Comparamos las dos situaciones mostradas en la figura.
En el caso de satélites que trabajan con un solo haz se presentan desventajas respecto al caso de operar con varios haces de forma simultánea. Si se debe dar servicio a toda la región terrestre visible desde el satélite la ganancia de la antena quedará limitada por el ancho de haz necesario para cubrir la zona de servicio. Por otra parte, si la cobertura requerida abarca una región menor necesitaremos un haz más estrecho por lo que mejoraremos la ganancia de la antena pero el sistema sólo podrá conectarse mediante enlaces terrestres o enlaces entre satélites con estaciones situadas fuera de su zona de servicio.
Por lo tanto, en satélites que operan con un haz habrá que elegir entre gran cobertura (y posible interconexión entre gran número de estaciones terrestres) con poca ganancia de la antena y gran ganancia a costa de tener una cobertura reducida. Los satélites con múltiples haces simultáneos nos permiten conseguir las ventajas de cada caso: gran cobertura y ganancias elevadas.
Los satélites multihaz hacen posible que un único satélite se pueda comunicar con un gran número de estaciones terrestres mejorando así la capacidad de comunicación, la eficacia en la utilización de satélites y el tamaño de las antenas de las estaciones terrenas. Como resultado se consigue una reducción de costes.
IMPACTO EN EL SEGMENTO DE TIERRA
Comparamos las dos situaciones mostradas en la figura.
En el primer caso, el satélite proporciona cobertura global con un único haz. En el otro caso, el satélite con múltiples haces simultáneos proporciona cobertura reducida en varias regiones.
En el caso de utilizar un satélite multihaz se produce una reducción en el PIRE y en el factor de mérito de la estación respecto a la situación de un único haz por lo que puede reducirse el tamaño y por tanto el coste del segmento de tierra.
La reutilización de frecuencias consiste en utilizar la misma banda de frecuencias varias veces de manera que sea posible aumentar la capacidad del sistema para un determinado ancho de banda B. Puede llevarse a cabo utilizando polarizaciones ortogonales o utilizando la misma banda de frecuencias en distintos haces siempre que la separación angular sea suficiente.
El factor de reutilización de frecuencias se define como el número de veces que el ancho de banda B se utiliza. En el caso de reutilización por polarizaciones ortogonales el factor sería dos y si utilizamos la misma banda de frecuencias en distintos haces podría ser reutlizado este ancho de banda B para tantos haces como el nivel de interferencia nos permitiera. Ambas técnicas pueden ser combinadas.
En el enlace ascendente, la interferencia cocanal (CCI) se produce cuando la contribución de densidad espectral de potencia del enlace descendente de un haz que emplea una determinada banda de frecuencias se superpone al espectro del enlace descendente que mantiene otro haz que opera en la misma banda de frecuencias. La interferencia de un canal adyacente (ACI) se produce cuando la contribución de densidad espectral de potencia del enlace descendente de un haz que emplea una determinada banda de frecuencias se superpone al espectro del enlace descendente que mantiene otro haz que opera en una banda de frecuencias adyacente.
En el enlace descendente, las interferencias se producen cuando las siguientes contribuciones de densidad espectral de potencia se superponen con el espectro de la portadora de este enlace:
- El espectro de la interferencia cocanal y del canal adyacente del enlace ascendente es retransmitido por el satélite.
- El espectro de la portadora de la misma frecuencia emitida por otro haz (interferencia de canal adicional).
Una estimación típica de la contribución del ruido de interferencia en un enlace de un satélite multihaz es de un 40% del ruido total.
A diferencia de las coberturas vistas que utilizan un único haz a una determinada frecuencia y con una polarización dada, la cobertura con varios haces implica la generación de haces que pueden estar en diferentes bandas de frecuencia y tener distintas polarizaciones
- Haces separados
En este caso la zona de servicio consiste en un conjunto de regiones geográficas separadas entre si. Estas regiones son iluminadas por haces estrechos de sección transversal circular que pueden compartir la misma banda de frecuencias siempre que la separación angular sea suficiente. La utilización de polarizaciones ortogonales permite un mayor aislamiento entre enlaces aunque la separación angular sea pequeña.
- Haces contiguos
Utilizando un conjunto de haces contiguos estrechos se consigue una mejor ajuste a la zona de servicio respecto al caso de un único haz.
