Libro Comunicaciones XXI Club92

Las Comunicaciones del Siglo XXI

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Del Editor al Lector El mundo de las comunicaciones se actualiza día a día. La electrónica es “siempre la misma” y lo que va evolucionando es la tecnología que permite no sólo minimizar el tamaño de los dispositivos sino que también es posible tener medios de almacenamiento impensados y procesos que se ejecutan a velocidades extraordinarias. Justamente este avance tecnológico es el que hace posible que hoy pensemos en comunicaciones móviles que resulten económicas a través del protocolo IP. No sólo la televisión digital de alta definición se puede transmitir por RF utilizando el espectro hoy reservado para la telefonía celular sino que también es posible el tráfico de datos a alta velocidad y hasta “gratis” utilizando redes de un entorno denominado UMA. Y si quiere ver diferentes canales de televisión sin tener que estar atado a un pro veedor, y mientras se amplía la oferta de TV digital terrestre, la alternativa es montar un sistema de recepción de TV satelital aprovechando sus conocimientos técnicos, dado que hay cientos de canales disponibles en diferentes satélites que hacen huella en América Latina. Otro ejemplo de comunicaciones móviles de alta velocidad v elocidad es la que permite localizar un vehículo, un objeto en movimiento o una persona. Es sabido que en un futuro pró ximo, todos los automóviles deberán fabricarse conteniendo conteni endo un rastreador por GPS, de modo de aumentar la seguridad no sólo del auto sino también de sus propietarios. Tampoco podemos dejar de considerar a los medios de transporte de información de alta velocidad, más seguros que el aire, y aquí deben considerarse a las fibras ópticas por lo cual su estudio adquiere vital importancia para entender cómo son las comunicaciones del siglo XXI. Este prólogo creo que es más que elocuente elocu ente a la hora de señalar la importancia que adquiere el conocimiento sobre la forma en que se llevan a cabo las comunicaciones en la actualidad y por ello el contenido de esta obra adquiere una relevante importancia, sobre todo para quienes deseen estar e star al tanto de las tecnologías actuales y las futuras inmediatas. ¡Hasta el mes próximo!

SOBRE

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“Comunicaciones Móviles” y el Ud. podrá descargar de nuestra web el CD: “Comunicaciones VCD “Instalación de Sistemas de Recepción de Tv Satelital” que contienen Cursos, Videos, Tutoriales, Proyectos, etc. Todos los CDs son productos multimedia completos con un costo de mercado equivalente a 8 dólares americanos cada uno y Ud. los puede descargar GRATIS con su número de serie por ser comprador de este libro. www.webelectroPara realizar la descarga deberá ingresar a nuestra web: www.webelectronica.com.mx , tendrá que hacer clic en el ícono password e ingresar la clave “COMUNICACLUB92”. Tenga este texto cerca suyo ya que se le hará una pregunta aleatoria sobre el contenido para que pueda iniciar la descarga. descarga .

3G, 4G, W I M AX , UMA, F IBRAS Ó PTICAS , GPS, T V V S ATELIT ATELITAL AL

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LAS COMUNICACIONES

SIGLO XXI

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SUMARIO El Receptor Receptor GPS GPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39 .39 C APÍTULO 1 GPS Diferencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40 COMUNICACIONES MÓVILES: Posicionamiento Alternativos . . . . .41 3G, 4G, W IM AX , LTE, UMA . . . . . . . . . . . .3 Otros Sistemas de Posicionamiento Receptores GPS para Computadora Computadora . . . . . . . .42 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 CHIPs Receptores Telefonía Celular 3G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4 Estandari Estandarizaci zación ón de la RED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6 C APÍTULO 3: Evolució Evoluciónn del 3G (pre-4G) (pre-4G) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6 FIBRAS ÓPTICAS: C ÓMO FUNCIONAN , E NTAJAS AJAS Y A PLICACIONES . . . . . . . . . . . . . .45 A PLICACIONES Ventajas Ventajas de 3G (UMTS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7 V ENT Desventajas de 3G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46 Cómo Llegamos al 4G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9 Qué es Fibra Óptica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46 Funcionamiento de una Fibra Fibra Óptica . . . . . . . . . . . .48 La Telefonía Telefonía Celular 4G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11 Funcionamiento Funciona un Sistema con Fibra Fibra Óptica? . . . .50 WiMax como Tecnología Tecnología para Telefonía Telefonía Celular 4G .15 ¿Cómo Funciona ón de la Fibra Óptica . . . . . . . . . . . . . . . . . .51 Qué es WiMAX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16 Fabricación ¿Cómo funciona WiMAX? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17 Tipos de Fibra Óptica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .53 Características Características de WiMax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18 Cables de Fibra Óptica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56 Características de las Fibras Ópticas . . . . . . . . . . . . .57 Wifi Frente a WiMax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19 Características Características Técnicas de las Fibras Ópticas . . . . . .58 Aplicaciones Aplicaciones Wimax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19 Características Ventajas de la Fibra Óptica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .59 Estandarización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20 Ventajas Desventajas jas de la Fibra Fibra Óptica Óptica . . . . . . . . . . . . . . . . .60 IEEE 802.16-2 802.16-2004 004 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21 .21 Desventa Usados en Sistemas con Fibras Ópticas Ópticas .60 IEEE 802.16E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21 Conectores Usados UMA: Red de RF de Uso Libre Libre Sin Licencia . . . . . . . . .21 ¿Cómo Funciona la Tecnología Tecnología UMA? . . . . . . . . . . . .23 C APÍTULO 4: ISTEMA MASS DE RECEP ECEPCI CIÓN ÓN DE TV S ATELITAL ATELITAL . . . .63 La Arquitectura Arquitectura UMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24 SISTE Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63 Servicios de Comunicaciones Comunicaciones Espaciales Espaciales . . . . . . . . .64 C APÍTULO 2: SÍ FUNCI UNCION ONA A EL GPS . . . . . . . . . . . . . . . .27 Descripción General del Sistema de Comunicaciones A SÍ Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28 Vía Satélite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66 ite) . . . . . . . . . . . . . . . . . .67 Latitud y Longitud Longitud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29 DBS (Direct Broadcast Satellite) los Satélites en Canales Canales de TV Digitales Digitales . . .68 Cómo Saber Dónde Estamos Situados . . . . . . . . . . . .31 Capacidad de los Sintonizar . . . . . . . . . .68 Sistemas de Posicionamien Posicionamiento to Anteriores al GPS . . . . .31 Qué Canales de TV se Pueden Sintonizar Localización de un Punto por el Método de Triangulación .33 Elementos Necesarios para Recepción de TV Vía Satélite . . . .69 Parabólica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70 Antecedentes del GPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34 La Antena Parabólica Composición del Sistema GPS . . . . . . . . . . . . . . . . . .35 El LNB Universal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72 Cable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73 Tipos de Receptores GPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36 El Cable Control Terrestre Terrestre de los Satélites . . . . . . . . . . . . . . . . .36 El Receptor de Satélite o STB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73 Parabólica . . . . . . . . . . . . . . . .74 Principio Principio de Funcionamiento del GPS . . . . . . . . . . . . .36 Montaje de la Antena Parabólica Cálculo de la Distancia Entre el Receptor y los Satélites . . . . . . . . 37 3. 7 Ajuste y Calibración de la Antena . . . . . . . . . . . . . . .75 Cómo Ubica ca la Posici Posición ón el Receptor Receptor GPS GPS . . . . . . . . .38 Cómo Ver Ver Más de 150 Canales Canales de TV . . . . . . . . . . .78

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C OLECCIÓN S ABER E LECTRÓNICA OLECCIÓN : C LUB S

APÍTULO O1 C APÍTUL

COMUNICACIONES M ÓVILES ÓVILES: 3G, 4G, WiMax, LTE, UMA Es sabido que las la s comunicaciones c omunicaciones inalámbricas en el futuro inmediato serán las que predomip redominen. Desde las comunicaciones hogareñas para establecer redes por medio de modems Wi-Fi hasta el control de dispositivos por medio de señales de RF que conviven con los controles a través de los cables de red eléctrica en aplicaciones de domótica, parece ser que hoy ya nada se comunica por medio de cables físicos. Hasta los teléfonos celulares hoy incluyen la tecnología tecnologí a UMA que detecta si hay ha y disponible disp onible una red IP (WiFi, Bluetooth, WiMax,…) y en caso afirmativo encamina por ella automáticamente las lla madas, reduciendo el importe de d e la misma. En caso ca so negativo nega tivo sigue s igue usando us ando la red móvil habitual. hab itual. Proporciona acceso a redes GSM y GPRS para servicios de móviles a través de tecnologías de espectro sin licencia, incluyendo Bluetooth y 802.11. En este capítulo veremos cuáles son las tecnologías que conviven actualmente para establecer comunicaciones inalámbricas y cuál es la tendencia para las próximas generaciones de las comunicaciones móviles.

INTRODUCCIÓN Los teléfonos celulares han tenido diferentes versiones, evoluciones o generaciones en cuanto a conexiones vía radio (wireless) con las estaciones base cuyas antenas podemos ver en cualquier parte. La primera generación, 1G (que solamente permitía la comunicación telefónica o voz), utilizaba cone-


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xiones analógicas y tenía graves problemas de seguridad puesto que el mismo número podía estar en dos móviles distintos. Los móviles 2G (segunda tecnología que ya permitió el envío de datos a través de mensajes de texto) aceleró el cambio de tecnología analógica a digi tal, codifican y comprimen la señal pudiendo abarcar más llamadas. La evolución a 2,5G o GPRS incluye varios protocolos o estándares de transmisión de datos. Entre ellos el usado por los países europeos y americanos: el GSM. Y por fin la tecnología 3G ó UMTS (que permite el envío de datos a mayor velocidad con lo cual se permite la transmisión de voz, de mensajes de texto y de video) que utiliza la infraestructura del GSM pero posee un ancho de banda mayor para poder enviar y recibir tanto señales de voz como de datos a una velocidad de hasta 10Mb por segundo aunque en la práctica las redes comerciales no superan los 3.5Mb. La tecnología 3G se transformó en una señal de cobertura, calidad de sonido y recepción mucho mejor que el convencional GPRS. De ahí que los proveedores de teléfonos móviles ofrecen nuevos servicios implementados en esta tecnología, tales como videollamadas, descarga de archivos, conexión a Internet, etc. aunque el precio del uso del 3G todavía es relativamente caro comparando con la descarga de datos desde Internet por red fija. Ahora bien, cuando se produzca el apagón analógico, la banda o espectro del UHF se usará para desplegar la tecnología 4G (que seguramente desembocará en WiMax) por lo cual ya se conocen muchos aspectos de esta nueva tecnología. La tecnología 3G nos ofrece ofr ece una cobertura de datos para el móvil que intenta sustituir las conexiones de banda ancha fijas en donde no podamos optar a ellas, sin embargo, la velocidad de la conexión móvil con 3G es 30 veces inferior al WiMax. En este manual explicaremos diferentes aspectos de estas tecnologías y también hablaremos de los actuales sistemas operativos de los celulares 3G y “de los que se vienen”.

TELEFONÍA C CELULAR 3G Para comenzar, en la figura 1 tenemos una tabla que representa la evolución de las tecnologías de radio para telefonía celular. 3G (o 3-G) es la abreviación de tercera-generación de transmisión de voz y datos a través de telefonía móvil. La definición técnicamente correcta es UMTS (Universal Mobile Telecommunications

Service: Servicio Universal de Telecomunicaciones Móviles). Las redes 2G se construyeron principalmente para datos de voz y transmisiones lentas. Dados los cambios rápidos en las expectati vas de los usuarios, no cumplen las necesidades inalámbricas de la actualidad. La evolución del 2G al 3G puede subdividirse en las siguientes fases: 4

Figura 1


C OMUNICACIONES M ÓVILES M Ó VILES : 3G, 4G, W I AX A X , LTE, UMA De 2G a 2.5G De 2.5G a 2.75G De 2.75G a 3G

El primer gran paso en la evolución al 2G ocurrió con la entrada del Servicio General de Paquetes vía Radio (GPRS - General Packet RadioService). Los servicios de los móviles relacionados con el GPRS se con virtieron en 2.5G. El GPRS podía dar velocidad de datos desde 56 kbit/s hasta 114 kbit/s. Puede usarse para servicios como el acceso al protocolo de aplicaciones inalámbricas (WAP - Wireless Application Protocol), servicio de mensajes cortos (SMS - Short Messaging Service), Ser vice), sistema de mensajería multimedia (MMS - Multimedia Messaging Service), y para servicios de comunicación por Internet como el email y el acceso a la web. La transmisión de datos GPRS es normalmente cobrada por cada megabyte transferido, mientras que la comunicación de datos vía conmutación de circuitos tradicional es facturada por minuto de tiempo de conexión, independientemente de si el usuario está realmente usando la capacidad o si está parado. El GPRS es una gran opción para el servicio de intercambio de paquetes, al contrario que el intercambio de circuitos, donde una cierta calidad de servicio (QoS) está garantizada durante la conexión para los no usuarios de móvil. Proporciona cierta velocidad en la transferencia de datos, mediante el uso de canales no usados del acceso múltiple por división de tiempo (TDMA). Al principio se pensó en extender el GPRS para que diera cobertura a otros estándares, pero en vez de eso esas redes están convirtiéndose para usar el estándar GSM, de manera que el GSM es el único tipo de red en la que se usa GPRS. El GPRS está integrado en el lanzamiento GSM 97 y en nuevos lanzamientos. Originariamente fue estandarizado por el Instituto Europeo de Normas de Telecomunicaciones (ETSI), pero ahora lo está por el 3GPP que es el acrónimo (en inglés) de "3rd Generation Partnership Project”. Esta organización realiza la supervisión del proceso de elaboración de estándares relacionados con 3G. Los servicios asociados con la tercera generación proporcionan la posibilidad de transferir tanto voz y datos (una llamada telefónica o una videollamada) y datos “no-voz” (descarga de programas, intercambio de email, transmisión de aplicaciones y mensajería instantánea). Aunque esta tecnología estaba orientada a la telefonía móvil, desde hace unos años las operadoras de telefonía móvil ofrecen ser vicios exclusivos de conexión a Internet mediante módem USB, sin necesidad de adquirir un teléfono móvil, por lo que cualquier computadora puede disponer de acceso Figura 2 a Internet empleando la red de telefonía celular 3G. Existen algunas netbooks que incorporan el módem integrado en el propio equipo, pero requieren de una tar jeta SIM (la que llevan los teléfonos móviles) para su uso, por lo que en este caso sí es necesario estar dado de alta con un número de teléfono. En la figura 2 podemos observar los servicios disponibles en esta tecnología.


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Lo que iba a ser una revolución en las comunicaciones en telefonía celular en el año 2000 (nos referimos a UMTS) cuyo despliegue era cuestión casi de meses se convirtió en un tortuoso y largo trayecto de varios años. Uno de los motivos fue el precio que debieron pagar los operadores para adquirir las l as licencias de transmisión. Además el espectro de frecuencias era diferente al que utilizaban las tecnologías anteriores 2G y utiliza una nueva forma de transmisión de datos, por lo que era una tecnología n ueva sin apenas base tecnológica en cuanto a equipos de transmisión o los propios teléfonos móviles, que eran incompatibles. Por lo que más que adaptar la tecnología actual hubo que crear toda la infraestructura de comunicaciones para la plataforma UMTS/3G. El primer país en implementar una red comercial 3G a gran escala fue Japón. En la actualidad, existen más de 160 redes comerciales en 77 países usando la tecnología WCDMA para telefonía celular 3G. En términos técnicos, 3G es un término genérico que cubre una gama de estándares de redes y tecnologías inalámbricas que incluyen: CDMA - Wideband Code Division Multiple Access. CDMA2000 - Code Division Multiple Access 2000. UMTS - Universal Mobile Telecommunications System. EDGE - Enhanced Data for Global Evolution. HSPA - High Speed Packet Access, que incluye HSDP A y HSUPA.

ESTANDARIZACIÓN DE LA RED RED La Unión Internacional de Telecomunicaciones (ITU) definió las demandas de redes 3G con el estándar IMT-2000. Una organización llamada 3ª Generation Partnership Project (3GPP) ha continuado ese trabajo mediante la definición de un sistema móvil que cumple con dicho estándar. Este sistema se llama Universal Mobile Telecommunications System (UMTS). A diferencia de GSM, UMTS se basa en servicios por capas, figura 3. En la cima está la capa de ser vicios, que provee un despliegue de servicios rápido y una localización centralizada. En el medio está la capa de control, que ayuda a mejorar procedimientos y permite que la capacidad de la red sea dinámica. En la parte baja está la capa de conectividad donde cualquier tecnología de transmisión puede usarse y el tráfico de voz podrá transmitirse mediante ATM/AAL2 o Figura 3 IP/RTP.

E VOLUCIÓN DEL 3G (PRE-4G) La estandarización de la evolución del 3G está funcionando tanto en 3GPP como 3GPP2. Las especificaciones correspondientes a las evoluciones del 3GPP y 3GPP2 se llaman LTE y UMB, res6


C OMUNICACIONES M ÓVILES M Ó VILES : 3G, 4G, W I AX A X , LTE, UMA pectivamente. Desarrollo en UMB ha sido cancelado por Qualcom. La evolución del 3G usa en parte tecnologías más allá del 3G para aumentar el rendimiento y para conseguir una migración sin problemas. Hay varios caminos para pasar de 2G a 3G. En Europa el camino principal comenzó en GSM cuando se añadió GPRS a un Figura 4 sistema. De ahí en adelante fue posible ir a un sistema UMTS. En Norteamérica la evolución de sistema comenzó desde el Time D ivision Multiple Access (TDMA), cambió a Enhanced Data Rates for GSM Evolution (EDGE) y después a UMTS. En Japón, se utilizan dos estándares 3G: W-CDMA usado por NTT DoCoMo (FOMA, compatible con UMTS) y SoftBank Mobile (UMTS), y CDMA2000, usados por KDDI. La transición por razones de mercado al 3G se completó en Japón durante el 2006 y hoy, casi 5 años después, conviven varias tecnologías. La primera introducción de la tecnología 3G en el Caribe se hizo por América Móvil hace más de dos años. La fase de implementación de esta red fue llevada a cabo por Huawei en conjunto con otras subcontratadas como TSF de Canadá. Hoy en día no existen prestadores que no ofrezcan a sus cliente móviles con cobertura 3G (figura 4). Aunque el 3G fue introducido con éxito a los usuarios de todo el mundo, hay algunas cuestiones debatidas por proveedores de 3G y usuarios:

V ENTAJAS ENTAJAS DE 3G (UMTS) 1) El protocolo IP está basado en paquetes, pues solo se paga en función de la descarga lo que supone, relativamente, un menor costo. Aunque dependiendo del tipo de usuario, también se podría calificar como desventaja. 2) Velocida 2) Velocidadd de transmisión alta. Fruto de la evolución de la tecnología, hoy en día se pueden alcanzar velocidades superiores a los 3 Mbit/s por usuario móvil. 3) Más velocidad de acceso. 4) UMTS, sumado al soporte de protocolo de Internet (IP), se combinan para prestar servicios multimedia y nuevas aplicaciones de banda ancha, tales como servicios de video-telefonía y video-conferencia. 5) Transmisión de voz con calidad equiparable a la de las redes fijas.


