INTERFERENCIA SATELITAL, FEC E IDR INTELSAT Estudiante de ingeniería electrónica VIII semestre Jhon Alexander Díaz Acevedo Universidad de Cundinamarca Colombia/Cundinamarca/Fusagasugá
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1. INTERFERENCIA
Un factor muy importante que se ha de tener en cuenta en un enlace satelital es el ruido ya que se puede suponer que todas las señales interferentes incluyendo el ruido gaussiano son estadísticamente independientes, independientes, de esta manera es posible generalizar el efecto ef ecto de la interferencia y del ruido teniendo en cuenta la relación señal a ruido total ( ver ecuación (1)), se sabe que una señal de ruido en el canal de comunicación es aditivo , lo que implica que la señal transmitida tendrá una variación en su amplitud lo que generará error en la decisión. Generalmente el ruido es muy difícil de tratar ya que se considera como un vector que se suma a la señal con cualquier fase lo que genera que la portadora resultante tiene amplitud y fase variable es por ello que es importante considerar este fenómeno dentro de la interferencia, sin embargo se hace énfasis en el ruido blanco gaussiano en donde se sabe que el ruido blanco está formado por todas las frecuencias audibles, audibles, igual que la luz blanca está formada por todas las frecuencias visibles y gaussiano se refiere a una repartición de la señal aditiva, teniendo en cuenta esto Generalmente, el proceso del ruido se considera “aditivo blanco gaussiano” (AWGN) en donde Blanco se refiere a espectro de de frecuencia plano y Gaussiano a distribución del ruido. Además de lo mencionado anteriormente este tipo de ruido es de vital importancia en este proceso ya que el modelo de un canal en un sistema de comunicaciones supone un canal banda base que no distorsiona pero solo perturba una señal aleatoria denominada RUIDO BLANCO GAUSSIANO ADITIVO (AWGN) (AWGN).. C C C N N N T s b 1
1
1
(1)
Habiendo considerado la importancia el ruido y cómo influye este en el sistema se considera la interferencia y la ecuación (1) se convierte en la relación portadora a ruido más interferencia total (ver ecuación (2)) en donde hay que tener en cuenta la ecuación (3). C C C C NI N N I I T s b s b
C
1
1
C
1
NIT
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1
C
1
1
NIs
C C C NI N I 1
T
1
T
1 1
NIb
C
T
1
(2)
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C C C I I I T s b 1
1
1
(3)
En donde: C I Es la relación portadora a interferencia y los subíndices T , s y b son: total, subida y bajada respectivamente. Y todas las ecuaciones (1), (2) y (3) están expresadas en veces
La relación portadora a ruido más interferencia total es muy utiliza en el diseño de los sistemas satelitales ya que una vez el tipo de modulación es seleccionado, dicha relación puede predecir el desempeño del enlace. En sistemas satelitales digitales, el desempeño es evaluado en términos de probabilidad promedio de error P b, la cual es una relación portadora a ruido del enlace, asumiendo que la señal está contaminada solamente por ruido blanco gaussiano. En general en los sistemas satelitales es de extremada importancia la interferencia que se producen ante la señal que se emite ya que están relacionados entre sí y a la hora de tratarla hay que tener en cuenta todas las fuentes que la producen. 1.1. TIPOS DE INTERFERENCIA Se tratara ahora los diferentes tipos de interferencia que están presentes en un enlace satelital, teniendo en cuenta cada tipo de interferencia se puede llegar a la deducción de la fórmula de la relación señal a ruido total, por consiguiente a continuación solo se darán las formulas correspondientes a cada tipo de interferencia y al finalizar este bloque se intentara llegara a una fórmula concreta (no a todos los tipos de interferencia se les dará una denominación matemática ya que en el proceso matemático solo se toman en cuenta las más importantes)
NOTA: En el desarrollo de esta sección se ha hecho uso de diferentes bibliografías por consiguiente los resultados obtenidos quizás difieran un poco, sin embargo al final los resultados técnicamente tendrán que ser los mismos ya que la base teórica es bastante convincente en la referencia [2] ya que se explica de una marea más detallada como funciona este sistema.
1.1.1. Interferencia hacia o desde sistemas satelitales adyacentes
La interferencia generada por una estación terrena hacia un satélite adyacente proviene de los lóbulos laterales de la antena, para encontrar la interferencia generada por o recibida desde los lóbulos laterales de la antena de la estación terrena hacia o desde un satélite adyacente es necesario conocer la separación angular entre los dos satélites geoestacionarios adyacentes tal y como es vista por la estación terrena. Para todos los casos ya sea ruido o interferencia el efecto que se genera se define como portadora de ruido y portadora de interferencia, la relación que define la portadora de interferencia de satélite adyacente se muestra en la a continuación en la ecuación 4.
