a todas las zonas de la Tierra, incluyendo aquellas en las que de momento no resulta rentable.

El mapa de la superficie de la Tierra, para el sistema Teledesic, se compone de unas 20.000 superceldas, consistente cada una en 9 celdas simples. Cada supercelda es un cuadrado de 160 Km. de lado. Las superceldas estan dispuestas en bandas paralelas al ecuador. Hay aproximadamente 250 superceldas en la banda del ecuador, y el nomero de estas por banda va decreciendo conforme incrementa la latitud. Dado que el nomero de superceldas por banda no es constante, las fronteras que unen el norte y el sur de cada una no estan alineadas.

La huella o sombra de un satelite comprende un maximo de 64 superceldas, o 576 celdas. El nomero actual de celdas de las que un satelite es responsable varia segon la posicion orbital del satelite y su distancia a los satelites adyacentes. En general, el satelite mas cercano al centro de una supercelda tiene la responsabilidad de darle cobertura. Cuando un satelite pasa por encima, dirige su haz a unas celdas fijas dentro de su sombra. Este direccionamiento del haz compensa, tanto el movimiento del satelite, como la rotacion de la tierra.

Los recursos del canal (frecuencias y slots de tiempo) estan asociados a cada celda y son gestionados por el satelite correspondiente en cada momento. Mientras un terminal este dentro de la misma celda, mantiene el mismo canal asignado durante todo el tiempo de duracion de la llamada, independientemente de cuantos satelites y haces esten implicados. Las reasignaciones de canal son raras excepciones que se salen de la norma, por lo que se elimina gran parte de la gestion de frecuencias y de los hand-over.

Una base de datos contiene el tipo de servicio que cada satelite puede ofrecer en una determinada celda. Las pequeñas celdas permiten a Teledesic evitar interferencias a otras areas geograficas y respetar los limites nacionales.
Esto seria muy dificil de conseguir con celdas mas grandes o celdas que se moviesen con el satelite.

Aquí podemos ver una imagen del mapa de cobertura del sistema:

Mapa de cobertura para el proyecto inicial de 840 satélites

Como se puede observar, las celdas de cobertura son bastante pequeñas debido al elevado número de satélites en comparación con otros sistemas parecidos.

Una ventaja de la pequeña zona de cobertura de cada satelite es que cada uno de ellos puede ofrecer la totalidad de su capacidad a un area, con una alta ganancia en los haces de sus antenas. Las pequeñas celulas permiten un eficiente uso del espectro mediante reutilizacion de frecuencias, asi como la utilizacion de terminales de baja potencia. Sin embargo, este tamaño de la celula permite barrer la superficie de la tierra a la velocidad del satelite (aproximadamente 25000 Km./h), con lo que un terminal estaria servido por la misma celula durante unos pocos segundos antes de que sea necesario realizar un "hand-off" a un canal de la siguiente celula. Como en el caso de los sistemas celulares terrestres, frecuentes hand-off resultan en una ineficiente utilizacion del canal, alto coste de proceso y baja capacidad del sistema. La red Teledesic usa un diseño de celulas fijas en tierra para minimizar este problema.

Una persona parada en cualquier lugar del mundo, a cualquier hora, sera cubierta por dos satelites de Teledesic, cobertura que sera respaldada por la operacion de estaciones en tierra. Como ya hemos dicho, Teledesic usa pequeñas celdas para una utilizacion eficiente del espectro, asi como por respeto a las fronteras nacionales. Dentro de una celda de 53 Kilometros x 53 Kilometros, la red podra soportar mas de 1800 canales de voz simultaneos de 16 Kbps, 14 canales simultaneos full-duplex E-1 (2 Mbps), o cualquier otra combinacion de canales y anchos de banda. Esto representa una capacidad realmente significativa, equivalente a 20000 lineas E-1 simultaneas, con potencial de crecimiento hacia capacidades mas altas. La red tambien ofrece canales de gran ancho de banda bajo demanda a traves de terminales de usuario estandar. Los anchos de banda de los canales son asignados dinamicamente y simetricamente en un rango de entre 16 Kbps a 2 Mbps en el enlace ascendente y a 28 Mbps en el descendente. Teledesic provee ademas de un pequeño nomero de canales de alta velocidad desde 155 Mbps a 1.2 GHz para necesidades especiales. La baja orbita y la alta frecuencia (30 GHz en enlace ascendente y 20 GHz en el descendente) permite el uso de terminales de poca potencia y antenas pequeñas, con un tamaño y coste comparable al de cualquier ordenador portatil.

ANGULO DE ELEVACION

La red de Teledesi esta diseñada de modo que siempre pueda verse un satelite de Teledesic practicamente en linea recta, desde cualquier lugar de la tierra. Esto se asegura por medio de un angulo de elevacion de 40 grados o mayor en todo momento y en todos los lugares.

El angulo de elevacion de 40 grados de Teledesic permite a los usuarios colocar terminales en la mayoria de las oficinas, escuelas y hogares, con una vision casi sin obstrucciones del suelo en todas las direcciones.

Un angulo de elevacion mas bajo aumenta de manera dramatica la posibilidad de obstruccion por la cercania de edificios, arboles o imperfecciones del terreno, impidiendo el servicio, especialmente a las altas frecuencias que maneja el sistema. En muchas areas, un angulo de elevacion bajo puede hacer que cualquier tipo de servicio resulte poco practico o sencillamente imposible. Asi mismo, las señales a altas frecuencias, tambien pueden ser bloqueadas por la lluvia, especialmente cuando se envian a un angulo de elevacion menor, ya que en este caso la distancia recorrida bajo el efecto de la lluvia aumenta considerablemente.

El angulo de elevacion de 40 grados de Teledesic resulta esencial para cumplir con las metas de la compañia de brindar una alta calidad de servicio con una disponibilidad comparable a aquella de las redes terrestres. Tambien reduce el tamaño y el costo del terminal de usuario, mejorando al mismo tiempo, la facilidad de coordinar el uso de radiofrecuencias con otros sistemas y servicios.

Version HTML de este articulo:
http://www.geocities.com/CapeCanaveral/Hangar/7736/

Mas Informacion:
http://www.teledesic.com