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Todas estas ventajas hacen que esta tecnología sea ideal para prestar diversos servicios multimedia móviles, tal como describiremos en este capítulo.

DESVENTAJAS DE 3G 1) Cobertura limitada. Dependiendo de la localización, la velocidad de transferencia puede disminuir drásticamente (o incluso carecer totalmente de cobertura). 2) Disminución de la velocidad si el dispositivo desde el que nos conectamos está en movimiento (por ejemplo si vamos circulando en automóvil). 3) No orientado a conexión. Cada uno de los paquetes pueden seguir rutas distintas entre el origen y el destino, por lo que pueden llegar desordenados o duplicados. Sin embargo el hecho de no ser orientado a conexión tiene la ventaja de que no se satura la red. Además para elegir la ruta existen algoritmos que "escogen" qué ruta es mejor, estos algoritmos se basan en la calidad del canal, en la velocidad del mismo y, en algunos, oportunidad hasta en 4 factores (todos ellos configurables) para que un paquete "escoja" una ruta. 4) Elevada Latencia respecto a la que se obtiene normalmente con servicios ADSL. La latencia puede ser determinante para el correcto funcionamiento de algunas aplicaciones del tipo cliente-servidor como los juegos en línea.

Figura 5

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C OMUNICACIONES M ÓVILES M Ó VILES : 3G, 4G, W I AX A X , LTE, UMA CÓMO LLEGAMOS AL 4G “WiMax II (Worldwide Interoperability for Microwave Access) y LTE (Long Term Evolution) se encaminan a ser los formatos dominantes en la puja que dará la base inicial a esta incipiente generación tecnológica en telecomunicaciones: 4G (fourth generation), figura 5. Pero el gran desafío sigue siendo los márgenes de velocidad en escenarios de alta y baja movilidad. El mercado siempre deseará ir más allá, motivo por el cual las empresas estarán siempre presionadas a Figura 6 brindar soluciones y evolucionar hacia un mayor caudal de datos. Avances y retrocesos en la búsqueda del estándar”. 4G (también conocida como 4-G, figura 6) son las siglas de la cuarta generación de tecnologías de telefonía móvil. Cuando Hablamos de 4G estamos hablando de un mundo interconectado, hablamos de una red basada totalmente en IP (IPv6, figura 7) siendo un sistema de sistemas y una red de redes, alcanzándose después de la convergencia entre las redes de cables e inalámbricas así como en ordenadores, dispositivos eléctricos y en tecnologías de la información así como con otras convergencias para proveer velocidades de acceso entre 100 Mbps en movimiento y 1 Gbps en reposo, manteniendo una calidad de servicio (QoS) de punta a punta (end-to-end) de alta seguridad para permitir ofrecer servicios de cualquier clase en cualquier momento, en cualquier lugar, con el mínimo costo posible. El WWRF (Wireless World Research Forum) define 4G como una red que funcione en la tecnología de Internet, combinándola con otros Figura 7 usos y tecnologías tales como Wi-Fi y WiMAX. La 4G no es una tecnología o estándar definido, sino una colección de tecnologías y protocolos para permitir el máximo rendimiento de procesamiento con la red inalámbrica más barata. El IEEE aún no se ha pronunciado designando a la 4G como “más allá de la 3G”. En Noruega y Japón ya se está experimentando con las tecnologías de cuarta generación, estando TeliaSonera en el país escandinavo y NTT DoCoMo en el asiático, a la vanguardia. Esta última realizó las primeras pruebas con un éxito rotundo (alcanzó 100 Mbps en un vehículo a 200 km/h) y espera poder lanzar comercialmente los primeros servicios de 4G en los próximos meses. El concepto de 4G englobado dentro de 'Beyond 3-G', incluye técnicas de avanzado rendimiento radio como MIMO y OFDM. Dos de los términos que definen la evolución de 3G, siguiendo la estandarización del 3GPP, probablemente serán LTE ('Long Term Evolution') para el acceso radio, y SAE ('Service Architecture Evolution') para la parte núcleo de la red. Como características principales tenemos: Para el acceso radio abandona abandona el acceso tipo CDMA característico de UMTS. Uso de SDR (Sof tware tware Defined Radios) para optimizar el acceso radio.


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Las tasas de pico máximas previstas son de 100 Mbps en enlace descendente y 50 Mbps en enlace ascendente (con un ancho de banda en ambos sentidos de 20MHz). La red completa está desarrollada toda por IP.

Figura 8

Los nodos principales dentro de esta implementación son el 'Evolved Node B' (BTS evolucionada), y el 'System Access Gateway', que actuará también como interfaz a internet, conectado directamente al Evolved Node B. El servidor RRM será otro componente, utilizado para facilitar la inter-operabilidad con otras tecnologías. Tanto WiMax como LTE son tecnologías rivales en el mercado de cuarta generación de redes móviles, o 4G,Para tratar de entender un poquito más del tema, en la figura 8 hay una línea del tiempo que muestra la evolución de la telefonía en materia de comunicaciones móviles asociadas a la telefonía celular desde 1G hacia 4G, las cuales hacen referencia a distintas generaciones(G) de telefonía celular. En la figura 9 podemos apreciar la evolución de sistemas para la empresa AT&T en la que se pueden apreciar las distintas tecnologías empleadas hasta llegar al camino que desemboca en 4G. Como se puede deducir, 4G, así como 3G y anteriores es el nombre que agrupa a las tecnologías usadas en telefonía celular para Figura 9 que un celular pueda establecer una llamada con otro celular, en medio de esto hay todo un proceso de que la voz convertida en señal digital pase por distintos puntos hasta finalmente llegar a su destino. Las tecnologías utilizadas en 3G son por ejemplo UMTS/HSDPA y CDMA2000. La tecnología que será usada para 4G es llamada LTE, siglas de Long Terminal Evolution. Las autoridades de comunicaciones de cada país están atentas a los servicios de, en este caso, telefonía celular que el operador demanda. Es aquí donde las empresas operadoras 10


C OMUNICACIONES M ÓVILES M Ó VILES : 3G, 4G, W I AX A X , LTE, UMA entran a tallar, puesto que son las que pagan al estado para poder usar bandas y poder operar a frecuencias ya establecidas, en otras palabras, las bandas por las cuales pagan grandes sumas de dinero son las que permiten que el celular que uno usa de Claro se comunique con otro, a pesar de que no hay ningún Figura 10 cable conectado al celular. Actualmente, la empresa operadora operadora es libre de elegir la tecnología con la que desea trabajar, trabajar, ya sea UMTS, CDMA, etc. aunque es bien sabido que prácticamente todo el planeta ya posee comunicaciones 3G y varios países (entre ellos también de América Latina) están experimentando con redes más veloces que mal denominan 4G, tal como explicaremos más adelante. Una vez que la empresa operadora toma la decisión de qué tecnología usar, es donde entra a tallar las empresas proveedoras, pues pasan por un proceso de selección que involucra pruebas de equipos para determinar cuál será la encargada de hacer el despliegue de la red: troncales, núcleos y estaciones base. A los fines f ines prácticos, en la figura f igura 10 mostramos las bandas empleadas por diferentes operadores en Perú (tomamos este país porque debemos elegir uno de América Latina, que es donde se distribuye Saber Electrónica, por razones de espacio no podemos colocar más ejemplos). El cuadro de la figura 10, tomado de la exposición de Luis Barrera llamada UMTS Overview, en el marco de las exposiciones del Primer Congreso Nacional de Telecomunicaciones, muestra las bandas asignadas a cada empresa operadora en Perú en el año 2008. Por ejemplo en la frecuencia de 850MHz se tiene la banda A para Telefónica y la banda B para América Móvil. En la frecuencia de 1900MHz es donde se puede apreciar la ya mencionada presencia de Nextel para el mercado masivo peruano en la banda D y E.

L A T TELEFONÍA C CELULAR 4G La Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) está trabajando hace un par de años en un estándar de celulares 4G que se publicará en breve. La nueva tecnología permitirá voz, datos y streaming multimedia a velocidades muy superiores a las actuales. La base de esta cuarta generación se concentra en lograr velocidades de red no menores a 100 Mb/s en condiciones de alta movilidad, y velocidades del orden de 1Gb/s en un escenario estático o fijo. UIT-R (Sector de Radiocomunicaciones) estima que se requerirá de tecnología muy avanzada para brindar un soporte seguro a los sistemas de redes de datos de al menos 100Mb/s, y que además será necesario el uso de OFDMA (Orthogonal Frecuency Division Multiple Access), una versión multiusuario de OFDM. Mientras que las actuales familias 3G, incluyendo WCDMA, HSDPA, CDMA2000, y EVDO, fueron


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Figura 11 diseñadas para la optimización de las comunicaciones de voz, todas las tecnologías 4G deberán basarse en la optimización del envío de paquetes de datos. En la actualidad, hay tres candidatos a ser futuros estándares 4G (si bien hay otros proyectos que pueden sumarse hasta que finalmente la UIT apruebe el estándar). Los candidatos son: LTE (Long Term Evolution), UMB (Ultramobile de banda ancha), y WiMAX II (Worldwide Interoperability for Microwave Access), una evolución a partir del estándar IEEE 802.11 WLAN (Wireless Local Area Network). Vea la figura 11. LTE fue desarrollado por el grupo 3GPP, 3GPP, mientras que el sistema UMB es propuesto por la alianza 3GPP2, en tanto que WiMAX II viene de la mano de WiMAX Forum. Todas las transmisiones usan OFDMA, método con el cual se consigue el acceso múltiple dividiendo el canal en un conjunto de subportadoras que se reparten en grupos en función de la necesidad de cada uno de los usuarios. Para conseguir una mayor eficiencia, el sistema se realimenta con las condiciones del canal, adaptando continuamente el número de subportadoras asignadas al usuario en función de la velocidad que éste necesita y de las condiciones del canal. Los problemas que deberán afrontar los ingenieros de diseño son incontables. Entre los primeros que podemos mencionar se encuentra el ancho de banda del canal que deberá utilizar el sistema (100MHz.). Dado que el espectro radioeléctrico ya está muy saturado, deberán optar por las bandas de UHF de 700MHz. que vayan dejando libres los canales de TV tras el apagón analógico, o deberán desplazar el ámbito de trabajo a porciones más despejadas y menos propensas a interferencias, como puede ser la banda de 3.2GHz. La utilización de cualquiera de las dos bandas trae ventajas pero también inconvenientes. Utilizar una banda de frecuencias bajas significaría una antena de dimensiones importantes para lo que es el tamaño de un teléfono móvil, por lo que si se piensa en este aspecto, conviene utilizar 3.2GHz. Sin embargo, sería necesaria una mayor emisión de potencia de transmisión ya que 3.2GHz es una frecuencia muy alta y tiende a ser bloqueada muy fácilmente por los elementos sólidos. Esta desventaja redundaría en un mayor consumo de baterías y en consecuencias aún desconocidas para la salud de los usuarios por la utilización de potencias elevadas en esa gama de frecuencias (microondas). También se está hablando del reemplazo de las células tradicionales por Femtocélulas. En el 2009 se definió el nuevo sistema de comunicaciones de radio LTE, el denominada Release 8 del organismo de estandarización 3GPPP. Una versión de LTE más completa, la Release 9, incluye contribuciones todavía preliminares y al momento de escribir estas líneas existían varios borradores. Una de estas contribuciones se refiere a la evolución de los femtonodos, también conocidos como nodos domésticos, estaciones base en miniatura, un poco más grandes que un router WiFi, que se conectan al xDSL o fibra hasta el hogar y proporcionan cobertura radio de banda ancha 3G (hoy) y LTE (mañana). Pero en el futuro el femtonodo no se limitará a proporcionar cobertura radio celular: se prevé la incorporación de funcionalidades de pasarela residencial, de forma que el femto y la pasarela sean

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C OMUNICACIONES M ÓVILES M Ó VILES : 3G, 4G, W I AX A X , LTE, UMA un mismo equipo. Y, en consecuencia, el controlador y mando a distancia, local y remoto, de todas las redes y dispositivos del hogar pasa a ser el teléfono móvil, figura 12. Aunque en el documento en el que se define esta evolución no se indica como será soportado el tráfico IP local en definitiva, ya se menciona una posibilidad bastante natural que es que la femtocélula incorpore interfaces de radio diferentes a las propias de 3GPP, por ejemplo como llaves USB actualizables remotamente, y que sean adecuadas para su uso en un entorno doméstico. De hecho, varias empresas ya emplean esta configuración para la implementación de sus redes móviles. La combinación en un único elemento de femtonodo y pasarela residencial es un paso más en lo que se está revelando como un largo camino hacia uno de los objetivos dorados de un operador: obtener beneficio económico de nuevos servicios residenciales, más allá de la IPTV. Las barreras son altas, tanto por aspectos técnicos como de operación. La primera barrera es la de conseguir que el cliente esté dispuesto a sufragar en parte un elemento de conectividad que sea más que un router WiFi. El otro gran problema, o familia de problemas, es la gestión y conservación de la propia red de la casa. Una posible solución a este problema, que se adapta a la estructura organizativa del operador, consiste en encaminar el tráfico procedente de la red interior, comprada e instalada por el cliente a iniciativa personal suya, a una plataforma de servicios del propio operador con capacidades abiertas a terceros. En consecuencia, las femtocélulas son una filosofía aplicada al despliegue de redes inalámbricas que consiste en la instalación de cientos de puntos de accesos de baja potencia conectados medianFigura 12

Figura 13


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te líneas de cobre. De esta forma se elimina la necesidad de un enlace de microondas y se ofrece un servicio de alta calidad a los usuarios sin utilizar las estaciones base (empleadas con anterioridad) de mayor potencia e impacto visual. La tecnología Femtocell soportará indistintamente el despliegue de GSM (telefonía móvil digital), UMTS, Wimax, Wifi y cualquier tecnología inalámbrica con o sin licencia. En la figura 13 podemos observar un ejemplo de acción de una Femtocélula. El desarrollo exitoso de esta tecnología es la apuesta de todos lo operadores móviles móviles del mundo para dar servicios a sus usuarios. Se estima que en la actualidad el 90% de la cobertura urbana de alta velocidad (gran ancho de banda) está soportada por la tecnología Femtocell. Además, la calidad de la cobertura y capacidad de las redes de los operadores inalámbricos mejora de forma sustancial para poder absorber la prestación de nuevos servicios y los usuarios de banda ancha. Por otro lado, los operadores actuales de telefonía móvil deben aportar compatibilidad con los sistemas tradicionales en uso, es decir, tienen que simplificar las arquitecturas constructivas y unificarse en el camino del consenso de diseño, ya que un teléfono 4G debe poder funcionar en Europa o en América dentro de redes GSM, pudiendo activar las bandas que estén disponibles en el país en que se quiera utilizar. Los clientes no admiten fisuras en la transición de estos servicios y menos aún en una tecnología que al momento de desembarcar en el mercado no será precisamente de las más económicas. Además, los fabricantes de instrumentos de medición buscan conocer cuáles serán las especificaciones que tendrá el futuro estándar. Estos parámetros son imprescindibles para poder desarrollar los instrumentos que utilizan los fabricantes de los teléfonos actuales y más aún los del próximo decenio. Los desarrolladores de instrumentos se basan en emuladores que imit an el comportamiento del otro extremo de la red, pero al no tener una definición planteada, las incógnitas superan a las certezas. La introducción a la 4G no significa que todas las tecnologías 3G de repente desaparecerán de la noche a la mañana. De hecho, hoy muchas empresas ofrecen teléfonos 4G y varios operadores dicen trabajar con redes 4G, sin embargo, aún no hay nada normalizado en forma masiva. Cualquier nuevo diseño tendrá que trabajar de forma Figura 14 integrada con la infraestructura existente, hasta que en algún momento, en un futuro lejano, cuando todo esté alineado con las normas de 4G, la 3G pase al recuerdo. En ese momento, el estado de la técnica será probablemente 5G (quinta generación) o 6G (sexta generación), y el ciclo comenzará de nuevo. Además, Ademá s, los fabricant fabr icantes es de equipos telefónicos coinciden en que sus ingenieros habitualmente piensan en las cifras de ruido, en la duración de las 14


C OMUNICACIONES M ÓVILES M Ó VILES : 3G, 4G, W I AX A X , LTE, UMA baterías, en la sensibilidad de los receptores y en muchos otros aspectos que hacen al óptimo funcionamiento de la unidad en uso. Los rendimientos en prestaciones de velocidad no son el desvelo de los desarrolladores, quienes estiman que el acuerdo por lograr un estándar 4G se determinará tras un apretón de manos entre poderosas compañías dominantes del mercado, antes de las pertinentes y efecti vas pruebas de campo de los aparatos. En la l a figura 14 podemos apreciar un cuadro evolutivo de las distintas generaciones de telefonía celular. Esta nueva tecnología de velocidades extraordinarias (en lo que respecta al intercambio de información) acercará con mayor fuerza la Internet a la telefonía móvil y la integrará de manera incipiente a los ordenadores portátiles y a los aparatos de HDTV. Sin embargo, la realidad de la economía mundial actual, sumada a los enormes gastos en infraestructura que se deberán realizar para tal fin, da sobrados justificativos para que la transición sea mucho más lenta de lo que se espera. Observadores de la industria especulan que, en última instancia, 4G podría terminar como una combinación de diferentes enfoques. O peor aún, las distintas compañías podrían simplemente utili zar la tecnología de su elección, independientemente de la normalización, hasta que el estándar definitivo tome forma en función del dominio del mercado, en lugar de regirse por los deseos de planteos institucionales. Es decir, 4G tal vez termine siendo el resultado del éxito en el mercado de alguna poderosa compañía, en lugar de ser un estándar propuesto de antemano por la UIT, limitándose esta última a legalizar los acontecimientos una vez que hayan sucedido y nada más. Pero estas son meras especulaciones.

W IM AX COMO TECNOLOGÍA PARA T TELEFONÍA C CELULAR 4G Aunque aún es una nueva tecnología, WiMAX ha empezado a ganar popularidad y ya está disponible en muchas ciudades a lo largo de los l os Estados Unidos, Japón, Rusia, Corea y otros países poseedores de las tecnologías más modernas. Debido a que todavía es algo nuevo las personas están desinformadas sobre cómo funciona. 4G WiMAX funciona casi exactamente igual que los servicios de Wi-Fi, solo que a una escala más grande y más eficiente. Considerando que el equipo de Wi-Fi se enlaza a través de un cablemodem o un modem DSL y trabaja sólo a lo largo de una casa y/o edificio pequeño, el servicio 4G WiMAX utiliza una torre de conexión, similar a las utilizadas por las redes de celulares, para transmitir a través de toda una ciudad, figura 15. De hecho, las estadísticas demuestran que el servicio puede proveer acceso a distancias tan grandes como 70 kilómetros. Ahora, la segunda parte de la ecuación es el lado Móvil. Apenas las l as personas se acaban de acostumbrar a 3G, cuando esta nueva tecnología la hace obsoleta. A medida que más dispositivos comienzan a aparecer utilizando la cuarta generación de la tecnología de telefonía celular, las personas van a querer seguir actualizándose. Hoy en día, lo que la nueva red 4G WiMAX hace es permitir el acceso al servicio de Internet de alta velocidad desde el móvil. Desde que 4G empiece a ser usado desde desde los smart phones, pone el Internet móvil a la par de los servicios de proveedores de conexión alámbrica en velocidad y permitiendo acceso desde cualquier lugar (dentro del área de cobertura), inclusive mientras se está en movimiento. De hecho, estudios demuestran que las personas pueden mantener su conexión mientras se mueven en un automóvil. Además, con esta nueva tecnología las zonas de no cobertura que existen en algunos sectores y zonas rurales podrían desaparecer.