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C ISady
LN Sady
Ps
(4)
En donde: L son las pérdidas de bajada del sistema Ps es la potencia de salida del satélite NSady satélites adyacentes 1.1.2. Interferencia terrestre
La interferencia mutua entre una estación terrena y un sistema de microondas terrestre depende de: potencia de la portadora, densidad espectral de la portadora y la separación de frecuencia entre las dos portadoras. La relación portadora interferencia C/I para prevenir interferencias desde sistemas de microondas terrestres se ha establecido que sea de 25 dB como mínimo: la potencia de la portadora satelital 25 dB como mínimo por encima de la potencia de la portadora (portadoras) de sistemas de microondas terrestres (C/I ) ≥ 25 dB Al igual que el apartado anterior se define una portadora, en este caso a interferencia terrestre que está dada por la ecuación 5 y se muestra a continuación. C Iterr
LN T
Ps
(5)
En donde: NT son los ruidos terrestres producidos por otros enlaces o por interferencia industriales 1.1.3. Interferencia por polarización cruzada
Los sistemas de comunicaciones satelitales reúsan frecuencia empleando polarizaciones lineales ortogonales (polarización lineal horizontal y vertical) o polarizaciones circulares ortogonales (polarización circular a derechas y polarización circular a izquierdas), siendo esto otra fuente de interferencia, como resultado del acoplamiento de energía desde un estado de polarización al otro estado de polarización ortogonal. Esto en consecuencia al factor de discriminación de polarización cruzada que se define como la relación entre la potencia recibida en la polarización principal (copolar) con respecto a la potencia recibida en la polarización ortogonal (cruzada) desde la misma señal incidente, y por lo tanto, representa la relación portadora a interferencia por polarización cruzada cuando las dos señales polarizadas tienen la misma potencia. La discriminación de polarización cruzada neta de un enlace satelital resulta del efecto combinado de las antenas de la estación terrena y del satélite para ambos el enlace ascendente y el enlace descendente. A continuación se presenta la portadora a interferencia de polarización cruzada que está dada por la ecuación 6.
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Ps C Icp LN cp
(6)
En donde Ncp es la polarización cruzada 1.1.4. Interferencia de intermodulación
Esta interferencia es causada por los productos de intermodulación generados dentro de un transponder satelital, como resultado de la amplificación de múltiples portadoras por el amplificador de alta potencia del transponder, debido a su comportamiento no lineal. Esta interferencia perjudica especialmente a los sistemas satelitales que utilizan como técnica de acceso el acceso múltiple por división de frecuencia, en el cual varias portadoras hacen presencia en el transponder simultáneamente. Esta interferencia en muchas ocasiones también es conocida como “Ruido de intermodulación” aunque esto no tiene muc ha importancia ya que como se mencionó anteriormente
el ruido y la interferencia están relacionados entre sí (aquí se tomara como ruido), a continuación se presenta la portadora a ruido de intermodulación que está dada por la ecuación 7. C P N N s
i
(7)
i
En donde Ni es el efecto de intermodulación que puede ser tratado como ruido 1.1.5. Interferencia canal adyacente
Esta interferencia se origina cuando una parte de la energía de las señales limitadas
en banda cae dentro del canal adyacente producto del solapamiento de la característica de amplitud de los filtros de canal. La situación empeora cuando el amplificador de alta potencia de la estación terrena y/o del satélite opera cerca o en saturación ya que el comportamiento no lineal de estos amplificadores contribuye a un aumento de la interferencia canal adyacente. 1.1.6. Interferencia intersímbolo
Un canal de transmisión siempre tiene un ancho de banda limitado, y por este motivo, dispersa o extiende los pulsos digitales que pasan a través del mismo. Cuando el ancho de banda del canal es muy superior que el ancho de banda de los pulsos, la dispersión va a ser mínima. Si el ancho de banda del canal es cercano al de la señal, la dispersión excederá la duración del símbolo y va a causar que los pulsos se traslapen. Este traslape es llamado interferencia intersímbolo (ISI). Como toda fuente de interferencia, el ISI causa una degradación al rendimiento del sistema, especialmente a velocidades de transmisión altas. Es una forma impredecible de interferencia ya
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que el amplificar el nivel de la señal en el transmisor no garantiza disminuir los errores producidos por el ISI. 1.2. ANÁLISIS DE LA RELACIÓN PORTADORA A RUIDO TOTAL La recepción correcta de una señal satelital dependerá de los efectos que en la subida y bajada al satélite se produzcan y deterioren a la misma. A continuación se muestra un esquema de cómo funciona lo que se acaba de mencionar.