En el caso de un único haz, la ganancia de la antena embarcada en el satélite está limitada por el ancho de haz que impone la zona de servicio. Al ser el diámetro de cada uno de los haces necesarios más estrecho que el haz único que cubriría la misma región, la ganancia correspondiente es mayor. Será posible utilizar en las estaciones terrestres antenas de pequeño diámetro.
Los haces se solapan de forma parcial por lo que las frecuencias utilizadas en cada uno deben diferir entre si.
Estos haces comparten el total del ancho de banda disponible del sistema condicionados por las regulaciones de radiocomunicaciones. Está por tanto limitada la capacidad de cada haz.
Para asegurar la interconexión de haces hay que considerar el encaminamiento de las portadoras entre los haces.
- Mallado de haces
Combinando varios haces y la reutilización de frecuencias conseguimos una cobertura por mallado de haces cuyo patrón básico está formado por haces que utilizan un conjunto de frecuencias que se repiten de forma ordenada sobre la zona de servicio.
La distancia angular entre haces que reutilizan la misma banda de frecuencias determina el nivel de la interferencia cocanal. Las mayores interferencias se producen en el borde de la zona cubierta por un haz pues es donde el nivel de la señal es menor, debido a la reducción de ganancia que experimenta, y donde el nivel de la interferencia es mayor.
Cuanto mayor sea el número de haces ( y frecuencias ) utilizados en el patrón básico mayor distancia angular tendremos entre haces que usan la misma frecuencia y por tanto menos interferencia en el sistema. Por otra parte, el ancho de banda que quedaría disponible para cada haz sería menor.
INTERCONEXIÓN ENTRE ÁREAS DE COBERTURA
Un satélite multihaz debe ser capaz de interconectar las estaciones terrestres a las que da servicio que conforman una red y por tanto proporcionar interconexión entre áreas de cobertura. Teniendo en cuenta que utilizamos transpondedores veremos tres técnicas que permiten implementar la interconexión entre áreas de cobertura.
- Transponder Hopping
El ancho de banda del sistema se divide en tantas particiones como enlaces ascendentes y descendentes de cada haz haya. En el satélite un conjunto de filtros separan las portadoras de acuerdo con la sub-banda ocupada. La salida de cada filtro está conectada mediante un transpondedor a la antena del haz destino.
En este sistema es necesario utilizar un número de transpondedores y filtros al menos igual al número de haces al cuadrado. La capacidad ofrecida al tráfico puede variar entre haces dentro de la capacidad total del sistema modificándose las asignaciones de ancho de banda a cada partición y por tanto variando las conexiones entre filtros de entrada y transpondedores. Esta operación se realiza por telecomando de acuerdo con las fluctuaciones de tráfico a largo plazo.
- SS/TDMA
La técnica de interconexión por el método transponder hopping es una solución cuando el número de haces es bajo pues el número de transpondedores y filtros es al menos igual al número de haces al cuadrado. Cuando hay un número elevado de haces hay que considerar la técnica SS/TDMA.
La carga útil incluye una matriz de conmutación programable con un número de entradas y de salidas igual al número de haces. Esta matriz conecta cada enlace ascendente con uno descendente mediante un receptor y un transmisor. La DCU (Distribution Control Unit) asociada a la matriz de conmutación establece una secuencia de conexiones entre cada entrada y cada salida de manera que las portadoras que llegan al satélite en cada haz son encaminadas a los haces destino. Como la interconexión entre dos de los haces es cíclica, las estaciones deben almacenar el tráfico de los usuarios y transmitirlo en ráfagas cuando la interconexión requerida se lleve a cabo. Por lo tanto, esta técnica puede ser utilizada sólo con transmisiones digitales y acceso de tipo TDMA.
Barrido de Haz (Beam Scanning)
Cada una de las áreas de cobertura es iluminada cíclicamente por un haz de orientación controlada por un BFN (Beam Forming Network), parte del subsistema de la antena a bordo del satélite.
Las estaciones de las diferentes zonas transmiten o reciben sus ráfagas cuando el área es iluminada por un haz. En ausencia de memoria a bordo del satélite son necesarios al menos dos haces por unidad de tiempo, uno para establecer el enlace de subida y el otro para establecer el enlace de bajada. La duración de la iluminación es proporcional al volumen de tráfico entre dos áreas.