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Desde el WiMax Forum afirman que 802.16m es significativamente más rápido que su predecesor y que uno de sus objetivos es que la velocidad de descarga alcance los 100Mbps. En comparación la oferta WiMax que debutó comercialmente en 2008 ofrece velocidades de descarga de entre 3,7Mbps y 5Mbps. Señalar que WiMax 2, u 802.16m, es compatible con WiMax, u802.16e, que es el estándar utilizado anteriormente por los operadores. Esto significa que la actualización es relativamente económica y la discontinuidad del servicio casi no se produce.

QUÉ ES W IMAX WiMAX son las siglas de 'Worldwide Interoperability for Microwave Access', y es la marca que certifica que un producto está conforme con los estándares de acceso inalámbrico 'IEEE 802.16'. Estos estándares permiten conexiones de velocidades similares al ADSL o al cable módem, sin cables, y hasta una distancia de 50-70 km. Este estándar es compatible con otros anteriores, como Figura 15 el de Wi-Fi (IEEE 802.11). El impacto de esta nueva tecnología inalámbrica es extraordinario ya que contiene una serie de elementos que favorecen su expansión: Relativo bajo costo de implantación. implantación. Gran alcance, de hasta 70 km. V elocidades elocidades de transmisión que pueden alcanzar los 75 Mbps. No necesita visión directa. Disponible con criterios para voz como para video. Tecnología IP extremo a extremo.

Además, dependiendo del ancho de banda del canal utilizado, una estación base puede soportar miles de usuarios, netamente superior al WLAN. 16


C OMUNICACIONES M ÓVILES M Ó VILES : 3G, 4G, W I AX A X , LTE, UMA La tecnología WiMAX está llamada a ser la base de las Redes Metropolitanas de acceso a Internet, sirve de apoyo para facilitar las conexiones en zonas rurales, y se utiliza en el mundo empresarial para implementar las comunicaciones internas. Además, su popularización supondrá el despegue definitivo de otras tecnologías, como VoIP (llamadas de voz sobre el protocolo IP). WiMAX fue pensado principalmente como tecnología de “último tramo” y se puede usar para enlaces de acceso MAN o incluso WAN. WiMAX se destaca por su capacidad como tecnología portadora, sobre la que se puede transportar IP, IP, TDM, T1/E1, ATM, Frame Relay y voz, lo que la hace perfectamente adecuada para entornos de grandes redes corporativas de voz y datos así como para operadores de telecomunicaciones. En la actualidad, varios operadores europeos y americanos ya emplean esta tecnología, utilizando para ello receptores fijos.

¿CÓMO FUNCIONA W W IMAX? WiMax funcionaría funci onaría similar a WiFi pero a velocidades más altas, mayores distancias y para un mayor número de usuarios, figura 15. WiMax ya solventa la carencia de acceso de banda ancha a las áreas suburbanas y rurales que las compañías del teléfono y cable todavía no ofrecen. Un sistema de WiMax tiene dos partes: Por un lado están las torres WiMax, que dan cobertura de hasta 8.000 kilómetros cuadrados según el tipo de señal transmitida. Por otro están los receptores, es decir decir,, las tarjetas que conectamos a nuestro PC, portátil, PDA y demás para tener acceso.

Podemos encontrar dos tipos de formas de ofrecer señal: *** Cuando hay objetos que se interponen entre la antena y el receptor. En este caso se opera con bajas frecuencias (entre los 2 y los 11GHz) para así no sufrir interferencia interferenciass por la presencia de objetos. Naturalmente Naturalment e esto hace que el ancho de banda disponible sea menor. menor.

Las antenas que ofrezcan este servicio tendrán una cobertura de, al menos, 65 km cuadrados (más o menos como las de los teléfonos móviles). *** Cuando no hay nada que se interpone y hay contacto visual directo. En este caso se opera a muy altas fr ecuencias, ecuencias, del orden de 66GHz, disponiendo de un gran ancho de banda. Además, las antenas que ofrezcan este servicio alcanzan una cobertura de hasta 9.300 km cuadrados.

Los usuarios normales, son del primer tipo de servicio, el que opera a bajas frecuencias. En dicho servicio, a pesar de ser peor, se va a notar mucha diferencia con el WiFi de ahora en dos aspectos fundamentales: la velocidad sube ahora hasta los 70 Mbps y la señal llega a ser válida hasta en 70 km (con condiciones atmosféricas favorables).


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Tabla 1

C ARACTERÍSTICAS DE WIMAX En la tabla 1 podemos observar las características que ofrece la tecnología WiMAX, de ellas podemos destacar lo siguiente: 1) Anchos 1) Anchos de canal entre 1,5 y 20MHz. 2) Utiliza modulaciones OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) yOFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) con 256 y 2048 portadoras respectivamente, que permiten altas velocidades de transferencia incluso en condiciones poco favorables. Esta técnica de modulación es la que también se emplea para la TV digital, sobre cable o satélite, así como para Wi-Fi (802.11a) por lo que está suficientemente probada. 3) Incorpora soporte para tecnologías “smart antenas” antenas ” que mejoran la eficiencia y la cobertura. Estas antenas son propias de las redes celulares de 3G, mejorando la red espectral, llegando así a conseguir el doble que 802.11. 4) Incluye mecanismos de modulación adaptativa, mediante los cuales la estación base y el equipo de usuario se conectan utilizando la mejor de las modulaciones posibles, en función de las características del enlace radio. 5) Soporta varios cientos de usuarios por canal, con un gran ancho de banda y es adecuada tanto para tráfico continuo como a ráfagas, siendo independiente de protocolo; así, transporta IP, IP, Ethernet, ATM etc. y soporta múltiples servicios simultáneamente ofreciendo Calidad de Servicio (QoS) en 802.16e, por lo cual resulta adecuado para voz sobre IP (VoIP), datos y vídeo. También, se contempla la posibilidad de formar redes malladas (mesh networks) para que los distintos usuarios se puedan comunicar entres sí, sin necesidad de tener visión directa entre ellos. En la seguridad tiene medidas de autentificación de usuarios y la encriptación de datos mediante loa algoritmos triple DES y RSA.

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C OMUNICACIONES M ÓVILES M Ó VILES : 3G, 4G, W I AX A X , LTE, UMA IFI FRENTE A W IMAX W IFI W IMAX

WiMAX es al estándar 802.16 lo que Wi-Fi al 802.11.

WiMAX no ha sido diseñado para ser competidor de Wi-Fi sino más bien para complementar a Wi-Fi en aquellas carencias que éste presenta. La primera norma inalámbrica (802.11) fue desarrollada como una alternativa al cableado estructurado de redes LAN.Esta norma fue diseñada para ofrecer “conexión Ethernet “inalámbrica”. La certificación Wi-Fi fue elaborada para ofrecer una garantía de interoperabilidad entre productos 802.11 de diferentes fabricantes. Para entender mejor las aplicaciones para la cuales Wi-Fi fue diseñado, hay que imaginar una red Ethernet dentro de una oficina durante los años noventa. El requerimiento era una red dentro de una oficina. Wi-Fi fue diseñado para ambientes inalámbricos internos y las capacidades sin línea de vista (NLOS) son posibles únicamente para unos pocos metros. A pesar de este diseño y de todas las limitaciones, había muchos proveedores de Internet (ISP) que implementaban radios Wi-Fi para servicio de Última Milla. Debido al diseño de Wi-Fi, los servicios en estas redes eran bastante limitados. En los últimos años hemos visto mucho desarrollo en Wi-Fi y Ethernet para adaptarse a los cambios en las redes de datos. Esto incluye mejor seguridad (encriptación), redes virtuales (VLAN), y soporte básico para servicios de voz (QoS). En conclusión, Wi-Fi fue diseñado para redes locales (LAN) para distancias cortas dentro de una oficina.

WiMAX está basado en la norma n orma 802.16. Esta norma fue diseñada específicamente como una solución de Última Milla, y enfocada en los requerimientos para prestar ser vicio a nivel comercial. Para empezar, su diseño contempla la necesidad de varios protocolos de servicio. Una conexión WiMAX soporta servicios paquetizados como IP y voz sobre IP (VoIP), como también ser vicios conmutados (TDM), E1/T1 y voz tradicional (clase-5); también soporta interconexiones de ATM y Frame Relay. WiMAX facilita varios niveles de servicio (MIR/CIR) para poder dar diferentes velocidades de datos dependiendo del contrato con el suscriptor. Un radio WiMAX tiene la capacidad de entregar varios canales de servicio desde la misma conexión física. Esto permite que múltiples suscriptores estén conectados al mismo radio (CPE); cada uno con una conexión privada con el protocolo y nivel de servicio que éste requiera. Esta solución garantiza tener múltiples suscriptores que se encuentran en un mismo edificio (MDU). Adicionalmente a los servicios que WiMAX puede ofrecer, ofrecer, la tecnología de transmisión OFDM es una solución robusta para operar en condiciones donde no hay línea de vista (N-LOS) a distancias de varios kilómetros. Esto es un requerimiento obligatorio para un caso de negocios de servicio inalámbrico en la Última Milla. WiMAX y Wi-Fi son soluciones complementarias para dos aplicaciones bastante diferentes. diferentes. WiMAX fue diseñado para redes metropolitanas (MAN), también conocido como “Última Milla”. Wi-Fi fue diseñada para redes locales (LAN), también conocido como “Distribución en Sitio”.

A PLICACIONES PLICACIONES W IMAX IMAX Los primeras aplicaciones consisten unidades exteriores que funcionan en aplicaciones con o sin línea de vista entre equipos, ofreciendo limitados anchos de banda y sin movilidad. Se necesita instalar el equi-


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po en cada hogar para poder usar WiMax. En este primer momento se cuenta con las mismas prestaciones de un acceso básico a Internet. La segunda generación de WiMAX está pensada para interiores, con módems auto instalables similares a los módems de cable o DSL. En ese momento, las redes WiMax ofrecerán movilidad para que los clientes lleven su computadora portátil o MODEM WiMax a cualquier parte con cobertura. La seguridad y la integridad de la información que se transmite a través de las redes inalámbricas han traído bastantes críticas porque, según apuntaban algunos expertos, podía interferir en otras redes de comunicación o exponerse a robo de datos. Sin embargo, este campo ha avanzado muy rápidamente y, y, actualmente, se puede decir que las redes Wireless alcanzan unos niveles niv eles de seguridad muy similares a las de cable. En cuanto a seguridad, por el momento WiMAX incorpora 3DES (Triple Data Encription Encri ption Standard), pero se prevé que se incorpore AES (Advanced Encryption Standard) cuando comience su comercialización a gran escala.

ESTANDARIZACIÓN

Figura 16

Al igual que ha sucedido con el estándar Wi-Fi (802.11b), WiMAX, cuya versión del estándar 802.16 fue aprobada durante 2004 por el WiMAX Forum (una asociación que agrupa a más de 200 compañías del sector de la informática y las comunicaciones de todo el mundo), está revolucionando el sector de las telecomunicaciones. El proyecto general de WiMAX actualmente incluye al 802.16-2004 y al 802.16e, figura 16. El 802.16-2004 utiliza Multiplexado por División de Frecuencia de Vector Ortogonal (OFDM), para servir a múltiples usuarios en una forma de división temporal en una especie de técnica circular, pero llevada a cabo extremadamente rápido de modo que los usuarios tienen la sensación de que siempre están transmitiendo o recibiendo. 20


C OMUNICACIONES M ÓVILES M Ó VILES : 3G, 4G, W I AX A X , LTE, UMA IEEE 802.16-2004 IEEE 802.16-2004 es una tecnología de acceso inalámbrico fijo, lo que significa que está diseñada para servir como una tecnología de reemplazo del DSL inalámbrico, para competir con los proveedores de cable de banda ancha o DSL, o para proveer un acceso básico de voz y banda ancha en áreas donde no existe ninguna otra tecnología de acceso. El 802.16-2004 también es una solución viable para el backhaul inalámbrico para puntos de acceso Wi-Fi o potencialmente para redes celulares, en particular si se usa el espectro que requiere licencia. En general, el CPE (Equipo de Usuario) consiste de una unidad un idad exterior (antena, etc.) y un módem interior, lo que significa que se requiere que un técnico logre que un abonado residencial o comercial esté conectado a la red. En ciertos casos, puede usarse una unidad interior autoinstalable, en particular cuando el abonado está relativamente cerca de la estación base transmisora. Además, los CPE autoinstalables permiten que el 802.16-2004 sea económicamente más viable ya que una gran parte del costo de adquisición del cliente (instalación; CPE) se reduce en forma drástica.

IEEE 802.16E IEEE 802.16e está diseñado para ofrecer una característica clave de la que carece el 802.16-2004: portabilidad y , con el tiempo, movilidad a toda escala. Este estándar requiere una nueva solución de hardware/software ya que no es compatible con el anterior 802.16-2004, lo cual no es necesariamente algo bueno para los operadores que están planeando desplegar el .16-2004 y luego ascender al .16e. Otra importante diferencia entre los estándares .16-2004 y .16e es que el estándar .16-2004 está basado, en parte, en una serie de soluciones inalámbricas fijas comprobadas, aunque patentadas; por lo tanto, existen grandes probabilidades de que la tecnología alcance sus metas de rendimiento establecidas. El estándar .16e, por otro lado, trata de incorporar una amplia variedad de tecnologías propuestas, algunas más comprobadas que las otras. En virtud de que sólo ha habido una sola justificación modesta de características propuestas, sobre la base de datos de rendimiento, y la composición final f inal de estas tecnologías no ha sido determinada por completo, es difícil saber si una característica en particular mejorará el rendimiento. Desde una perspectiva de los tiempos, el estándar 802.16e fue programado para ser aprobado a mediados del 2005. Sin embargo, esa fecha ahora ya ha pasado y, al parecer, parecer, será aprobado más adelante este año. Varios vendedores están prometiendo pruebas de campo y de mercado a principios de 2006, es demasiado temprano para decir cuándo estará lista la tecnología para despliegues comerciales.

UMA: RED DE RF DE USO LIBRE SIN LICENCIA Siempre decimos que en torno a la telefonía celular suele haber un “halo” de misterio desde la aparición de los primeros móviles y lo adjudico al afán comercial de muchas empresas de primera línea. La primera generación de telefonía celular o tecnología 1G permitía enviar audio por un enlace telefónico móvil, la tecnología 2G permitió enviar audio (vos) y texto; la tercera generación (3G) permite la comu-


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nicación de voz, texto y datos, este último empleando un protocolo IP, pero usando el mismo espectro. La tecnología 4G debe incluir la telefonía por IP, es decir, comunicación telefónica con protocolo IP, empleando las redes de telefonía celular. Sin embargo, se está hablando mucho del tema y no debe confundirse 4G con UMA. Actualmente hay varios países haciendo pruebas en 4G pero hasta donde conozco, todavía no hay un criterio uniforme. La 4G debe estar basada completamente en el protocolo IP, IP, siendo un sistema de sistemas y una red de redes, que se alcanza gracias a la convergencia entre las redes de cables e inalámbricas. Esta tecnología podrá ser usada por modems inalámbricos, celulares inteligentes y otros dispositivos móviles. La principal diferencia con las generaciones predecesoras será la capacidad para proveer velocidades de acceso mayores de 100 Mbps en movimiento y 1 Gbps en reposo, manteniendo una calidad de servicio (QoS) de punta a punta de alta seguridad que permitirá ofrecer servicios de cualquier clase en cualquier momento, en cualquier lugar, con el mínimo coste posible. Últimamente se habla bastante de la telefonía IP con conexión inalámbrica para sustituir a la telefonía móvil. Un ejemplo es la aparición de múltiples teléfonos WiFi para Skype entre otros. Esta tecnología nos permitiría hablar a precios más económicos que la telefonía fija, a precios de llamada local como máximo, independientemente que llamemos a una u otra ciudad occidental. Quizá un poco más caro a otros países, pero siempre muy reducido. Es más, permitiría llamar a otros usuarios del mismo sistema que nosotros (por ejemplo Skype) de forma gratuita. Sin embargo a corto y medio plazo esta tecnología no puede suplantar al GSM/GPRS/UMTS de la telefonía móvil “tradicional”. Los puntos de acceso inalámbricos aún son escasos aún en las grandes ciudades. La cobertura no es significativa, por lo que siempre nos veríamos obligados a “tener dos teléfonos”. UMA (Unlicensed Mobile Acceses o acceso móvil sin licencia) es una tecnología que busca una solución híbrida. Un teléfono UMA detecta si hay disponible una red IP (WiFi, Bluetooth, WiMax,…), en caso afirmativo encamina por ella automáticamente las llamadas, reduciendo el importe de llamada. En caso negativo sigue usando la red móvil habitual. Proporciona acceso a redes GSM y GPRS para servicios de móviles a través de tecnologías de espectro sin licencia, incluyendo Bluetooth y 802.11. Las operadoras de telefonía celular no tienen ningún interés en este tipo de tecnología, ya que arruinaría sus modelos de negocio. Las marcas de móviles tradicionales (Nokia, BenQ-Siemens, Sony-Ericsson, Motorola,…) han sido tímidas en recibir esta tecnología, las operadoras son sus principales clientes y es difícil fomentar un modelo de negocio que las perjudica, sin embargo, esto deja la puerta abierta a marcas menores que vean un filón, especialmente empresas procedentes del mundo de la informática. Por ello las principales 14 marcas de telefonía móvil han creado el UMAC, una organización encargada de transformar esta teoría en un u n estándar real aplicable por todas las marcas que después se i ntegró en el 3GPP Nokia cuenta con el 6136 con esta tecnología, Samsung el P200, Motorola el A910, etc. Las empresas participantes han desarrollado conjuntamente una serie de especificaciones abiertas. Estas especificaciones están disponibles en la Web, y puede ser utilizadas por los vendedores, por las compañías de comunicaciones inalámbricas y para las aplicaciones de los sistemas tendientes a desarrollar y desplegar soluciones interoperables. Además de desarrollar desarrollar y mantener las especificaciones especificaciones iniciales, las empresas participantes están trabajando activamente con la organización 3GPP estándares a utilizar las especificaciones como la base para el desarrollo de un estándar formal. 22


C OMUNICACIONES M ÓVILES M Ó VILES : 3G, 4G, W I AX A X , LTE, UMA Figura 17

¿CÓMO FUNCIONA LA T TECNOLOGÍA UMA? UMA? Tal como dijimos, una red UMA permite que un teléfono pueda “compartir” una red privada licenciada por un operador (MoviStar, Claro, Claro, Telcel, Unefón, etc.) y también realizar llamadas a través de una red sin licencia o pública. En la figura 17 tenemos un diagrama que representa el comportamiento de esta tecnología. La comunicación se realiza como sigue: 1. Un abonado móvil con tecnología UMA habilitada, puede estar registrado en una red de telefonía celular y, de modo dual, estar dentro del rango de una red inalámbrica sin licencia a la que el teléfono se puede conectar. conectar. 2. Una vez conectado, puede registrarse en el UNC (UMA Network Controller, controlador de la red UMA), a través de la red de acceso de banda ancha IP, IP, para identificarse y estar autorizado para acceder a servicios GSM de voz y GPRS de datos a través de la red inalámbrica sin licencia. 3. Si es aprobado, la información de la ubicación actual del suscriptor se almacena en el núcleo de la red (se actualiza) y desde ese punto todo el tráfico de voz y de datos se dirige a la terminal a tra vés de la red de acceso móvil sin licencia li cencia (UMAN) en lugar de la red de acceso de radio r adio celular (RAN ). 4. ROA ROAMIN MING : Cuando se mueve un suscriptor UMA habilitado fuera del rango de una red inalámbrica sin licencia a la que está conectados, la UNC y el teléfono facilitan la itinerancia (servicio de roaming) de nuevo a la red de telefonía móvil con licencia. Este proceso de roaming es completamente transparente para el suscriptor. suscriptor. Dicho de otra manera, cuando el teléfono abandona el rango de cobertura de la red UMA, se conecta inmediatamente a la red de telefonía móvil paga. 5. ENTR ENTREG EGAA : Si un suscriptor está realizando una llamada de voz activa GSM o una sesión de datos GPRS y sale del rango de cobertura de una red inalámbrica sin licencia, la sesión de llamada de voz o


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Figura 18

datos se traspasa de forma automática entre redes de acceso, sin interrupción del servicio discernible. Los traspasos entre las redes son completamente transparentes para el suscriptor.