Figura 1. Diagrama de bloques funcional del Esquema de enlace satelital completo
A los fines del desarrollo de un sistema satelital se debe tomar como objetivo final, la obtención de una relación portadora a ruido total (C / N) T mínima que ofrezca garantía de calidad, ya sea para una señal de telefonía, TV o datos. Dicha relación (C / N)T depende de diferentes parámetros incluidos en los enlaces de subida y bajada. Tantos unos como otros se ven afectados por los niveles de ruido del equipamiento que interviene en los mismos, como es el ruido del receptor del satélite N S Y el ruido de la estación terrena NB. Además los comportamientos no lineales de los amplificadores que intervienen, en el enlace, principalmente los de alta potencia del satélite, producen el efecto de intermodulación el cual puede ser tratado como ruido N i, e interviene en los enlaces de telefonía y datos. En el enlace de subida intervienen las ganancias de los sistemas de la estación terrena transmisora y del satélite (G / T) mientras que en el enlace descendente se considera para la obtención del (C / N) T la PIRE del satélite en la dirección de la estación receptora y el factor de calidad (G I T) de la misma. Otro de los efectos que pueden ser tratados de la misma forma, pero de menor inferencia en el resultado final se consideraron en el apartado 1.1 del documento.
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Una buena aproximación es considerar que la interferencia no es coherente, por lo tanto es válido considerarla sumada como una potencia al ruido térmico. Se considerara L las pérdidas de bajada del sistema, Gs la ganancia del satélite y Ps la potencia de salida del satélite. Esto se puede expresar de acuerdo a la ecuación 8. PS C N T N B G N N LN LN LN T S i T cp sady L
(8)
Organizado mejor la ecuación PS L PS PS PS PS PS C N N G N N LN LN LN T B T S i T cp sady
C Ahora se considera N
y S
C N B
(9)
que se pueden observar en la figura 1. De esta manera se
tiene:
C N
PS L
C N S
PS L
S
(10)
N B
(11)
N B
De esta manera se pueden reemplazar las ecuaciones vistas en la sección 1.1 y las que se acaban de considerar (4), (5), (6), (7), (10) y (11) en la ecuación 9, esto da como resultado: C C N N T S
C C C C C N B N i I terr I cp I Sady
(12)
Si se calcula el enlace de subida de forma tal que el (C/N) S sea mucho mayor que el (C/N)B el (C/N) será levemente menor que el (C/N) B siendo el objetivo final en cierta forma independiente del enlace de subida. Considerando los ruidos relativos a la polarización cruzada, interferencia terrestre y satélite adyacente queda: C C C C (13) N N N N T
S
B
i
Con esto se tiene claro cómo se obtiene la interferencia y ruido del sistema en donde en comparación la ecuaciones (1) y (2) con (12) y (13) se puede ver que son casi las misma expresión
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excepto por los exponentes, sin embargo se puede considerar que son modelos muy aproximados, sin embargo la ecuación (12) muestra más en detalle cómo influyen las interferencia y ruido del sistemas mientras que las (3) lo da de una forma más general. Sin embargo la ecuación 13 si tiene un cambio significativo ya que se puede simplificar todavía más ya que Siendo el (C/N) S y (C/N)i >> (C/N)B queda que (C/N)T (C/N)B con esto ya es decisión del lector cuál de las ecuaciones ha de utilizar. 2. IDR INTELSAT Y FEC
Las portadoras de Razón de Datos Intermedia de INTELSAT ( IDR por sus siglas en inglés) utilizan modulación QPSK coherente operando a velocidades de información que van desde los 64 Kbps hasta los 44.736 Mbps. Una unidad de canal QPSK/IDR se compone de cuatro bloques elementales, lo cuales se pueden resumir de la siguiente manera, El primero es el de adición de encabezado, el cual se encarga de agregar a la banda base digital información que se emplea para operación y mantenimiento o para enlaces de datos entre estaciones, como apuntamos en el párrafo anterior. En segundo lugar, se encuentra el módulo de escrambler, cuya función principal es codificar la señal para que tenga el mayor número de transiciones y posibilitar así la recuperación del reloj de sincronismo en recepción. El tercer módulo, es el encargado de generar la FEC para la detección de errores. Por último, se encuentra el módulo QPSK , el cual convierte la señal digital en una portadora digital IDR en frecuencia intermedia, adecuada