El interés y la inversión en sistemas de satélites espaciales comerciales están en auge. La inversión privada ha inyectado más de 23.500 millones de dólares de financiación del sector privado en empresas relacionadas con el espacio desde 2021 y gigantes tecnológicos tales como SpaceX y Amazon (Kuiper) han lanzado proyectos espaciales para aumentar el acceso global a la banda ancha.
Históricamente, las comunicaciones satelitales se han empleado para comunicaciones de voz, defensa y exploración espacial. Sin embargo, la introducción y proliferación de satélites en órbita terrestre baja (LEO) ha reducido los requisitos financieros necesarios para lanzar satélites y ha abierto la puerta a nuevos casos prácticos. Esta ventaja económica se debe a dos factores. El primero, al tamaño de los satélites (los últimos LEO Starlink de SpaceX son tan pequeños como una mesa de cocina), y el segundo a que es posible lanzar varios LEO simultáneamente. Sin embargo, aunque los LEO permiten que los sistemas de comunicaciones satelitales sean más viables económicamente, son más complejos y requieren que los equipos de ingeniería gestionen mayores desplazamientos Doppler, interferencias y complejidades de red.
Tendencias que impulsan la adopción de sistemas de comunicaciones satelitales
La conectividad ubicua, es decir, un entorno en el que los dispositivos pueden crear, compartir y procesar datos desde prácticamente cualquier lugar, es una de las tendencias clave que impulsan la adopción de los LEO. A pesar del progreso en el desarrollo de la infraestructura terrestre de comunicaciones inalámbricas, partes significativas del mundo, tales como comunidades rurales y océanos, siguen careciendo de conectividad móvil debido al coste o la geografía. Los satélites son un avance tecnológico fundamental en la labor del sector inalámbrico para reducir las brechas de conectividad entre zonas urbanas y rurales.
Además de la accesibilidad de las comunicaciones móviles, los LEO también pueden mejorar la capacidad de estas. De acuerdo a Statista, actualmente, existen 4.600 millones de usuarios de smartphones en todo el mundo y se espera que el número de dispositivos conectados a Internet alcance más de 29.000 millones en todo el mundo para 2030. Cada vez más personas utilizan Internet, lo que aumenta la demanda global de sistemas de comunicaciones móviles. Las empresas del sector inalámbrico siguen invirtiendo en infraestructura terrestre, ya que los satélites comerciales no siempre han sido rentables; sin embargo, el coste de los LEO está disminuyendo, por lo que son una opción viable para abordar la creciente limitación del ancho de banda, especialmente en zonas remotas.
Por último, las comunicaciones de recuperación ante desastres son una tendencia clave que impulsa la adopción de comunicaciones satelitales a medida que los fenómenos meteorológicos extremos son cada vez más intensos y frecuentes. Con frecuencia, la infraestructura de comunicaciones móviles queda inutilizada durante estos eventos, lo que provoca la activación de satélites para garantizar que servicios de emergencia, personal gubernamental y residentes puedan transmitir y recibir información de seguridad crítica. Este caso práctico demostró su validez cuando Starlink situó 120 satélites sobre el suroeste de Florida y otras áreas afectadas por el huracán Ian, al quedar destruida la infraestructura terrestre de comunicaciones móviles.
Latencia de las señales y amplificación de potencia
Antes de los LEO, los sistemas de comunicaciones satelitales utilizaban principalmente satélites en órbita terrestre geoestacionaria (GEO). Tres satélites GEO, con una separación adecuada y moviéndose a la misma velocidad que la rotación de la Tierra, pueden proporcionar una cobertura prácticamente completa de la Tierra. Tres satélites GEO pueden abarcar todo el planeta con algunos enlaces cruzados pero, lamentablemente, son más costosos de construir y lanzar que los LEO. Además, la distancia de los satélites GEO respecto a la superficie terrestre y entre sí provoca latencia en las señales. Aunque los satélites GEO son aceptables para email y otras comunicaciones en tiempo no real, las llamadas telefónicas y videollamadas experimentan retardos significativos que dificultan una comunicación natural.