L A T TECNOLOGÍA UMA UMA El servicio de “acceso móvil sin licencia” (UMA) permite el acceso a redes GSM y GPRS para servicios móviles a través de un espectro sin licencia, incluyendo Bluetooth y Wi-Fi. En la figura figur a 18 podemos obser var algunos aspectos destacados de la tecnología UMA: o Entrega sin fisuras fisuras de los servicios móviles de de voz y datos datos a través de redes redes inalámbricas sin licenlicencia. o Pr oporciona oporciona la identidad móvil en la misma RAN celular y las redes inalámbricas sin licencia. o Posee Pos ee transici transiciones ones sin sin fisuras fisuras (roa (roaming ming y handov handover) er) entre entre una una red red RAN RAN y las las redes redes inalá inalámbri mbricas cas sin licencia. o Prese Pr eserva rva la inve inversi rsión ón en el el actua actuall / futura futura infr infraes aestru tructu ctura ra de red red cent central ral móvi móvil.l. o Es indepe independie ndiente nte de la tecn tecnolog ología ía subyac subyacente ente del espect espectro ro sin sin licenci licencia a (por (por ejempl ejemplo, o, Wi-Fi, Wi-Fi, Bluetooth, etc.). o Resulta Resu lta transp transpare arente nte para para los dispo dispositivo sitivoss existent existentes es del del estánd estándar ar EPC EPC (por (por ejempl ejemplo, o, puntos puntos de acceso, routers y módems). o Utiliza Utili za estánd estándar ar "siemp "siempre" re" de las las redes redes de de banda banda ancha ancha de acceso acceso IP (por (por ejemplo ejemplo:: DSL, cabl cable, e, T1/E1, Banda Ancha Inalámbrica, FTTH, etc.). o Tiene Tie ne segu segurid ridad ad equ equiva ivalen lentes tes a las las actua actuales les re redes des móv móvile iless GSM. GSM. o Es una una tecnolog tecnología ía sin sin impacto impacto en las las operacio operaciones nes de de “Cellul “Cellular ar RAN” RAN” (inge (ingenierí niería a del del espectr espectro, o, por por ejemplo, la planificación de la celda).

En síntesis, la tecnología UMA permite el acceso alternativo a los servicios básicos de red de GSM y GPRS a través de conexiones de banda ancha basadas en IP sin licencia. Con el fin de ofrecer una expeexpe -

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C OMUNICACIONES M ÓVILES M Ó VILES : 3G, 4G, W I AX A X , LTE, UMA riencia sin fisuras al usuario, las especificaciones para definir un nuevo elemento de red (controlador de red de la UMA, UNC) se emplean protocolos asociados que proporcionan un transporte seguro en GSM / GPRS tanto en la señalización como en el tráfico de usuarios a través de IP. IP. Actualmente se encuentra en desarrollo una especificación de prueba abierta que puede ser utilizada para facilitar las pruebas de interoperabilidad entre las implementaciones. Las especificaciones de la prueba estarán disponibles a tra vés del sitio web www.umatechnology www.umatechnology.org. .org. Las empresas que planean implementar productos basados en las especificaciones UMA deben buscar acuerdos bilaterales de compatibilidad directa con otros pro veedores. Las compañías participantes del proyecto UMA son: Alcatel Ericsson Nokia Research in Motion Sony Ericsso Ericsson n

British Telecom Telecom Kineto Wireless Nortel Networks Rogers Wireless T-Mobile US

Cingular Motorola O2 Siemens

En principio, las especificaciones UMA deben garantizar la interoperabilidad similar a las especificaciones de la industria, pero las especificaciones pueden incluir opciones y parámetros que tienen que ser acordados bilateralmente con otros proveedores. Las empresas participantes UMA no garantizan la interoperabilidad y las especificaciones pueden ser actualizados sin previo aviso. ☺ BIBLIOGRAFÍA www.malavida.com, www.malavida.com, www.neoteo.com, www.neoteo.com, www.conocimientoswirelessnetworkdesi www.conocimientoswirelessnetworkdesign.blogspot.com, gn.blogspot.com, www.umatechnology.org ogy.org


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APÍTULO O 2 C APÍTUL

UNCIONA EL GPS ASÍ F UNCIONA El SPG o GPS (Global Positioning System: sistema sist ema de posicionamiento global) o NAVSTAR-GPS es un sistema global de navegación por satélite (GNSS) que permite determinar en todo el mundo la posición de un objeto, una persona o un vehículo con una precisión hasta de centímetros (si se utiliza GPS diferencial), aunque lo habitual son unos pocos metros de precisión. El sistema fue desarrollado, instalado y actualmente operado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos. El GPS funciona mediante una red de 24 satélites en órbita sobre el globo, a 20.200 kph, con tra yectorias sincronizadas sincroniza das para cubrir toda la superficie superfi cie de la Tierra. Cuando Cuand o se desea determinar la posición, el receptor que se utiliza para p ara ello ell o localiza automáticamente como mínimo tres satélites sa télites de la red, de los que recibe unas señales indicando la identificación y la hora del reloj de cada uno de ellos. Con base en estas señales, el aparato sincroniza el reloj del GPS y calcula el tiempo que tardan en llegar las señales al equipo, y de tal modo mide la distancia al satélite mediante "triangulación" (método de trilateración inversa), la cual se basa en determinar la distancia de cada satélite respecto al punto de medición. Conocidas las distancias, se determina fácilmente la pro pia posición relativa respecto a los tres sat élites. Si además se saben las coordenadas o la posi ción de cada uno de ellos por la señal que emiten, se obtiene la posición absoluta o coordenadas reales del punto de medición. También se consigue una exactitud extrema en el reloj del GPS, similar a la de los relojes atómicos que llevan a bordo cada uno de los satélites. Agradecemos a www.asifunciona.com


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INTRODUCCIÓN

Desde tiempos remotos el hombre se preocupó por orientarse correctamente durante sus incursiones por tierra o mar para llegar a su destino sin extraviarse y después regresar al punto de partida. Probablemente el método más antiguo y primitivo que utilizó para no perderse fue el de colocar piedras en el camino o hacer marcas en los árboles, de forma tal que le permitieran regresar después sobre sus pasos. En los inicios de la navegación de largas travesías, los marinos seguían siempre la línea de la costa para no extraviarse en el mar. Los fenicios fueron los primeros navegantes que se ale jaron de las costas adentrándose en el mar abierto con sus embarcaciones. Para no perder el rumbo en las travesías por el Mar Mediterráneo en los viajes que hacían entre Egipto y la isla de Creta se guiaban de día por el Sol y de noche por la Estrella Polar. A partir del siglo XII se comenzó a utilizar la brújula o compás magnético para orientarse en las travesías por mar. Por otra parte Cristóbal Colón empleó en 1492 un nuevo instrumento inventado en aquella época para ayuda a la navegación: el astrolabio, figura 1. Este instrumento estaba compuesto por un disco metálico y un brazo móvil, y le sirvió de ayuda para orientarse durante la travesía que le llevó al descubrimiento de América. Años después surgió el sextante, figura 2, instrumento de navegación más preciso que el astrolabio, pero que durante mucho tiempo estuvo limitado a determinar solamente la latitud, una de las dos coordenadas necesarias para establecer un punto sobre la Tierra o en el mar. La posibilidad de ubicar en el mar la posición exacta donde se encontraba navegando una embarcación surgió en 1761 con la invención del cronómetro náutico, que no es otra cosa que un reloj de extrema exactitud. Dada su precisión sir vió de complemento al sextante para, en conjunto, poder determinar también la otra coordenada que faltaba, la longitud. La latitud es la coordenada que permite la orientación hacia el hemisferio norte o el sur de la Tierra, mientras que la longitud permite la orientación hacia el este o el oeste. El cronómetro, figura 3, se sincroniza para que muestre siempre la hora GMT (Greenwich Mean Time) u hora del Meridiano de Greenwich, independientemente de la "hora local" del punto de la Tierra donde se encuentre navegando el 28

Figura 1 - El astrolabio fue uno de los primeros instrumentos que empleó el hombre en la navegación.

Figura 2 - Sextante.

Figura 3 - Cronómetro utilizado para la navegación.


A S Í F U N C IO IO N A

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medio de transporte, ya sea un barco o un avión. El sextante y el cronómetro fueron durante dos siglos los únicos instrumentos de navegación con los que se podían determinar esas dos coordenadas sobre un punto cualquiera de la tierra o el mar, tomando como única referencia la hora y la posición del Sol durante el día y de la posición de las estrellas de noche. En el siglo XX, durante la Segunda Guerra Mundial, se desarrollaron algunos sistemas electrónicos de navegación para conocer las coordenadas y situar la posición de los barcos y aviones que participaban en la contienda bélica. Esos sistemas funcionaban utilizando cierto tipo de receptores de radio instalados a bordo de las naves para captar las señales de radiofrecuencia que emitían determinadas estaciones terrestres. En aquella época dichos sistemas constituyeron un gran avance tecnológico para la navegación, hasta tal punto que incluso algunos de ellos se utilizan todavía. Los sistemas de navegación más exactos basaban su funcionamiento en la recepción de señales de radio UHF (Ultra High Frecuency - Frecuencia Ultra Alta), las mismas que utilizan los canales de televisión del 14 en adelante, aunque tenían el inconveniente de que no podían cubrir un área muy extensa. Por el contrario, los que cubrían un área mayor basaban su funcionamiento en la recepción de señales de radio A.M. (Amplitud Modulada), las mismas que aún utilizan muchas estaciones comerciales de radiodifusión. La frecuencia de la A.M. es mucho más baja que la de UHF a lo que hay que añadir el inconveniente de que introducen mucha interferencia en la recepción de las señales. Los receptores de A.M. tampoco eran muy exactos a la hora de determinar las coordenadas donde se encontraban navegando los barcos. No obstante, la precisión de los datos obtenidos por mediación de esos dispositivos electrónicos de navegación se podía corroborar o contrastar con los cálculos de posición que los navegantes realizaban manualmente con el sextante y el cronómetro. Posteriormente con los adelantos de la técnica y la ciencia, y el uso extensivo de los satélites en las últimas décadas del siglo XX, se llegó a la conclusión que la única forma posible de cubrir la mayor parte de la superficie terrestre con señales de radio que sirvieran de orientación para la navegación o para situar un punto en cualquier lugar que nos encontrásemos, era situando transmisores en el espacio que sustituyeran a las estaciones terrestres. De esa forma se crearon las bases de lo que posteriormente sería el sistema GPS (Global Positioning System) o Sistema de posicionamiento global.

L ATITUD Y L LONGITUD

Para localizar un punto sobre la superficie de la Tierra y trasladarlo o plotearlo en un mapa o carta náutica, figura 4, es necesario conocer primero las coordenadas donde se encuentra ubicado ese punto, es decir, decir, la latitud y la longitud. Conocer el valor de las coordenadas es imprescindible para poder ubicar la posición de automóviles o coches, barcos, aviones, personas, carreteras, ciudades, puntos de interés, objetos, manchas de peces, peces, fauna animal y hasta una piedra que se encuentre sobre la superfisuperfi cie de la Tierra. Las líneas de latitud o paralelos están formadas por círculos de diferentes tamaños que parten de la línea del Ecuador y se expanden en dirección a los polos. La línea del Ecuador constituye el círculo de latitud de mayor diámetro de la Tierra y la divide en dos mitades: hemisferio Norte y hemisferio Sur. La línea del Ecuador se identifica en las cartas náuticas y los mapas como latitud “0” grado (0º) y el nombre lo recibe porque atraviesa la ciudad de Quito, capital de la República del Ecuador, situada en el continente


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sudamericano. A partir del Ecuador se extienden, hacia el norte y el sur, las denominadas líneas de latitud. El diámetro de los círculos que forman esas líneas se van empequeñeciendo a medida que se acercan a los polos hasta llegar a convertirse solamente en un punto en ambos polos, donde adquiere un valor de 90 grados (90º). El Ecuador, Ecuador, como cualquier otro círculo, se puede dividir (y de hecho se divide) en 360 grados (360º), por lo cual pueden atravesarlo 360 líneas de longitud o meridianos. Estos meridianos se extienden desde el polo norte hasta el polo sur de forma paralela al eje de rotación de la Tierra. Como longitud “0” grado (0º) se designó el meridiano que pasa por el Real Observatorio Astronómico de Greenwich, cerca de la ciudad de Londres, en Inglaterra. Esa línea de longitud se conoce también por el nombre de meridiano de Greenwich a partir del cual se rigen los husos horarios que determinan la hora en todos los puntos de la Tierra. Hasta hace un tiempo atrás, en navegación siempre se tomaba como referencia para todas las operaciones la hora GMT (Greenwich Mean Time) u Figura 4 - Mapa o carta náutica. hora del meridiano de Greenwich. Este meridiano divide la Tierra en otras dos mitades a partir de los polos, tomando como referencia su eje de rotación: hemisferio occidental hacia el oeste y hemisferio oriental hacia el este. De hecho las longitudes se miden en las dos direcciones correspondientes a cada hemisferio partiendo del meridiano 0º de Greenwich. La hora GMT se define por la posición del Sol y las estrellas, pero con la aparición de los relojes atómicos, como los que emplean los satélites GPS, se ha establecido la hora UTC o Tiempo Universal Coordinado en sustitución de la hora GMT. Este cambio se debe a que la rotación de la Tierra sufre variaciones retrasándose la hora con respecto al tiempo atómico. En contraposición, la hora UTC es de una alta precisión, tal como la requieren los navegadores GPS para poder localizar con exactitud un punto cualquiera de la Tierra. En dirección oeste partiendo de Greenwich, el hemisferio occidental comprende parte de Europa y de África, América y algunas islas hasta llegar a la línea de longitud o meridiano 180º situada en el Océano Pacífico. En sentido contrario, en dirección al este, el hemisferio oriental comprende la mayor parte de Europa y África, Asia, y la mayoría de las islas del Pacífico hasta llegar de nuevo a la misma línea de longitud o meridiano 180º. Si sumamos 180º hacia el oeste más 180º hacia el este obtendremos como resultado los 360º grados correspondientes a la circunferencia del Ecuador. El meridiano 180º se conoce también por el nombre de “línea internacional de cambio de la fecha”, pues hacia el oeste corresponde a un nuevo día y hacia el este corresponde al día anterior. Tanto las líneas longitud como las de latitud, además de dividirse en grados, se subdividen también en minutos y segundos. Por tanto podemos localizar un punto situado exactamente en las coordenadas 30



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40º de latitud norte y 3º de longitud este y si nos desplazamos unos kilómetros, el punto de localización podría ser 38º 40´ 20´´ (38 grados, 40 minutos, 20 segundos) de latitud norte y 3º 30´ 59´´ (3 grados, gr ados, 30 minutos, 59 segundos) de longitud este. Si la medida anterior se repitieran en el hemisferio opuesto, por ejemplo en los 40º de latitud sur y 3º de longitud oeste, ésta sería una ubicación completamente distinta y muy alejada de la primera.

CÓMO S ABER DÓNDE ESTAMOS SITUADOS

El principio matemático de la triangulación, figura fi gura 5, permite establecer el punto sobre la l a Tierra sobre el cual estamos situados. situados. Para ello será necesario necesario conocer la distancia que nos separa de tres puntos de ubicación conocida y trazar tres círculos, cuyos radios (r) se corresponden con esas distancias. Supongamos que nos encontramos situados en un punto desconocido, cerca de otro al que llamaremos “A”, cuyo radio es (r); al doble de esa distancia (2r) está situado el punto “B” y al triple de la distancia (3r) el punto “C”. Figura 5 - Principio matemático Si trazamos sobre un mapa de la zona tres cirde la triangulación. cunferencias, tomando como centro los puntos A, B y C y como valor de sus radios las distancias a escala reducida que nos separa del centro de cada círculo, el punto donde se cortan las circunferencias será el lugar donde nos encontramos situados. Por supuesto, esta explicación sólo constituye una demostración matemática del principio de la triangulación, porque no sería lógico conocer dónde están situados esos tres puntos de referencia e incluso la distancia que nos separa de ellos y no conocer realmente el punto donde nos encontramos situados. Sin embargo, si contáramos con un dispositivo capaz de calcular por sí mismo la distancia que nos separa de A, B y C, entonces sí sería posible ubicar nuestra posición. Es en ese principio en el que se basa, precisamente, el funcionamiento de los receptores GPS.

SISTEMAS DE POSICIONAMIENTO A NTERIORES NTERIORES AL GPS

Durante las primeras décadas del siglo XX, el descubrimiento de las ondas de radio y su aplicación como ayuda a la navegación aumentó la fiabilidad de los cronómetros. Gracias a la radiodifusión de señales horarias los relojes de los barcos se ajustaban periódicamente a una hora exacta tomando como referencia la hora GMT (Greenwich Meridian Time) u hora del meridiano de Greenwich. Antes de existir el sistema GPS se utilizaron otros sistemas de navegación y posicionamiento basados en la recepción de señales de radio, que aplicaban el principio matemático de la triangulación. Estos sistemas podían determinar la posición de un barco o un avión sin necesidad de conocer la distancia que los separaba de otros puntos de referencia.