para ser transmitida. Cada una de estos bloques están basados en el manejo de velocidad, sin embargo hay dos procesos muy importantes, el primero es el encargado de detectar errores ya que en sistemas digitales la información que se envía se puede analizar para detectar errores y si es necesario pedir una retransmisión, es por ello que muchos de estos sistemas majean un canal full dúplex, sin embargo la mayoría de veces para ganar tiempo en los sistemas se hace la corrección de errores, el otro proceso es el encargado definir la velocidad intermedia de portadoras, sin embargo aún no se ha dicho nada acerca de lo que hacen estos dos bloques es por ello que en este apartado del documento se quiere enfatizar que son y en que se basan estos procesos. Primero que todo hay que decir que IDR es un servicio y está directamente relacionado con la codificación FEC para corrección de errores, teniendo en claro esto se prosigue a explicar un poco los aspectos más importantes de IDR haciendo énfasis en el satelite INTELSAT. Los servicios digitales de Intelsat son las portadoras de velocidad intermedia IDR ( Intermediate Data Rate) y los servicios empresariales IBS ( Intelsat Business Service); para redes públicas y privadas respectivamente. Estos servicios requieren antenas de menor tamaño; permitirán la integración a la Red Digital de Servicios Integrados ISDN y en muchos casos el acceso del propio usuario al satélite. Otros satélites internacionales (Panamsat) o nacionales cumplen especificaciones similares a los servicios de Intelsat IDR, IBS. Ahora se dirá en que consiste este servicio concretamente, se trata de la aplicación típica para redes públicas desde 64 Kb/s a 34 Mb/s. Comenzó a funcionar en Junio de 1984 y en 1996 la totalidad es de este tipo. Se trata de un acceso múltiple por división de frecuencia FDMA, con un canal por portadora SCPC. En la figura 2 se presenta el diagrama a bloques genérico del canal IDR y una fotografía anexa de los módem satelitales. Contiene una unidad para el armado de trama para
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velocidades superiores a 1544 Kb/s, un aleatorizador SCR, la codificación para corrección de errores 3/4 FEC y el modulador (QPSK).
Figura 2. Diagrama a bloques del sistema IDR
Como ya se tiene en claro en que consiste este servicio, no es nada del otro mundo hablar de ancho de banda ya que es una relación directa con la velocidad, en el caso de INTELSAT la capacidad del transponder para el servicio IDR es de 24 y 77 Mb/s para el satélite Intelsat V/V-A con un ancho de banda de 72 MHz. La velocidad de transmisión se incrementa por encima de 2 Mb/s debido a un encabezado de trama. Un nuevo incremento se obtiene debido a la codificación FEC y se reduce debido a la modulación QPSK. El espacio ocupado en un transponder digital es múltiplo entero de 22,5 kHz . El valor admitido es 0,7 de la velocidad de transmisión. Como ya se ha estado viendo el FEC es de suma importancia dentro del sistema ya que además de corregir errores simples con algunas mejoras puede llegar a solucionar los problemas de ráfaga de errores, la teoría de ese tipo de corrector de errores es bastante amplia, aún más amplia que el código de hamming, CRC, chec sum, y los demás detectores y correctores de errores que se utilizan en las comunicaciones digitales, es por ello que solo se expondrán los aspectos básicos de este y no se entrara a ver la parte matemática ni nada de esto ya que el objetivo de este documento es dar una breve idea de cómo funciona este bloque de un enlace satelital. En telecomunicaciones, teoría de la información y teoría de la codificación, corrección de errores (FEC) o la codificación de canal es una técnica utilizada para el control de errores en la transmisión de datos a través de canales de comunicación poco fiables o ruidosas. La idea central es el emisor codifica su mensaje en un redundante forma mediante el uso de un código de corrección de errores (ECC). El matemático estadounidense Richard Hamming fue pionera en este campo en la década de 1940 e inventó la primera corrección de errores de código en el año 1950: el código Hamming. Estudiante de Ing. Jhon Alexander Díaz Acevedo