Los retardos de las señales son mucho menores con los LEO, ya que están más cerca de la superficie de la Tierra. Sin embargo, los transmisores necesitan más potencia para comunicarse con los LEO que con las redes terrestres. Esto se debe a que las señales de las redes terrestres viajan entre cinco y 10 kilómetros, mientras que las señales de los LEO viajan hasta 2.000 kilómetros y sufren más pérdida de señal.
El reducido tamaño de los LEO supone a la vez una ventaja y un reto de diseño. Los amplificadores de potencia (PA) de los LEO deben ser físicamente pequeños, pero tener suficiente potencia para transmitir una señal al objetivo previsto. En un mundo ideal, los equipos de ingeniería satelital desean que los PA tengan una característica lineal, aunque utilicen entradas de alta potencia. Sin embargo, la siguiente figura muestra que una potencia excesiva en los PA puede distorsionar las señales significativamente. Los comunicaciones satelitales (DPD) del transmisor pueden contrarrestar estas distorsiones.
La DPD aplica una característica de “PA inverso” a la señal que hace que la señal de salida del PA sea más lineal. Las herramientas de DPD, tales como las de Communications Toolbox®, recurren cada vez más a IA para mejorar los resultados.
Enlaces de RF, enlaces ópticos y arrays en fase
Las interferencias también representan un desafío cuando se utilizan LEO en sistemas de comunicaciones satelitales. El principal motivo es el simple hecho de que actualmente existen casi 6.000 LEO en órbita.
Durante mucho tiempo se han utilizado enlaces de RF tradicionales en los sistemas de comunicaciones satelitales, pero los equipos de ingeniería optan cada vez más por enlaces ópticos cuando es posible. Los patrones de haces ópticos son mucho más estrechos que los enlaces de RF tradicionales, cuyos haces anchos pueden llegar a otros receptores y causar interferencias. Las interferencias de los sistemas ópticos se reducen significativamente debido a que la propagación de la señal es limitada.
Por último, los equipos de ingeniería satelital también pueden utilizar arrays en fase, es decir, grupos de antenas controladas por un equipo informático que crean un haz que se puede dirigir electrónicamente para apuntar en distintas direcciones. Los arrays en fase pueden anular las interferencias espacialmente y dirigir la energía a un punto concreto de la superficie terrestre. Los sistemas de arrays en fase potencian la energía del haz en dirección a la señal de interés e insertan nulos de haz en dirección a la interferencia, lo que optimiza la relación señal-interferencia más ruido (SINR).
Efecto Doppler y desplazamiento de frecuencia
A diferencia de los GEO, los LEO no giran alrededor de la Tierra a la misma velocidad que rota el planeta. Esto significa que se acercan o alejan constantemente de los receptores. Este movimiento crea un efecto Doppler que los equipos de ingeniería satelital deben gestionar.
En términos de ingeniería, el efecto Doppler es la diferencia de frecuencia entre la onda transmitida y la onda recibida debido al movimiento del transmisor o receptor. El efecto Doppler supone un desafío, y requiere que los equipos de ingeniería satelital capturen y rastreen las frecuencias centrales en constante cambio de los LEO.
La frecuencia y fase del transmisor y receptor deben estar completamente sincronizadas para garantizar que las formas de onda se demodulen correctamente. Sin embargo, los grandes desplazamientos Doppler provocan que frecuencia, fase y temporización no estén sincronizados. Como resultado, se deben implementar varios lazos cerrados en estos receptores para eliminar los desplazamientos de frecuencia inducidos por el efecto Doppler. La sincronización debe producirse en nivel de trama, temporización de símbolos, frecuencia portadora y fase portadora.
En conclusión, muchos equipos de ingeniería satelital utilizan diseños de receptores de referencia de productos tales como MATLAB para no tener que comenzar de cero constantemente. Con una mínima personalización de los diseños de referencia, los equipos de ingeniería satelital pueden diseñar receptores robustos que funcionen en entornos de RF complejos.
Los LEO han recibido una atención justificada debido a sus convincentes casos prácticos a corto y largo plazo. Empresas como Apple ya están aprovechando las redes de comunicaciones satelitales y esto solo es el principio. Mientras continúa la influencia de las comunicaciones satelitales en el sector inalámbrico, los equipos de ingeniería deben familiarizarse con sus usos, desafíos y avances tecnológicos.
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