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Durante la Segunda Guerra Mundial se desarrollaron el radiogoniómetro, el radiofaro direccional, las radio balizas y el loran, todos ellos basados en la transmisión o recepción de ondas de radio. El radiogoniómetro fue el primero que se utilizó de forma generalizada como ayuda a la navegación. El radiogoniómetro más elemental, figura 6, consiste en un receptor convencional de ondas de radio, dotado con una antena orientable, que permite no sólo captar las señales de radio, sino también determinar la dirección del lugar de donde proceden. La antena se encuentra Figura 6 - Radiogoniómetro. Radiogoniómetro. montada en un eje vertical y colocada sobre la parte superior de su cuerpo o a determinada altura en el exterior . La colocación de la antena en el eje permite hacerla rotar hacia un lado o hacia el otro para poder captar lo mejor posible las señales provenientes de las estaciones terrestres. Por propia experiencia todos conocemos que las antenas de los receptores de radio portátiles de F.M. (Frecuencia Modulada) y la de los televisores hay que moverlas y orientarlas hasta lograr establecer una buena recepción del sonido y la imagen. Con la antena del radiogoniómetro sucede algo similar. Cuando queremos sintonizar una estación comercial en el radiorreceptor de nuestra casa, la podemos localizar y sintonizar buscándola por la frecuencia en que transmite o en su defecto por su nombre de identificación. Para ello sólo será necesario mover el cursor del dial hasta lograr encontrarla y sintonizarla lo más fielmente posible. Si conocemos la frecuencia en que transmite una estación de radio o, en su defecto, el nombre comercial de identificación, si nos lo proponemos podemos averiguar en que país o ciudad se origina la transmisión e incluso hasta la calle o lugar exacto donde se encuentran situados los estudios o la antena transmisora. Para localizar en el radiogoniómetro una señal audible procedente de una estación terrestre de ayuda a la navegación sintonizamos en el dial su frecuencia y acto seguido hacemos girar la antena hasta que la señal se reciba lo más fuertemente posible. En ese momento la antena se encontrará situada en posición perpendicular a la dirección de donde procede la señal. Para conocer ahora dónde se encuentra situada la estación transmisora es necesario consultar una guía donde se encuentran relacionadas las posiciones de todas las estaciones terrestres de ayuda a la navegación de acuerdo con la frecuencia en kilohertz (kHz.) o megahertz (MHz.) en que transmite sus señales. Una vez que esté bien sintonizada la señal e identificado el punto donde se encuentra ubicada la estación que la transmite, se hace girar de nuevo la antena hasta que la señal sea imperceptible. En esa nueva posición la antena receptora del radiogoniómetro apuntará directamente hacia el lugar de procedencia de la señal. A continuación se determina el valor del ángulo existente entre la señal que nos llega y las coordenadas donde se encuentra situada la estación y trasladamos ese ángulo al mapa o carta náutica con la ayuda de reglas paralelas. Esta operación es necesario realizarla por lo menos tres veces localizando tres estaciones costeras diferentes. 32



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LOCALIZACIÓN DE UN PUNTO POR EL MÉTODO DE TRIANGULACIÓN

Supongamos que nos encontramos navegando en un barco en medio del mar y tenemos necesidad de situar nuestra posición en el mapa o carta náutica por medio del radiogoniómetro. Localizamos y sintonizamos, primeramente, primeramente, la frecuencia de una estación tratando de percibir un pitido lo más agudo y claro posible, y a continuación hacemos girar la antena hasta que el pitido desaparezca. La posición que toma la antena indicará hacia el lugar de donde procede la señal. Buscamos en una guía de estaciones costeras de ayuda a la navegación las coordenadas correspondientes a la estación cuya frecuencia tenemos sintonizada y verificamos en la esfera graduada del radiogoniómetro el ángulo existente entre la señal y el barco. Con una regla paralela para cartografía (como la que se puede ver en la ilustración de la figura 7), colocada sobre la “rosa de los vientos” de una carta náutica podemos situar Figura 7 - Calculando la posición con o plotear el ángulo correspondiente a la lectura que hemos una carta náutica. obtenido en el radiogoniómetro. A continuación extendemos la regla de forma tal que podamos trazar una línea que corte las coordenadas o punto donde se encuentra ubicada la estación que transmite la señal. Supongamos que en nuestro ejemplo esas coordenadas se encuentran en LN 30º, LO 17º, es decir, en los 30º de latitud norte y 17º de longitud oeste, punto que identificaremos como (A). Esa misma operación la repetimos con otra señal procedente del punto (B), situado en las coordenadas LN 43º 40´ y a continuación con el punto (C) situado en LN 38º, LO 9º. Una vez trazada las tres líneas con la ayuda de las reglas paralelas, el punto donde éstas se cortan señalará las coordenadas sobre las cuales se encuentra navegando en esos momentos nuestro barco, figura 8. En el ejemplo de la figura 9, el barco estará ubicado en LN 37º, LO 15º, en medio del Océano Atlántico, muy cerca de Gibraltar a la entrada del Mar Mediterráneo. Mediterr áneo. De esta forma hemos establecido nuestra posición en el mar empleando el método de triangulación, en este caso específico sin conocer en ningún momento la distancia que nos separaba de cada una

Figura 8 - Ubicación de un barco por el método de triangulación.

Figura 9 - Ubicación de un barco en el Mar Mediterráneo.


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de las estaciones de radio terrestres. El radiogoniómetro también se puede utilizar para rastrear y localizar en una ciudad una antena de radio desde donde se origina, por ejemplo, una transmisión clandestina. Para ello sólo será necesario desplazarse en un vehículo con el radiogoniómetro y determinar desde dos o tres posiciones diferentes la dirección de procedencia de la señal y a continuación trasladarla o plotearla en una carta o mapa de una ciudad o un descampado. El punto donde se cortan las líneas que se trazan en el mapa será el lugar exacto desde el cual se origina la transmisión.

A NTECEDENTES NTECEDENTES DEL GPS

El lanzamiento del satélite espacial estadounidense Vanguard, Vanguard, figura 10, en 1959 puso de manifiesto que la transmisión de señales de radio desde el espacio podría servir para orientarnos y situarnos en la superficie terrestre o, a la inversa, localizar un punto cualquiera en la Tierra. Los sistemas anteriores de posicionamiento que empleaban estaciones terrestres de A.M. (Amplitud Modulada) cubrían un área mayor que los de UHF (Frecuencias ultracortas), pero no podían determinar con exactitud una posición debido a las interferencias atmosféricas que afectan a las señales de radio de amplitud modulada y a la propia curvatura de la Tierra que desvía las ondas Por tanto, la única forma de solucionar este problema era colocando transmisores de radio en el espacio cósmico que emitieran constantemente señales codificadas en dirección a la Tierra. De Figura 10 - Satélite espacial estadounidenhecho esas señales cubrirían un área mucho mayor se Vanguard. que las de A.M., sin introducir muchas interferencias en su recorrido. Sin embargo, no fue hasta 1993 que el Departamento de Defensa de los Estados Unidos de América, basado en la experiencia recogida del satélite Vanguard (en un principio para uso exclusivamente militar) puso en funcionamiento un sistema de localización por satélite conocido por las siglas en inglés GPS (Global Positioning System - Sistema de Posicionamiento Global). En sus inicios el propio Departamento de Defensa programó errores de cálculo codificados en las transmisiones de los satélites GPS para limitarlo solamente a la actividad militar que sí contaba con decodificadores para interpretar correctamente las señales, pero a partir de mayo de 2000 esta práctica quedó cancelada y hoy en día el sistema GPS se utiliza ampliamente en muchas actividades de la vida civil, aunque no está exento de ser reprogramado de nuevo en caso de cualquier conflicto bélico. Este sistema permite conocer la posición y la altura a la que nos encontramos situados en cualquier punto de la Tierra en todo momento, ya sea que estemos situados en un punto fijo sin desplazarnos, e incluso en movimiento, tanto de día como de noche. El sistema GPS permite rastrear también, en tiempo real, la ubicación de una persona, animal, vehículo, etc., desde cualquier sitio y prestar auxilio si fuera necesario, con la condición que estén equipados con un dispositivo que pueda emitir algún tipo de señal, ya sea de radio o telefónica, que permita su 34



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localización. La primera prueba exitosa del sistema GPS desde el punto de vista práctico como instrumento de ayuda a la navegación, la realizó el trasbordador espacial Discovery en el propio año que se puso en funcionamiento el sistema. Actualmente los satélites GPS pertenecen a una segunda generación denominada Block II.

COMPOSICIÓN DEL SISTEMA GPS GPS

El sistema GPS consta de tres partes principales: los satélites, los receptores y el control terrestre. En el 2020 el sistema GPS tendrá 30 satélites distribuidos en seis órbitas polares diferentes, situadas a 2 169 kilómetros (11 000 millas) de distancia de la Tierra (sistema Navstar, figura 11). Cada satélite la circunvala dos veces cada 24 horas. Por encima del horizonte siempre están “visibles” para los receptores GPS por lo menos 4 satélites, de forma tal que puedan operar correctamente desde cualquier punto de la Tierra donde se encuentren situados. Por norma general y para mayor exactitud del sistema, dentro del campo visual de cualquier receptor GPS siempre hay por lo menos 8 satélites presentes. Cada uno de esos satélites mide 5 m de largo y pesa 860 kg . La energía eléctrica que requieren para su funcionamiento la adquieren a partir de dos paneles compuestos de celdas solares adosadas a sus costados. Están equipados con un transmisor de señales codificadas de alta frecuencia, un sistema de computación y un reloj atómico de cesio, tan exacto que solamente se atrasa un segundo cada 30 mil años.

Figura 11


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La posición que ocupan los satélites en sus respectivas órbitas facilita que el receptor GPS reciba, de forma constante y simultánea, las señales de por lo menos 6 u 8 de ellos, independientemente del sitio donde nos encontremos situado. Mientras más señales capte el receptor GPS, más precisión tendrá para determinar las coordenadas donde se encuentra situado. La figura 12 muestra un satélite GPS en órbita.

Figura 12 - Satélite GPS en órbita. Representación gráfica: NASA.

TIPOS DE RECEPTORES GPS

Los receptores GPS detectan, decodifican y procesan las señales que reciben de los satélites para determinar el punto donde se encuentran situados y son de dos tipos: portátiles, figura 13 y fijos, figura 14. Los portátiles pueden ser tan pequeños como algunos teléfonos celulares o móviles. Los fijos son los que se instalan en automóviles o coches, embarcaciones, aviones, trenes, submarinos o cualquier otro tipo de vehículo.

CONTROL TERRESTRE DE LOS S ATÉLITES

Figura 13 - GPS portátil. Se puede utilizar moviéndonos a pié o dentro del coche.

El monitoreo y control de los satélites que conforman el sistema GPS se ejerce desde diferentes estaciones terrestres situadas alrededor del mundo, que rastrean su trayectoria orbital e introducen las correcciones necesarias a las señales de radio que transmiten hacia la Tierra. Esas correcciones benefician la exactitud del funcionamiento del sistema, como por ejemplo las que corrigen las distorsiones que provoca la ionosfera en la recepción de las señales y los ligeros cambios que introducen en las órbitas la atracción de la luna y el sol. Figura 14 - GPS fijo.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL GPS

Los receptores GPS más sencillos están preparados para determinar con un margen mínimo de error la latitud, longitud y altura desde cualquier punto de la tierra donde nos encontremos situados. Otros más 36



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completos muestran también el punto donde hemos estado e incluso trazan de forma visual sobre un mapa la trayectoria seguida o la que vamos siguiendo en esos momentos. Esta es una capacidad que no poseían los dispositivos de posicionamiento anteriores a la existencia de los receptores GPS. El funcionamiento del sistema GPS se basa también, al igual que los sistemas electrónicos antiguos de navegación, en el principio matemático de la triangulación. Por tanto, para calcular la posición de un punto será necesario que el receptor GPS determine con exactitud la distancia que lo separa de los satélites.

C ÁLCULO DE LA D DISTANCIA E ENTRE EL RECEPTOR Y LOS S ATÉLITES.

Como se explicó anteriormente, con la aplicación del principio matemático de la triangulación podemos conocer el punto o lugar donde nos encontramos situados, e incluso rastrear y ubicar el origen de una transmisión por ondas de radio. El sistema GPS utiliza el mismo principio, pero en lugar de emplear círculos o líneas rectas crea esferas virtuales o imaginarias para lograr el mismo objetivo. Desde el mismo momento que el receptor GPS detecta una señal de r adiofrecuencia transmitida por un satélite desde su órbita, se genera una esfera virtual o imaginaria que envuelve al satélite. El propio satélite actuará como centro de la esfera cuya superficie se extenderá hasta el punto o lugar donde se encuentre situada la antena del receptor; por tanto, el radio de la esfera será igual a la distancia que separa al satélite del receptor. A partir de ese instante el receptor GPS medirá las distancias que lo separan como mínimo de dos satélites más. Para ello tendrá que calcular el tiempo que demora cada señal en viajar desde los satélites hasta el punto donde éste se encuentra situado y realizar los correspondientes cálculos matemáticos. Todas las señales de radiofrecuencias están formadas por ondas electromagnéticas que se desplazan por el espacio de forma concéntrica a partir de la antena transmisora, de forma similar a como lo hacen las ondas que se generan en la superficie del agua cuando tiramos una piedra, figura 15. Debido a esa propiedad las señales de radio se pueden captar desde cualquier punto situado alrededor de una antena transmisora. Las ondas de radio viajan a la velocidad de la luz, es decir, 300 mil kilómetros por segundo (186 mil millas por segundo) medida en el vacío, por lo que es posible calcular la l a distancia existente entre un transmisor y un receptor si se conoce el tiempo que demora la señal en viajar desde un punto hasta el otro. Para medir el momento a partir del cual el satélite emite la señal y el receptor GPS la recibe, es necesario que tanto el reloj del satélite como el del receptor estén perfectamente sincronizados. El satélite utiliza un reloj atómico de cesio, extremadamente exacto, pero el receptor GPS posee uno normal de cuarzo, no Figura 15 - Cuando tiramos una piedra al agua tan preciso. Para sincronizar con exactitud el reloj del se generan una serie de ondas concéntricas, receptor GPS, el satélite emite cada cierto tiempo que se amplían a partir del punto donde ésta una señal digital o patrón de control junto jun to con la señal cae, de forma similar a como lo hacen las ondas de radiofrecuencia. de radiofrecuencia. Esa señal de control llega siem-


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pre al receptor GPS con más retraso que la señal normal de radiofrecuencia. r adiofrecuencia. El retraso entre ambas señales será igual al tiempo que demora la señal de radiofrecuencia en viajar del satélite al receptor GPS. La distancia existente entre cada satélite y el receptor GPS la calcula el propio receptor realizando diferentes operaciones matemáticas. Para hacer este cálculo el receptor GPS multiplica el tiempo de retraso de la señal de control por el valor de la velocidad de la luz. Si la señal ha viajado en línea recta, sin que la haya afectado ninguna interferencia por el camino, el resultado matemático será la distancia exacta que separa al receptor del satélite. Las ondas de radio que recorren la Tierra lógicamente no viajan por el vacío sino que se desplazan a través de la masa gaseosa que compone la atmósfera; por tanto, su velocidad no será exactamente igual a la de la luz, sino un poco más lenta. Existen también otros factores que pueden influir también algo en el desplazamiento de la señal, como son las condiciones atmosféricas locales, el ángulo existente entre el satélite y el receptor GPS, etc. Para corregir los efectos de todas esas variables, el receptor se sirve de complejos modelos matemáticos que guarda en su memoria. Los resultados de los cálculos los complementa después con la información adicional que recibe también del satélite, lo que permite mostrar la posición con mayor exactitud.

CÓMO UBICA LA P POSICIÓN EL RECEPTOR GPS

Para ubicar la posición exacta donde nos encontramos situados, el receptor GPS tiene que localizar por lo menos 3 satélites que le sirvan de puntos de referencia. En realidad eso no constituye ningún problema porque normalmente siempre hay 8 satélites dentro del “campo visual” de cualquier receptor GPS. Para determinar el lugar exacto de la órbita donde deben encontrarse los satélites en un momento dado, dado, el receptor tiene en su memoria un almanaque electrónico que contiene esos datos. Tanto los receptores GPS de mano, como los instalados en vehículos con antena exterior fija, necesitan abarcar el campo visual de los satélites. Generalmente esos dispositivos no funcionan bajo techo ni debajo de las copas de los árboles, por lo que para que trabajen con precisión hay que situarlos en el exterior, preferiblemente donde no existan obstáculos que impidan la visibilidad y reduzcan su capacidad de captar las señales que envían a la Tierra los satélites. La figura 16 ejemplifica cómo se puede calcular la posición de un barco. El principio de funcionamiento de los receptores GPS es el siguiente: 38

Figura 16 - Cálculo de la posición de un barco.



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Primero: cuando el receptor detecta el primer satélite se genera una esfera virtual o imaginaria, cuyo centro es el propio satélite. El radio de la esfera, es decir, la distancia que existe desde su centro hasta la superficie, será la misma que separa al satélite del receptor. Éste último asume entonces que se encuentra situado en un punto cualquiera de la superficie de la esfera, que aún no puede precisar. Segundo: al calcular la distancia hasta un segundo satélite, se genera otra esfera virtual. virt ual. La esfera Figura 17 - Gráfico de funcionamiento de un GPS. anteriormente creada se superpone a esta otra y se crea un anillo imaginario que pasa por los dos puntos donde se interceptan ambas esferas. En ese instante ya el receptor reconoce que sólo se puede encontrar situado en uno de ellos. t ercera esfera virtual. Esa Tercero: el receptor calcula la distancia a un tercer satélite y se genera una tercera esfera se corta con un extremo del anillo anteriormente creado en un punto en el espacio y con el otro extremo en la superficie de la Tierra. El receptor discrimina como ubicación el punto situado en el espacio utilizando sus recursos matemáticos de posicionamiento y toma como posición correcta el punto situado en la Tierra. Cuarto: Cuar to: una vez que el receptor ejecuta los tres pasos anteriores ya puede mostrar en su pantalla los valores correspondientes a las coordenadas de su posición, es decir, la latitud y la longitud. Quinto: para detectar también la altura a la que se encuentra situado el receptor GPS sobre el nivel del mar, tendrá que medir adicionalmente la distancia que lo separa de un cuarto satélite y generar otra esfera virtual que permitirá determinar esa medición. Si por cualquier motivo el receptor falla y no realiza las mediciones de distancias hasta los satélites de forma correcta, las esferas no se interceptan y en ese caso no podrá determinar, ni la posición, ni la altura. En la figura 17 podemos ver el gráfico que ejemplifica la ublicación de una persona por un GPS.