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La redundancia permite al receptor detectar un número limitado de errores que pueden ocurrir en cualquier parte del mensaje, y con frecuencia para corregir estos errores sin retransmisión. FEC ofrece al receptor la posibilidad de corregir los errores sin necesidad de un canal de retorno para solicitar la retransmisión de datos, pero a costa de un ancho de banda fijo, el canal de mayor interés. FEC es por lo tanto aplica en situaciones en las retransmisiones son costosos o imposibles, como cuando de difusión a varios receptores en multicast El funcionamiento de este código es muy similar a los demás y como todos necesita cierta información de redundancia para la detección y corrección del error, el sistemas utiliza un sistema muy parecido al del concepto de paridad por medio de la suma 2 a 2, como ya se tiene una base acerca de lo que es el FEC para culminar a continuación se dedicara una pequeña parte a como ha actuado este en el satélite INTELSAT. FEC es un código que ha venid evolucionando y mejorando a través del tiempo a tal punto de que existen diferentes tipos y dependiendo de estos se pueden manejar cierta cantidad de tatos una cierta velocidad y una reacción señal a ruido en INTELSAT se utilizan FEC convolucional de tasas de ½ o ¾ lo cual representa un tamaño y una frecuencia de la información, por ejemplo: En codificación FEC ¾ se requieren 683 Kb/s con una frecuencia de Nyquist de 171 kHz. Las normas IESS de Intelsat han determinado la posibilidad de mejorar la performance de BER en un enlace satelital mediante la adición de un corrector FEC a bloques adicional al FEC convolucional de tasa 1/2 o 3/4. Se dispone de un codificador FEC del tipo RS distinto para velocidades de Nx64 kb/s y de 2048 kb/s. Las características de ambos son las siguientes: FEC Reed-Solomon
Tabla 1. Consecuencias del uso de FEC en el formato de trama
El FEC convolucional permite la corrección de errores aislados en el tiempo. En cambio el FEC RS actúa sobre ráfagas de errores, lo cual complementa sus actividades. El uso de un interleaver incrementa en forma adicional las prestaciones. Por ultimo a continuación se citara un ejemplo de INTELSAT en donde están presentes todos los aspectos que se han venido viendo durante todo el documento, sin embargo es un ejemplo más que todo teórico que ayuda a dar una visión de que tan importantes son los temas tratados dentro de un enlace satelital y cabe resaltar que muchas veces las relaciones señal a ruido se toman teniendo en cuenta las interferencias es por ello que muchas de las bibliografías difieren en conceptos, sin embargo es los mismo y en el documento se ha intentado dar un enfoque general y hacer que todos los aspectos encajen de tal forma que no hallan confusiones. Ejemplo (ver tabla 2). Un sistema de 2 Mb/s (30 canales de 64 Kb/s) puede reducirse a 512 Kb/s (8 canales de 64 Kb/s) mediante ADPCM. En codificación FEC 3/4 se requieren 683 Kb/s con una frecuencia de Nyquist de 171 kHz luego de la modulación 4PSK. La banda requerida es de 341
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kHz correspondiente a 15 unidades de 22,5 kHz. Una estación del tipo transportable IDR/IBS requiere (la banda C requiere mayor potencia y diámetro de antena que la banda Ku debido al incremento de la ganancia de la antena con la frecuencia).
Tabla 2. Ancho de banda y C/N para una BER= 10
-7
BIBLIOGRAFÍA
[1] Juan Carlos Gómez Paredes, Sistemas De Telecomunicaciones Planeación Y Cálculo De Enlaces, sección 2 enlaces satelitales, cap. 6-7, Bogotá – Colombia, 2005, 395 p. [2] J.A Bava, A.J sanz, Microondas y recepción satelital, cap. 5, 5-9, Buenos Aires – Argentina, 1999, 212 p. [3] FIEC-ESPOL, RUIDO EN SISTEMAS DE COMUNICACIÓN, 07/06/09, disponible en la página de internet: http://www.slideshare.net/gbermeo/ruido-en-sistemas-de-comunicaciones-presentation
[4] documento PDF, cap. 2, Interferencia Intersímbolo, disponible en la página de internet: http://dspace.epn.edu.ec/bitstream/15000/8676/2/T10109CAP2.pdf
[5] Manual 1609, SISTEMAS SATELITALES: IDR-IBS Referido al funcionamiento de los sistemas fijos IDR, IBS y TDMA. Sobre las normas, codificación, tramas y el funcionamiento de los mismos, disponible en lecturas scribd (http://es.scribd.com/ ) [6] System Designing of 100 Gbps Ethernet Controller for Copper Medium, Forward error correction, disponible en la página de internet: http://fypethernetlancard.wordpress.com/2011/10/23/forward-error-correction/
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