EL RECEPTOR GPS

La mayoría de los receptores GPS actuales tienen la posibilidad, como valor añadido, de guardar en memoria la información digitalizada de mapas, planos de calles de ciudades, red de carreteras y otras prestaciones que puede mostrar gráficamente en su pantalla con un alto nivel de detalle. Una vez que conocemos las coordenadas de nuestra posición es posible ampliar o reducir la escala de los mapas para podernos orientar mejor o seleccionar el camino más corto hasta nuestro destino. Si usted es de las personas que se desorientan y extravían con facilidad cuando intenta llegar hasta


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un sitio cualquiera que no conoce, con un receptor GPS le será prácticamente imposible perderse aunque se encuentre en medio de una gran ciudad desconocida, una carretera solitaria, solit aria, un descampado, el océano, el desierto o volando en un avión particular. En todo momento el receptor GPS muestra las coordenadas del punto donde éste se encuentra situado durante todo el tiempo que se encuentre funcionando y, además, además, bajo cualquier tipo de condiciones climatológicas que le rodee. Por otra parte, ya no es necesario cargar con un montón de mapas a la hora de realizar r ealizar un viaje, pues si el vehículo en que vamos a viajar lleva instalado un receptor GPS, se podrá seguir en su pantalla el trazado del recorrido que va siguiendo, sig uiendo, la velocidad de desplazamiento y el tiempo que demora o demorará en trasladarse de un punto a otro. Para que el receptor GPS realice todas esas operaciones sólo será necesario introducirle de antemano las coordenadas de los diferentes puntos de la ruta que se pretende seguir. Los receptores fijos que están dotados con esta posibilidad, así como algunos portátiles, permiten introducir en su memoria las coordenadas de diferentes puntos de interés. De esa forma se puede organizar el trazado completo de una ruta, la que una vez introducida en la memora se podrá reutilizar otra vez en cualquier momento que se necesite. Así sólo será necesario indicarle al receptor GPS el trayecto que queremos recorrer y éste se encargará de guiarnos, mostrándonos las vías más idóneas, así como las distancias existentes entre un punto y otro a medida que nos desplazamos por la carretera. Actualmente se fabrican receptores r eceptores GPS que muestran directamente mapas de un área determinada. Otros aceptan también memorias conteniendo mapas detallados, incluso de ciudades, que le indican al usuario la forma de encontrar una dirección mientras conduce un vehículo..

GPS DIFERENCIAL

El GPS Diferencial introduce una mayor exactitud en el sistema. Ese tipo de receptor, además además de recibir y procesar la información de los satélites, recibe y procesa, simultáneamente, otra información adicional procedente de una estación terrestre situada en un lugar cercano y reconocido por el receptor. Esta información complementaria permite corregir las inexactitudes que se puedan introducir en las señales que el receptor recibe de los satélites. En este caso, la estación terrestre transmite al receptor GPS los ajustes que son necesarios realizar en todo momento, éste los contrasta con su propia información y realiza las correcciones mostrando en su pantalla los datos correctos con una gran exactitud. El margen de error de un receptor GPS normal puede estar entre los 60 y los 100 metros de diferencia con la posición que muestra en su pantalla. Para un desplazamiento normal por tierra 100 metros de diferencia no debe Figura 18 - GPS diferencial en la cabina de un avión. 40



EL

GPS

ocasionar ningún problema, pero para realizar la maniobra de aterrizaje de un avión, sobre todo si las condiciones de visibilidad son bajas, puede llegar a convertirse en un desastre. Sin embargo, el GPS Diferencial reduce el margen de error a menos de un metro de diferencia con la posición indicada. El GPS que se emplea en los aviones es de tipo "diferencial", figura 18. El único inconveniente del GPS Diferencial es que la señal que emite la estación terrestre cubre solamente un radio aproximado de unos 200 kilómetros. No obstante ese rango es más que suficiente para realizar una maniobra de aproximación y aterrizaje de un avión a un aeropuerto. Existen también receptores GPS mucho más sofisticados que funcionan recibiendo múltiples señales de radiofrecuencia. En esos dispositivos el margen de error no sobrepasa los 25 centímetros.

OTROS SISTEM ISTEMAS AS DE POSICIONAMIENTO A LTERNATIVOS LTERNATIVOS

Además del sistema de posicionamiento global GPS, existe una segunda alternativa que hace años se encuentra en funcionamiento denominada GLONASS y una tercera en proyecto conocida como Galileo. GLONASS GLONASS (Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema) es un Sistema Global de Navegación por Satélite (GNSS) desarrollado por la Unión Soviética siendo hoy administrado por la Federación Rusa y que representa la contrapartida al GPS estadounidense y al futuro Galileo europeo. Consta de una constelación de 24 satélites (21 en activo y 3 satélites de repuesto) situados en tres planos orbitales con 8 satélites cada uno y siguiendo una órbita inclinada de 64,8° con un radio de 25.510 kilómetros. La constelación de GLONASS se mueve en órbita alrededor de la tierra con una altitud de 19.100 kilómetros (algo más bajo que el GPS) y tarda aproximadamente 11 horas y 15 minutos en completar una órbita. El sistema está a cargo del Ministerio de Defensa de la Federación Rusa y los satélites se han lanzado desde Tyuratam, en Kazajistán. GALILEO Galileo es un sistema global de navegación por satélite (GNSS) desarrollado por la Unión Europea (UE), con el objeto de evitar la dependencia de los sistemas GPS y GLONASS.1 Al contrario de estos dos, será de uso civil. El sistema se espera poner en marcha en 2014 después de sufrir una serie de reveses técnicos y políticos para su puesta en marcha. Este Sistema Global de Navegación por Satélite (GNSS), además de prestar ser vicios de autonomía en radionavegación y ubicación en el espacio, será interoperable con los sistemas GPS y GLONASS. El u suario podrá calcular su posición con un receptor que utilizará satélites de distintas constelaciones. Al ofrecer dos frecuencias en su versión estándar, Galileo brindará ubicación en el espacio en tiempo real con una precisión del orden de metros, algo sin precedentes en los sistemas públicos. Del mismo modo, los satélites Galileo, a diferencia de los que forman la malla GPS, estarán en órbitas ligeramente más inclinadas hacia los polos. De este modo sus datos serán más exactos en las regiones cercanas a los polos, donde los satélites estadounidenses pierden notablemente su precisión. Asimismo, garantizará la disponibilidad continua del servicio, excepto en circunstancias extremas, e


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informará a los usuarios en segundos en caso del fallo de un satélite. Esto lo hace conveniente para aplicaciones donde la seguridad es crucial, tal como las aplicaciones ferroviarias, la conducción de automóviles o el control del tráfico aéreo. El uso combinado de Galileo y otros sistemas GNSS ofrecerá un gran nivel de prestaciones para todas las comunidades de usuarios del mundo entero. Una preocupación importante de los actuales usuarios de la radionavegación por satélite es la fiabilidad y vulnerabilidad de la señal. En los últimos años, se han producido varios casos de interrupción del ser vicio por causas tales como interferencia accidental, Figura 19 - El sistema GALILEO se pondrá en marcha en 2014. fallos de los satélites, denegación o degradación de la señal. En este contexto, Galileo realizará una importante contribución a la reducción de estos problemas al proveer en forma independiente la transmisión de señales suplementarias de radionavegación en diferentes bandas de frecuencia. En total, utilizará 10 radiofrecuencias.

CHIPS RECEPTORES GPS PARA C COMPUTADORA

Si bien no son muchos los fabricantes de módulos receptores de GPS, existen varios chips y, quizá, el más destacado es el Sirf Star, un módulo NMEA que, en la versión 3, es capaz de transferir las señales de hasta 20 satélites a la vez, dando su posición, lo que permite realizar un perfecto mapeo. En general se ofrece en forma de kit (A1080-A, por ejemplo) ya con el cable USB para poder conectarlo a una computadora. Opera con una tensión de 3,3V y tiene un consumo (en actividad) cercano a los 20mA. El chip, del tipo SMD (que es como el que se muestra en la figura) mide 19 mm x 16,2 mm y se suelda por el método de reflujo. l a que realQué es NMEA : NMEA es un protocolo que se usa para la navegación tanto marítima (por la mente se creó) como terrestre. Una vez que un GPS sabe donde está (conoce las coordenadas geográficas de una posición), es posible suministrar dicha información a un microcontrolador (o cualquier otro tipo de equipo especializado, como los "plotters" de los barcos o simplemente una computadora tipo PC o notebook) para poder hacer lo que se llama la función de mapa móvil (moving map). La información de tipo NMEA se ha estandarizado a nivel mundial. Además de una posición suministra información de la dirección de desplazamiento, la velocidad velocidad con que se mueve, cuál es el waypoint waypoint de destino, qué satélites esta recibiendo, la intensidad de las señales que se reciben, la posición de los satélites (si están hacia el norte, sur, etc.), el datum que se está usando, etc. Hay sentencias NMEA que indican cuál es la profundidad de una sonda que introduzcamos bajo el agua, por ejemplo. Resta saber cómo funciona un receptor GPS y en qué consiste el protocolo NMEA, tema que desarrollaremos en un futuro tomo de la colección Club Saber Electrónica. ☺

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APÍTULO O 3 C APÍTUL La fibra óptica constituye un sistema de transmisión de datos y consiste en un fila mento de vidrio o plástico. Existe gracias al principio de reflexión total interna, ya que los rayos de luz dentro de la fibra van rebotando con las paredes externas del fila mento. Para que este filamento de vidrio conduzca la información a través de la luz, se necesita que en los extremos de éste existan dispositivos electrónicos que de un lado envíen la información en forma de rayos de luz, y del otro lado haya un intér prete de esta información que reciba y decodifique la señal. En algunos casos es necesario un tercer artefacto que es el regenerador óptico, el cual se utiliza cuando se envía la señal a grandes distancias, en el punto donde la señal ya pierde intensidad, para de esta forma darle intensidad a la señal para llegar más lejos.

F IBRAS Ó PTICAS C Ó MO F UNCION A N , V E N TA JA S Y A PLICACIONES Quienes acompañamos los avances tecnológicos desde la aparición de Internet, hace menos de 20 años somos conscientes de que una comunicación rápida y eficaz es fundamental para poder intercambiar datos con eficiencia. En 1995, para acceder a la “red de redes” debíamos conectar nuestra computadora a través de un modem con servidores apropiados a través de la línea telefónica. La velocidad era muy baja comparado con los más de 3 megas de una velocidad promedio actual que posee una conexión hogareña, ya entonces existían exis tían enlaces de fibra óptica y su uso ha permitido que los desarrolladores pudieran lograr sistemas cada vez más veloces. Es decir, la fibra óptica es hoy, una de las principales responsables de las comunicaciones tal como hoy las conocemos. Sin embargo, la idea de transmitir señales eléctricas empleando a la luz como portadora y al vidrio como medio de enlace es bastante anterior. Cuando realicé mi tésis en el año 1985 para obtener mi Maestría en Comunicaciones, tuve que proponer un método para empalmar fibras ópticas con la menor pérdida posible, lo cuál me permitió conocer a estos elementos y entender su importancia en la transmisión de datos. En este capítulo, que no es más que una recopilación de monografías realizadas por estudiantes universitarios, explicamos qué es la fibra óptica, cómo se la construye, cuáles son sus ventajas y desventajas y los diferentes métodos de transmisión de señales eléctricas eléctric as a través de ella.


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INTRODUCCIÓN En 1959, como derivación de los estudios en física enfocados a la óptica, se descubrió una nueva utilización de la luz, a la que se denominó rayo láser, que fue aplicado a las telecomunicaciones con el fin de que los mensajes se transmitieran a velocidades inusitadas y con amplia cobertura. La utilización del láser era muy limitada debido a que no existían los conductos y canales adecuados para hacer viajar las ondas electromagnéticas provocadas por la lluvia de fotones originados en la fuente denominada láser. Desde entonces, los científicos y técnicos especializados en óptica dirigieron sus esfuerzos a la producción de un ducto o canal, conocido hoy como la fibra óptica. En 1966 surgió la propuesta de utilizar una guía óptica para la comunicación. Esta forma de usar la luz como portadora de información se puede explicar de la siguiente manera: Se trata en realidad de una onda electromagnética de la misma naturaleza que las ondas de radio, con la única diferencia que la longitud de las ondas es del orden de micrómetros en lugar de metros o centímetros. El concepto de las comunicaciones por ondas luminosas ha sido conocido por muchos años. Sin embargo, no fue hasta mediados de los años setenta que se publicaron los resultados del trabajo teórico. Estos indicaban que era posible confiar un haz luminoso en una fibra transparente flexible y proveer así un análogo óptico de la señalización por alambres electrónicamente. El problema técnico que se había de resolver para el avance de la fibra óptica residía en las fibras mismas, que absorbían luz que dificultaba el proceso. Para la comunicación práctica, la fibra óptica debe transmitir señales luminosas detestables por muchos kilómetros. El vidrio ordinario tiene un haz luminoso de pocos metros. Se han desarrollado nuevos vidrios muy puros con transparencias mucho mayores que la del vidrio ordinario. ordinario. Estos vidrios empezaron a producirse producirse a principios de los setenta. setenta. Este gran avance dio ímpetu a la industria de fibras ópticas. Se usaron láseres o diodos emisores de luz como fuente luminosa en los cables de fibras ópticas. Ambos han de ser miniaturizados para componentes de sistemas fibro-ópticos, lo que ha exigido considerable labor de investigación y desarrollo. Los láseres generan luz "coherente" intensa que permanece permanece en un camino sumamente estrecho. estrecho. Los diodos emiemiten luz "incoherente" que ni es fuerte ni concentrada. Lo que se debe usar depende de los requisitos técnicos para diseñar el circuito de fibras ópticas dado. La fibra óptica tiene muchas ventajas por encima de otros medios de transmisión de información, información, con respecto a los cables de cobre algunas de las ventajas es que es más barata por unidad de longitud, es más delgada, tiene menor degradación de la señal, las señales de luz no interfieren entre sí como las señales eléctricas, necesita menor potencia, tiene menor riesgo de producir incendios, es ligera y fle xible. Con respecto a las l as comunicaciones satelitales, se puede decir que la fibra fi bra óptica es mucho más económica para distancias superiores a los 2000 km y además la calidad es muy superior.

QUÉ ES FIBRA Ó ÓPTICA Antes de explicar directamente que es la fibra óptica, es conveniente resaltar ciertos aspectos básicos de óptica. La luz se mueve a la velocidad de la luz en el vacío, sin embargo, cuando se propaga por cualquier otro medio, la velocidad es menor. Así, cuando la luz pasa de propagarse por un cierto medio a propagarse por otro determinado medio, su velocidad cambia, sufriendo además efectos de 46


F U NCIONAN , V ENT E NTAJ AJ AS Y A PL IC AC I ON E S IB I B RA S Ó PT P T I C A S : C ÓM O F UNCIONAN

reflexión (la luz rebota en el cambio de medio, como la luz reflejada en los cristales) y de refracción (la luz, además de cambiar el módulo de su velocidad, cambia de dirección de FIGURA 1 - R EPRESENTACIÓN ESQUEMÁTICA DE UNA FIBRA ÓPTICA. propagación, por eso vemos una cuchara como doblada cuando está en un vaso de agua, la dirección de donde nos viene la luz en la parte que está al aire no es la misma que la que está metida en el agua). Esto se ve de mejor forma en el dibujo que aparece a nuestra derecha. Dependiendo de la velocidad con que se propague la luz en un medio o material, se le asigna un Índice de Refracción "n", un número deducido de dividir la velocidad de la luz en el vacío entre la velocidad de la luz en dicho medio. Los efectos de reflexión y refracción que se dan en la frontera entre dos medios dependen de sus Índices de Refracción. La ley más importante que voy a utilizar en este artículo es la siguiente para la refracción:

Esta fórmula nos dice que el índice de refracción del primer medio, por el seno del ángulo con el que incide la luz en el segundo medio, es igual al índice del segundo medio por el seno del ángulo con el que sale propagada la luz en el segundo medio. ¿Y esto para qué sirve?

Lo único que nos interesa aquí de esta ley es que dados dos medios con índices n y n', si el haz de luz incide con un ángulo mayor que un cierto ángulo límite (que se determina con la anterior ecuación) el haz siempre se reflejara en la superficie de separación entre ambos medios. De esta forma se puede guiar la luz de forma controlada tal y como se ve en la figura 1 (que representa de forma esquemática como es la fibra óptica). Como se ve en la figura 1, tenemos un material envolvente con índice n y un material interior con índice n'. De forma que se consigue guiar la luz por el cable. cable . Una fibra óptica es un filamento delgado y largo de un material dieléctrico transparente, usualmente vidrio o plástico de un diámetro aproximadamente igual al de un cabello (entre 10 a 300 micras) al cual se le hace un revestimiento especial, con ciertas características para transmitir señales de luz a través de largas distancias. Un cable de fibra óptica está compuesto de las siguientes partes, tal como se señala en la figura 2: Núcleo: Es propiamen propiamente te la fibra f ibra óptica, la hebra delFIGURA 2 - COMPOSICIÓN BÁSICA DE UNA FIBRA ÓPTICA. BÁSICA

gada de vidrio por donde viaja la luz. Revestimiento: Es una o más capas que rodean a la fibra óptica y están hechas de un material con un


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índice de refracción menor al de la fibra óptica, de tal forma que los rayos de luz se reflejen por el principio de reflexión total interna hacia el núcleo y permite que no se pierda la luz. Forro: Es un revestimiento de plástico que protege a la fibra y la capa media de la humedad y los maltratos.

Las fibras ópticas vienen en dos tipos: Las fibras multi-modo: Transmiten muchas señales por la fibra (usada en las redes de ordenadores , las redes de área local)

Fibras unimodales: Transmiten una señal por la fibra (usada en teléfonos y la televisión por cable). Las fibras unimodales tienen núcleos muy delgados (cerca de 9 micrones de diámetro) y transmiten la Las luz láser infrarroja (longitud de onda = 1.300 a 1.550 nanómetros) nanómetros).. Las fibras multi-modo tienen núcleos más grandes (cerca de 62,5 micrones de diámetro) y transmiten la luz infrarroja (longitud de onda = 850 a 1.300 nm) de diodos emisores de luz (LEDs).

Algunas fibras ópticas se pueden hacer de plástico. Estas fibras tienen una base grande (0,04 pulgadas o diámetro de 1 milímetro) y transmiten la luz roja visible (longitud de onda = 650 nm) de los LEDs. Las fibras ópticas pueden ahora usarse como los alambres de cobre convencionales, tanto en pequeños ambientes autónomos (tales como sistemas de procesamiento de datos de aviones), como en grandes redes geográficas (como los sistemas de largas líneas urbanas mantenidos por compañías telefónicas). El principio en que se basa la transmisión de luz por la fibra es la reflexión interna total; la luz que viaja por el centro o núcleo de la fibra incide sobre la superficie externa con un ángulo mayor que el ángulo crítico, de forma que toda la luz se refleja sin pérdidas hacia el interior de la fibra. Así, la luz puede transmitirse a larga distancia reflejándose miles de veces. Para evitar pérdidas por dispersión de luz debida a impurezas de la superficie de la fibra, el núcleo de la fibra óptica está recubierto por una capa de vidrio v idrio con un índice de refracción mucho menor; las reflexiones se producen en la superficie que separa la fibra de vidrio y el recubrimiento. En síntesis, la fibra óptica consiste en una guía de luz con materiales mucho mejores que lo anterior en varios aspectos. A esto le podemos añadir que en la fibra óptica la señal no se atenúa tanto como en el cobre, ya que en las fibras no se pierde información por refracción o dispersión de luz consiguiéndose así buenos rendimientos, en el cobre, sin embargo, las señales se ven atenuadas por la resistencia del material a la propagación de las ondas electromagnéticas de forma mayor. Además, se pueden emitir a la vez por el cable varias señales diferentes con distintas frecuencias para distinguirlas, lo que en telefonía se llama unir o multiplexar diferentes conversaciones eléctricas. También se puede usar la fibra óptica para transmitir luz directamente y otro tipo de ventajas en las que no entraré en detalle.

FUNCIONAMIENTO DE UNA F FIBRA Ó ÓPTICA Las fibras ópticas funcionan gracias al principio de la reflexión total interna que se da debido a que la fibra o núcleo tiene un cierto índice de refracción superado por el del revestimiento, por lo tanto el rayo de luz, cuando se “desplaza” por la fibra y choca con la pared de ésta, se produce el mismo efecto que 48



FIGURA 3 - R EFLEXIÓN TOTAL DENTRO DE UNA FIBRA ÓPTICA.

observan los buzos cuando están debajo del agua; éstos, cuando ven hacia arriba hacia la superficie del agua, pueden ver lo que está afuera pero sólo hasta cierto ángulo de la vertical, a partir de este ángulo sólo verán un reflejo de lo que está alrededor de ellos; eso mismo pasa en la fibra, como si ésta fuera el agua, y el revestimiento el aire más arriba de la superfi-

cie, que tiene menor índice de refracción (figura 3). Los rayos de luz pueden entrar a la fibra óptica si el rayo se halla contenido dentro de un cierto ángulo denominado cono de aceptación. Un rayo de luz puede perfectamente no ser transportado por la fibra óptica si no cumple con el requisito del cono de aceptación. El cono de aceptación está directamente asociado a los materiales con los cuales la fibra óptica ha sido construida. La figura 4 ilustra todo t odo lo dicho. Una vez que la luz entra en la fibra óptica dentro del cono de aceptación, es decir, que sí puede ser propagado dentro de ésta, tiene diferentes opciones en su camino: o Viajarr en línea rect Viaja recta: a: Si la fibra fibra está perfe perfectam ctamente ente rect recta, a, y el rayo rayo de de luz se hace hace entrar entrar en una una forma alineada exactamente exactamente igual que la fibra, este rayo puede ir por el centro de la fibra sin tocar en ningún momento las paredes de la fibra, de esta forma el rayo puede viajar distancias muy grandes y llegará de forma muy rápida al otro extremo de la fibra. Esto sería el caso del rayo que se muestra en la figura 4 con el color rojo. Esto nunca sucede, por dos cosas: una, que es muy difícil tener una fibra óptica perfectamente recta, y por otro lado, es difícil alinear el rayo de luz exactamente con la fibra. o Viaje con rebot rebote e en las pared paredes: es: Esto Esto es lo que que sucede sucede en la mayo mayoría ría de de los casos casos.. La luz siem pre entra con un cierto ángulo de apertura en el extremo de la fibra, lo que hace que desde el comienzo del camino el rayo vaya rebotando en las paredes, por lo que va a tardar un cierto tiempo más que el rayo que viaja sin rebotar. Por otro lado el rayo de luz no es un solo rayo como tal, en realidad es un haz de rayos, que pueden tardar diferentes tiempos en llegar al otro extremo, por lo que un mismo rayo tiene un cierto tiempo de duración mayor en el extremo que recibe que en el que manda. Los rebotes suceden además principalmen principalmente te porque las fibras se colocan no siempre en línea recta, normalmente tienen dobleces dobleces y curvaturas cur vaturas que hacen que los rayos se vean forzados f orzados a rebotar muchas veces más que si fuera recto, pero incluso así, la fibra óptica puede transmitir esa luz una distancia de cientos de kilómetros sin necesidad de repetidoras, gracias a que el revestimiento no absorbe nada de la luz transmitida. o Rayo Ray o fuera fuera de de la fibra fibra:: En algun algunos os casos casos extre extremos mos puede puede suced suceder er que que si el cable cable es doblad doblado o muy abruptamente, abruptamente, la luz no pueda seguir rebotando rebotando y viajando a través de la fibra, y se salga de ésta, tal como si se introdujera en la fibra fuera del cono de aceptación. Esto sucede porque hay un ángulo crítico para el que para cierto ángulo menor si hay reflexión total interna, pero para un ángulo mayor no. Esto se muestra en la figura 4 como el rayo de color verde.


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Algo de la señal es degradada dentro de la fibra, sobre todo debido a las impurezas en el cristal. El grado que la señal se degrade depende de la pureza del cristal y de la longitud de onda de la luz transmitida (por ejemplo, 850 nm = 60 a 75 %/km; 1.300 nm = 50 a 60 %/km; 1.550 nm es mayoFIGURA 4 - DIAGRAMA DEL CONO DE ACEPTACIÓN. res de 50 %/km). Algunas fibras ópticas superiores demuestran mucho menos degradación de la señal (menos de 10 %/km en 1.550 nm).

¿CÓMO FUNCIONA UN SISTEMA CON FIBRA Ó ÓPTICA ? En un sistema de transmisión por fibra óptica existe un transmisor que se encarga de transformar las ondas electromagnéticas en energía óptica o luminosa lo que lo convierte en el componente activo de este proceso. Una vez que es transmitida la señal luminosa por las fibras, en otro extremo del circuito se encuentra un tercer componente al que se le denomina detector óptico o receptor, cuya misión consiste en transformar la señal luminosa en energía electromagnética, similar a la señal original. El sistema básico de transmisión se compone en este orden, de señal de entrada, amplificador, fuente de luz, corrector óptico, línea de fibra óptica (primer tramo ), empalme, línea de fibra óptica (segundo tramo), corrector óptico, receptor, receptor, amplificador y señal de salida. En resumen, se puede decir que este proceso de comunicación, la fibra óptica funciona como medio de transportación de la señal luminosa, generado por el transmisor de LED'S (diodos emisores de luz) y láser. Los diodos emisores de luz y los diodos láser son fuentes adecuadas para la transmisión mediante fibra óptica, debido a que su salida se puede controlar rápidamente por medio de una corriente de polarización. Además su pequeño tamaño, su luminosidad, longitud de onda y el bajo voltaje necesario para manejarlos son características atractivas. Los bloques principales de un enlace de comunicaciones de fibra óptica son: Transmisor Receptor R eceptor Guía de fibra Regenerador Regenerad or óptico

El transmisor consiste de una interfase analógica o digital, un conversor de voltaje a corriente, una fuente de luz y un adaptador de fuente de luz a fibra. 50



La guía de fibra es un vidrio ultra puro o un cable plástico. El receptor incluye un dispositivo conector detector de fibra a luz, un foto detector, un conversor de corriente a voltaje un amplificador de voltaje y una interfase analógica o digital En un transmisor de fibra óptica la fuente de luz se puede modular por una señal análoga o digital. Acoplando impedancias y limitando la amplitud amplitud de la señal o en pulsos digitales. El conversor conversor de voltaje a corriente sirve como interfase eléctrica entre los circuitos de entrada y la fuente de luz. La fuente de luz puede ser un diodo emisor de luz LED o un diodo de inyección láser ILD, la cantidad de luz emitida es proporcional a la corriente de excitación, por lo tanto el conversor voltaje a corriente convierte el voltaje de la señal de entrada en una corriente que se usa para dirigir la fuente de luz. La conexión de fuente a fibra es una interfase mecánica cuya función es acoplar la fuente de luz al cable. Tal como ya mencionamos, la fibra óptica consiste de un núcleo de fibra de vidrio o plástico, una cubierta y una capa protectora. El dispositivo de acoplamiento del detector de fibra a luz también es un acoplador mecánico. El detector de luz generalmente es un diodo PIN o un APD (fotodiodo de avalancha). Ambos convierten la energía de luz en corriente. En consecuencia, se requiere un conversor corriente a voltaje que t ransforme los cambios en la corriente del detector a cambios de voltaje en la señal de salida. Debe tener en cuenta que una cierta pérdida de la señal ocurre cuando la luz se transmite a través de la fibra, especialmente cuando son muy largas distancias, por ejemplo con los cables submarinos. Por lo tanto, se deben emplear uno o más regeneradores ópticos a lo largo del cable para repotenciar las señales de luz degradadas. degradadas. Un regenerador óptico consiste en fibras ópticas con una capa especial dopada. Esta porción dopada hace que se emita una nueva luz con un láser. Cuando la señal degradada viene en la capa dopada, la energía del láser permite que las moléculas dopadas se conviertan en los láser ellas mismas.

F ABRICACIÓN DE LA F FIBRA Ó ÓPTICA

FIGURA 5 - P RIMERA ETAPA EN LA FABRICACIÓN DE LA FIBRA, CONSTR CONSTRUCCIÓN UCCIÓN DE LA BARRA DE VIDRIO.

La mayoría de las fibras ópticas se hacen de arena o sílice, materia prima abundante en comparación con el cobre. con unos kilogramos de vidrio pueden fabricarse aproximadamente 43 kilómetros de fibra óptica. Los dos constituyentes esenciales de las fibras ópticas son el núcleo y el revestimiento. el núcleo es la parte más interna de la fibra y es la que guía la luz. El conjunto de núcleo y revestimiento


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está a su vez rodeado por un forro o funda de plástico u otros materiales que lo resguardan contra la humedad, el aplastamiento, los roedores, y otros riesgos del entorno. La primera etapa de fabricación de una fibra óptica consiste en el ensamblado de un tubo y de una barra de vidrio cilíndrico montados concéntricamente, figura 5. Se calienta el todo para asegurar la homogeneidad de la barra de vidrio. Una barra de vidrio de una longitud de 1 m y de un diámetro de 10 cm permite obtener por estiramiento una fibra monomodo de una longitud de alrededor de 150 km. El cristal para el objeto semi-trabajado (barra de vidrio) es hecho por un proceso llamado deposición deposición de vapor químico modificado (MCVD, en inglés), el cual se esquematiza en la parte inferior de la figura 5. En MCVD, el oxígeno se burbujea a través de soluciones del cloruro del silicio (SiCl4), cloruro del germanio (GeCl4) y/o otros productos químicos. La mezcla exacta gobierna las características físicas y ópticas (índice de refracción, el coeficiente de la extensión, el punto de fusión, etc.). Los vapores del gas se conducen al interior de un tubo sintético de silicio o cuarzo (revestimiento) en un torno especial. Mientras el torno da vueltas, una antorcha se mueve arriba y abajo del exterior del tubo. El calor extremo de la antorcha hace dos cosas: - El silicio y el germanio reaccionan con el oxígeno, formando el dióxido del silicio (SiO2) y dióxido del germanio (GeO2). - El dióxido del silicio y del dióxido de germanio se unen en el interior del tubo y se funden juntos para for for mar el cristal.

El torno da vueltas constantemente para hacer una capa uniforme. forme. La pureza del cristal es mantenida usando el plástico resistente a la corrosión en el sistema de la entrega del gas (bloques de la vál vula, tuberías, sellos) y controlando el flujo y la composición de la mezcla. La barra así obtenida será instalada verticalmente en una torre situada en el primer piso y calentada por las rampas a gas, figura 6. El vidrio se comienza a estirar y "colar" en dirección de la raíz para ser enrollado sobre una bobina. Se mide el espesor de la fibra (cerca de 10µm) para dominar la 52

FIGURA 6 - S EGUNDA ETAPA EN LA FABRICACIÓN DE LA FIBRA, ESTIRA ESTIRAMIENT MIENTO O DE LA BARRA DE VIDRIO.



velocidad del motor del enrollador, a fin de asegurar un diámetro constante. Cada bobina de fibra es objeto de un control de calidad efectuado con un microscopio. Después se envuelve el vidrio con un revestimiento de protección (del orden de los 230µm), figura 7, y se ensamblan las fibras para obtener el cable final con una o varias hebras. FIGURA 7 - TERCER ETAPA EN LA FABRICACIÓN DE LA FIBRA, REVESTIMIENTO DE LA FIBRA DE UNA O VARIAS HEBRAS.

Prueba de la fibra óptica acabada La fibra óptica acabada se prueba con las siguientes condiciones:

- Fuerza extensible: debe soportar 100.000 lb/in 2 o más - Perfil del índice de refracción: Determina el índice de refracción y el grado de impurezas en la fibra. - Geometría de la fibra: Se ve que el diámetro de base, las dimensiones del revestimiento y el diámetro de capa son uniformes. - Atenuación: Determina el grado de degradación que sufren las señales luminosas de varias longitudes de onda a una cierta cier ta distancia. - Capacidad de carga de información (ancho de banda): Número de señales que pueden ser llevadas al mismo tiempo (aplica solo a las fibras multi-modo). - Dispersión cromática: Extensión de varias longitudes de onda de la luz con la base (importante para la anchura de banda). - Gama de funcionamiento de temperatura y humedad. - Dependencia de la temperatura de la atenuación atenuación.. - Capacidad de conducir la luz debajo del agua: Importante para los cables submarinos.

Una vez que las fibras pasan el control de calidad, se venden a compañías de teléfono, a las compañías de televisión por cable y a abastecedores de red. red . Muchas compañías están sustituyendo actualmente sus viejos sistemas de alambre de cobre por los nuevos sistemas de fibra óptica para mejorar velocidad, capacidad y claridad.

TIPOS DE FIBRA Ó ÓPTICA Si bien existen muchas formas de clasificar a estos elementos, en principio, podemos decir que hay cables de fibras ópticas con: Núcleo y revestimiento de plástico. Núcleo de vidrio y revestimiento de plástico (PCS = plastic clad silica). Núcleo y revestimiento de vidrio (SCS = silica clad silica).


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ÓPTICAS. FIGURA 8 - TIPOS DE FIBRAS ÓPTICAS

Los conductores de fibra óptica comúnmente utilizados en transmisión de datos son de un grosor comparable a un cabello, variando el núcleo entre los 8 y los 100 mm (micrones), y el revestimiento entre 125 y 140 mm. Adicionalmente, los conductores ópticos tienen un revestimiento de color que sigue un código de identificación o numeración, el cual varía según el fabricante/norma. Existe otra clasificación, según la variación del índice de refracción dentro del núcleo (figura 8), y según la cantidad de MODOS (haces de luz): Multimodo de índice escalonado escalonado o salto de índice [Multimode step index] MM. Multimodo de índice gradual gradual [Multimode graded index] index] MM. Monomodo (índice escalonado) escalonado) [Single Mode step index] SM.

Nota: La cantidad de modos no es infinita y se puede calcular en base al radio del núcleo, la longitud de onda de la luz que se propaga por la fibra y la diferencia de índices de refracción entre núcleo y revestimiento. revestimiento. Fibra Monomodo: Potencialmente, esta es la fibra que ofrece la mayor capacidad de transporte de información. Tiene una banda de paso del orden de los 100GHz/km. Los mayores flujos se consiguen con esta fibra, pero también es la más compleja de implantar. El dibujo de la figura 8 muestra que sólo pueden ser transmitidos los rayos que tienen una trayectoria que sigue el eje de la fibra, por lo que se ha ganado el nombre de "monomodo" (modo de propagación, o camino del haz luminoso, único). Son fibras que tienen el diámetro del núcleo en el mismo orden de magnitud que la longitud de onda de las señales ópticas que transmiten, es decir, de unos 5 a 8 mm. Si el núcleo está constituido de un material cuyo índice de refracción es muy diferente al de la cubierta, entonces se habla de fibras monomodo de índice escalo54



nado. Los elevados flujos que se pueden alcanzar constituyen la principal ventaja de las fibras monomodo, ya que sus pequeñas dimensiones implican un manejo delicado y entrañan dificultades de cone xión que aún se dominan mal. Fibra Multimodo de Índice Gradiante Gradual: Las fibras multimodo de índice de gradiente gradual tienen una banda de paso que llega hasta los 500MHz por kilómetro y se muestra también en la figura 8. Su principio prin cipio se basa en que el índice de refracrefr acción en el interior del núcleo no es único y decrece cuando se desplaza del núcleo hacia la cubierta. Los rayos luminosos se encuentran enfocados hacia el eje de la fibra, como se puede ver en el dibujo. Estas fibras permiten reducir la dispersión entre los diferentes modos de propagación a través del núcleo de la fibra. La fibra multimodo de índice de gradiente gradual de tamaño 62,5/125 µm (diámetro del núcleo/diánúcl eo/diámetro de la cubierta) está normalizado, pero se pueden encontrar otros tipos de fibras: Multimodo de índice escalonado escalonado 100/140 µm. Multimodo de índice de gradiente gradual gradual 50/125 µm.

Como se puede observar en la gráfica del centro de la figura 8, en el núcleo de una fibra multimodo de índice gradual el índice de refracción es máximo en el centro y va disminuyendo radialmente hacia afuera hasta llegar a igualarse al índice del revestimiento justo donde éste comienza. comienza . Por esto es que los modos (haces) se van curvando cur vando como lo muestra el dibujo. Dado que la velocidad de propagación de un haz de luz depende del índice de refracción, sucederá entonces que los modos al alejarse del centro de la fibra por un lado viajarán más rápido y por otro, al curvarse, recorrerán menor distancia, resultando todo esto en un mejoramiento del ancho de banda respecto a la deíndice escalonado. Existe además un tipo de fibra denominada DISPERSION SHIFTED (DS) (dispersión desplazada) de la cual sólo se dirá aquí que no debe empalmarse con las comunes. También está la fibra del tipo NZD (Non Zero Dispersion) la cual posee un núcleo más reducido (6m) y requiere un cuidado especial al empalmarla. Otros tipos son: CS (Cut-off shifted), NZ-DS (Non-Zero Dispersion shifted) y ED (Er doped).

Fibra Multimodo de Índice Escalonado: Las fibras multimodo de índice escalonado están fabricadas a base de vidrio, con una atenuación de 30 dB/km, dB/km, o plástico, con una atenuación de 100 dB/km. Tienen una banda de paso que llega hasta los 40MHz por kilómetro y puede observar sus características en la parte inferior de la figura 8. En estas fibras, el núcleo está constituido por un material uniforme cuyo índice de refracción es claramente superior al de la cubierta que lo rodea. El paso desde el núcleo hasta la cubierta conlleva por tanto una variación brutal del índice, de ahí su nombre de índice escalonado.


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C ABLES DE FIBRA Ó ÓPTICA Un cable de fibra óptica está compuesto por un grupo de fibras ópticas por el cual se transmiten señales luminosas. Las fibras ópticas comparten su espacio con hiladuras de aramida que le confieren la necesaria resistencia a la tracción, figura 9. Los cables de fibra óptica proporcionan una alternativa sobre los coaxiales en la industria de la electrónica y las telecomunicaciones. Así, un cable con 8 fibras ópticas tiene un tamaño bastante más pequeño que los utilizados habitualmente, puede soportar las mismas comunicaciones que 60 cables de 1623 pares de cobre o 4 cables coaxiales de 8 tubos, todo ello con FIGURA 9 - C ONSTIT ONSTITUCIÓN UCIÓN DE UN CABLE DE FIBRAS ÓPTICAS ÓPTICAS. una distancia entre repetidores mucho mayor. mayor. Por otro lado, el peso del cable de fibra óptica es muchísimo menor que el de los coaxiales, ya que una bobina del cable de 8 fibras antes citado puede pesar del orden de 30 kg/km, lo que permite efectuar tendidos de 2 a 4 km de una sola vez, mientras que en el caso de los cables de cobre no son prácticas distancias superiores a 300 m. La “fibra óptica” no se suele emplear tal y como se obtiene tras su proceso de creación (tan sólo con el revestimiento primario), sino que hay que dotarla de más elementos de refuerzo que permitan su instalación sin poner en riesgo al vidrio que la conforma. Es un proceso difícil de llevar a cabo, ya que el vidrio es quebradizo y poco dúctil. Además, la sección de la fibra es muy pequeña, por lo que la resistencia que ofrece a romperse es prácticamente nula. Es por tanto necesario protegerla mediante la estructura que denominamos cable. Las funciones del cable de fibra óptica son varias: Actúa como elemento de de protección de la(s) la(s) fibra(s) óptica(s) óptica(s) que hay en su interior interior frente a daños y fracturas que puedan pr oducirse oducirse tanto en el momento de su instalación como a lo largo de la vida útil de ésta. Proporciona Propor ciona suficiente consistencia mecánica para que pueda manejarse en las mismas condiciones de tracción, compresión, torsión y medioambientales que los cables de conductores. Para ello incorporan elementos de refuerzo y aislamiento frente al exterior. exterior. Podemos decir que la solución a los problemas de interferencia interferenciass electromagn electromagnéticas éticas más sencilla consiste en eliminar eliminar la transmisión de señales eléctricas. eléctricas.

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F U NCIONAN , V ENT E NTAJ AJ AS Y A PL IC AC I ON E S IB I B RA S Ó PT P T I C A S : C ÓM O F UNCIONAN Esto se ha logrado utilizando redes redes de fibra óptica en los cuales el medio de transmisión es la luz en vez de una señal eléctrica que viaja por un conductor conductor de cobre.

La fibra óptica está compuesta por cristal o plástico del grosor de un cabello y en sus extremos se colocan LED emisores láser para introducirle impulsos de luz que transportan la información. La luz no escapa del interior debido a las propiedades propiedades reflectantes de las capas superficiales de la fibra que a su vez está recubierta de una capa protectora exterior. La fibra óptica suele emplearse únicamente a las redes frontales debido a su alto costo por metro y a la necesidad de contar con personas capacitadas para su empleo o colocación.

C ARACTERÍSTICAS DE LAS FIBRAS ÓPTICAS Daremos en principio las características generales que debe reunir una fibra óptica para su uso en un sistema de comunicaciones: 1) La cobertura debe ser resistente: La cubierta especial se fija a alta presión directamente sobre el mismo núcleo del cable, resultando en que la superficie superficie interna de la cubierta del cable tenga aristas helicoidales que se aseguran con los subcables, figura 10. La cubierta contiene 25% más material que las cubiertas convencionales. 2) Debe ser de uso dual (interior y exterior): El cable de fibra óptica debe tener resistencia al agua, hongos y emisiones ultra violeta, figura 11. La cubierta resistente; un buffer de 900 µm con fibras ópticas probadas bajo 100 kpsi y funcionamiento ambiental extendido; contribuyen a una mayor confiabilidad durante el tiempo de vida. En cables de tubo holgado rellenos de gel, el gel dentro de la cubierta se asienta dejando canales que permitan que el agua migre hacia los puntos de terminación, figura 12. El agua puede acumularse en pequeñas piscinas en los vacíos, y cuando la delicada fibra óptica es expuesta, la vida útil es recortada por los efectos dañinos del agua en contacto. combaten la intrusión de humedad con múltiples capas FIGURA 11 - EL CABLE DE FIBRA ÓPTICA TIENE MAYOR PROTEC de protección alrededor de la CIÓN EN LUGARES HÚMEDOS HÚMEDOS. fibra óptica. El resultado es una FIGURA 10 - LA COBERTURA DE UNA FIBRA ÓPTICA DEBE SER RESISTENTE.


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mayor vida útil, mayor confiabilidad especialmente ambientes húmedos. 3) Debe tener protección anti-infla mable: Los nuevos avances en protección antiinflamable hace que disminuya el riesgo que suponen las instalaciones antiguas de fibra óptica que contenían cubiertas de material inflamable y relleno de gel que también es inflamable, inflamable, figura 13. Estos materiales no pueden cumplir con los requerimientos de las normas de instalación, presentan un riesgo adicional, y pueden además crear un reto costoso y difícil en la restauración después de un incendio. Con los nuevos avances en este campo y en el diseño de estos cables se eliminan estos riesgos y se cumple con las normas de instalación.

FIGURA 12 - CABLE DE FIBRA ÓPTICA TÍPICO, RELLENO DE GEL.

4) Poseen empaquetado de de alta densidad: Con el máximo número de fibras en el menor diámetro posible se consigue una MAYOR YOR SEGURIDAD, LOS CABLES FIGURA 13 - PARA MA DE FIBRA ÓPTICA POSEE PROTECCIÓN ANTI-FLAMA. más rápida y más fácil instalación, instalación , donde el cable debe enfrentar dobleces agudos y espacios estrechos. Se ha llegado a conseguir un cable con 72 fibras de construcción súper densa cuyo diámetro es un 50% menor al de los cables convencionales.

C ARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LAS FIBRAS ÓPTICAS La fibra es un medio de transmisión de información analógica o digital. Las ondas electromagnéticas viajan en el espacio a la velocidad de la luz. Básicamente, la fibra óptica está compuesta por una región cilíndrica, por la cual se efectúa la propagación, denominada núcleo y de una zona externa al núcleo y coaxial con él, totalmente necesaria para que se produzca el mecanismo mecanismo de propagación, y que que se denomina envoltura o revestimiento. La capacidad de transmisión de información que tiene una fibra óptica depende de tres características fundamentales: a) Del diseño geométrico de la fibra. b) De las propiedades de los materiales empleados en su elaboración (diseño (diseño óptico).

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F U NCIONAN , V ENT E NTAJ AJ AS Y A PL IC AC I ON E S IB I B RA S Ó PT P T I C A S : C ÓM O F UNCIONAN c) Del ancho espectral de la fuente de luz utilizada. Cuanto mayor sea este ancho, menor será la capacidad de transmisión de información de esa fibra.

Un cable de 10 fibras tiene un diámetro aproximado de 8 o 10 mm. y proporciona la misma o más información que un coaxial de 10 tubos. El peso del cable de fibras ópticas es muy inferior al de los cables metálicos, redundando en su facilidad de instalación. El sílice tiene un amplio margen margen de funcionamiento en lo referente a temperatura, pues funde a 600C. La fibra óptica presenta un funcionamiento uniforme desde -550 C a +125C sin degradación de sus características. Características Mecánicas: La fibra óptica, como elemento resistente dispuesto en el interior de un cable formado por agregación de varias de ellas, no tiene características adecuadas de tracción que permitan su utilización directa. Por otra parte, en la mayoría de los casos las instalaciones se encuentran a la intemperie o en ambientes agresivos que pueden afectar al núcleo. La investigación sobre componentes optoelectrónicos y fibras ópticas han traído consigo un sensible aumento de la calidad de funcionamiento de los sistemas. Es necesario disponer de cubiertas y protecciones de calidad capaces de proteger a la fibra. Para alcanzar tal objetivo hay que tener en cuenta su sensibilidad a la curvatura y microcurvatura, la resistencia mecánica y las características de envejecimiento. Las microcurvaturas y tensiones se determinan por medio de los ensayos de: Tensión: cuando se estira o contrae el cable se pueden causar fuerzas que rebasen el porcentaje de elasticidad de la fibra óptica y se rompa o formen microcurvaturas. Compresión: es el esfuerzo transversal. Impacto: se debe principalmente a las protecciones del cable óptico. Enrollamiento: existe siempre un límite para el ángulo de curvatura pero, la existencia del forro impide que se sobrepase. Torsión: es el esfuerzo lateral y de tracción. Limitaciones Térmicas: estas limitaciones difieren en alto grado según se trate de fibras realizada realizadass a par tir tir del vidrio o a partir de materiales sintéticos.

Otro objetivo es minimizar las pérdidas adicionales por cableado y las variaciones de la atenuación con la temperatura. Tales diferencias se deben a diseños calculados a veces para mejorar otras propiedades, como la resistencia mecánica, la calidad de empalme, el coeficiente de relleno (número de fibras por mm2) o el costo de producción.

ENTAJAS DE LA F V ENTAJAS FIBRA Ó ÓPTICA

La fibra óptica hace posible navegar por Internet Internet a una velocidad de dos millones de bps. Acceso ilimitado y continuo las 24 horas del día, sin congestiones. Video y sonido en tiempo real. Fácil de instalar. instalar.


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Es inmune al ruido y las interferencias, como ocurre cuando un alambre alambre telefónico pierde parte de su señal a otra. Las fibras no pierden luz, por lo que la transmisión es también segura y no puede ser perturbada. Carencia de señales eléctricas en la fibra, por lo que no pueden dar sacudidas ni otros peligros. Son convenientes para trabajar en ambientes explosivos. Presenta dimensiones dimensiones más reducidas que los medios preexistentes. preexistentes. El peso del cable de fibras ópticas ópticas es muy inferior al de de los cables cables metálicos, capaz de llevar un gran número de señales. Compatibilidad Compatibilida d con la tecnología digital.

DESVENTAJAS DE LA F FIBRA Ó ÓPTICA Sólo pueden suscribirse las personas que viven en las zonas de la ciudad por las cuales ya esté instalada la red de fibra óptica. El costo es alto en la conexión conexión de fibra fibra óptica, las empresas empresas no cobran por por tiempo de utilización utilización sino por cantidad de información transferida transferida al computador, computador, que se mide en megabytes. El costo de instalación es elevado. Fragilidad de las fibras. Disponibilidad Disponibilidad limitada de conectores. Dificultad de reparar un cable de fibras roto en el campo.

CONECTORES USADOS EN SISTEMAS CON FIBRAS ÓPTICAS Uno de los aspectos más importantes a considerar a la hora de realizar una conexión son los empalmes y conexiones. Con la fibra óptica se pueden usar acopladores y conectores: Acopladores: Un acoplador es básicamente la transición mecánica necesaria para poder dar continuidad al paso de luz del extremo de un cable de fibra óptica a otro . Pueden ser provistos también acopladores de tipo "híbridos", que permiten acoplar dos diseños distintos de conector, uno de cada lado, condicionado a la coincidencia del perfil del pulido. Conectores: Para la terminación de una fibra óptica es necesario utilizar conectores o empalmar Pigtails (cables armados con conector) por medio de fusión. Para el caso de uso de conectores se encuentran distintos tipos de conectores dependiendo el uso y la normativa mundial usada y sus características. FC, que se usa en la transmisión de datos y en las telecomunicaci telecomunicaciones. ones. FDDI, se usa para redes de fibra óptica. LC y MT-Array MT-Array que se utilizan en transmisiones de alta densidad de datos. SC y SC-Dúplex se utilizan para la transmisión de datos. ST o BFOC se usa en redes de edificios y en sistemas de seguridad.

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En la figura 14 podemos observar algunos conectores empleados para empalmes y conexiones con fibras ópticas. Se recomienda el conector 568SC pues éste mantiene la polaridad. La posición correspondiente a los dos conectores del 568SC en su adaptador, se denominan como A y B. Esto ayuda a mantener la polaridad correcta en el sistema de cableado y permite al adaptador a implementar polaridad inversa acertada de pares entre los conectores. Identificación: Los conectores y adaptadoadaptado res Multimodo se represen representan tan con un color marfil mientras que los conectores y adaptadores Monomodo se representan con un color azul.

FIGURA 14 - CONECTORES PARA FIBRAS ÓPTICAS.

FIGURA 15 - CONECTOR ST PARA FIBRA ÓPTICA.

La figura 15 muestra un conector ST de Fibra para Monomodo o Multimodo con uso habitual en Redes de Datos y equipos de Networking locales en forma Multimodo. Este veterano conector ha sido durante mucho tiempo el más empleado para finalizar fibras ópticas multimodo (FMM), hoy en día está en desuso, no obstante sigue muy presente en multitud de instalaciones. Su diseño se inspira en los conectores para cables coaxiales, tiene un sistema de anclaje por bayoneta que hace de este conector un modelo muy resistente a las vibraciones por lo que es especialmente indicado para entornos exigentes. ST se considera como un conector óptico de segunda generación. generación. Las principales características: Pérdidas típicas de inserción FMM < 0,3 dB, FSM < 0,2 dB Pérdidas típicas de retorno FMM > 25 dB, FSM > 55 dB


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La estructura de este conector se resume viendo nuevamente la figura 15, en la cual: 1) Ferrule, debe albergar la fibra y alienarla. La calidad del ferrule es determinante para lograr que la fibra esté correctamente centrada y se logre la mejor conexión posible. El ferrule en conectores ST tiene un diámetro exterior de 2,5 mm, siendo el orificio interior de 127 um para las FMM. Los ferrule pueden ser de metal, cerámica o plástico. 2) Cuerpo metálico, con una marca que sólo permite su inserción en una posición, posición, una vez introducido se gira un cuarto de vuelta y queda fijado por un resorte con mecanismo de bayoneta. 3) Anillo de crispado. 4) Manguito, Manguito, imprescindible para dar rigidez mecánica al con junto y evitar la rotura de la fibra. 5) Resorte, permite cerrar o liberar el mecanismo de bayoneta.

FIGURA 16 - CONECTOR FC.

FIGURA 17 - CONECTOR SC.

FC es un conector de fibra óptica para Monomodo o Multimodo con uso habitual en telefonía y CATV en formato Monomodo y Monomodo Angular. La figura 16 muestra este tipo de conector con ferrule de circonio y pulido angular convexo a 8º con altas pérdidas de retorno. retorno . Además de sus óptimas características ópticas, este conector es el estándar de facto y es compatible con todos los conectores APC en cumplimiento del estándar NTT-FC y la norma I-ETS 300 671. Empleado para interconexión en planta por compañías operadoras de todo el mundo en aplicaciones de CATV, redes de telefonía, equipos de medida...donde se requiere un excelente comportamiento de la conexión óptica. SC es un conector de fibra óptica para Monomodo y Multimodo con uso habitual en telefonía en formato monomodo. monomodo. La figura 17 muestra un conector SC con ferrule de circonio y pulido angular convexo a 8º con altas pérdidas de retorno. Este conector permite una alta densidad de conexión en repartidores frente a otros estándares, siendo empleados para interconexión en planta por compañías operadoras de todo el mundo en aplicaciones de CATV, telefonía y donde se requiera un excelente comportamiento de la conexión óptica. El uso de la fibra óptica es muy variado, desde comunicaciones digitales, pasando por sensores y llegando a usos decorativos, como árboles de Navidad, veladores y otros elementos similares. La fibra monomodo se emplea en cables submarinos, cables interurbanos, etc. También se emplea como medio de transmisión para las redes de telecomunicaciones, ya que por su flexibilidad los conductores ópticos pueden agruparse formando cables. Las fibras usadas en este campo son de plástico o de vidrio, y algunas veces de los dos tipos. t ipos. Para Para usos interurbanos son de vidrio, por la baja atenuación que tienen. La fibra óptica posee una variante llamada FTP (No confundir con el protocolo FTP) El FTP o Par trenzado de fibra óptica en español, es la combinación de la fiabilidad del par trenzado y la velocidad de la fibra óptica, se emplea solo en instalaciones científico-militares gracias a la velocidad de transmisión 10gb/s, no está disponible para el mercado civil actualmente, su costo es 3 veces mayor al de la fibra óptica. Para las comunicaciones se emplean fibras multimodo y monomodo, usando las multimodo para distancias cortas (hasta 5000 m) y las monomodo para acoplamientos de larga distancia. ☺ 62


APÍTULO O 4 C APÍTUL Mucho se habla en la actualidad de la televisión de alta definición, de la televisión digital y de la televisión por satélite, en general hay quienes asocian estos términos entre si, aunque son por definición, totalmente independientes. Los sistemas satelitales de comunicaciones datan desde hace más de 50 años y hoy en día se pueden disfrutar de muchos servicios (en general multimedia) gracias a su cobertura. En este capítulo veremos qué es un sistema de comunicaciones vía satélite y cómo se pueden captar señales de TV satelital sin tener que pagar a un proveedor.

S ISTEMAS DE

DE

R ECEPCIÓN

T V S ATELITA L

INTRODUCCIÓN El origen de las comunicaciones por satélites comienza en 1957, cuando la unión Soviética lanza el primer satélite artificial llamado Sputnik I que marca el inicio de la carrera espacial. Un año después EEUU lanza el SCORE que transmitía un mensaje grabado. Más tarde en 1960-1964 se fabricaron los primeros satélites experimentales para comunicaciones en tiempo real (ECHO I, Curier, Telstar I, Relay I) usados para establecer enlaces de comunicaciones de voz, video y datos entre las costas Este y Oeste de EEUU. En 1964, se lanza el primer satélite colocado en la órbita de Clarke (geoestacionaria) Sycom II. El Sycom III proporcionó comunicaciones a través del Pacífico (retransmisión de los juegos olímpicos de Tokyo). En 1965, se crea la primera Organización Or ganización Internacional de Satélites: Intelsat. Casi diez años más tarde, EEUU lanza una serie de satélites llamados Marisat para el uso de navegación a bordo mundial. Más tarde, una organización internacional, Inmarsat, se hizo cargo de ellos. La principal ventaja del satélite es que es una tecnología apropiada para transmitir señales de gran ancho de banda: Entre estaciones terrenas terrenas separadas a gran distancia (internacionales, (internacionales, transoceánicas, transoceánicas, etc.).

A zonas inaccesibles o cuya cobertura resulta poco rentable rentable (rural) mediante infraestructura infraestructura terrestre.


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CA C I O NE NE S L A S C O M U N I CA

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S IGLO X X I

Con coberturas muy extensas. A sistemas con terminales móviles: barcos, aviones, flota camiones, etc. Un satélite que actúa como repetidor consigue establecer comunicación entre dos estaciones terrenas a larga distancia, en lugar de los N enlaces terrestres necesarios. Tres satélites espaciados 120 grados sobre la órbita geoestacionaria con cobertura global pueden establecer una comunicación entre dos puntos cualesquiera del globo terráqueo (excepto los polos), con las siguientes características:

Gran distancia entre el satélite y las estaciones terrenas : Las pérdidas en espacio libre son elevadas (del orden de 200 dB), por ello es necesario optimizar la ganancia de la antena , la eficiencia del transmisor, la figura de ruido del receptor y otros aspectos de modulación y codificación de la señal.

Retraso en la señal, que en ocasiones puede provocar problemas de latencia en aplicaciones sensibles a este parámetro.

Acceso múltiple y estaciones terrenas: Debe permitir el servicio a un número grande y variable de usuarios de forma simultánea y eficiente con el mínimo control externo posible. También son accesibles por los usuarios y a la vez potentes y suficientemente sofisticadas para poderse comunicar de forma eficiente con los satélites.

Diseño del satélite: Optimización del tamaño y el peso para reducir el costo de la puesta en órbita, utilizar el mínimo posible de energía y prolongar la vida útil. Flexibilidad en la implementación de canales de comunicaciones.

Autonomía: Capaz de funcionar sin mantenimiento en un entorno hostil.

ERVICI ICIOS OS DE COMUNICACIONES ESPACIALES SERV

Los servicios principales de comunicaciones espaciales son:

Servicio fijo por satélite (SFS): comunicaciones entre estaciones terrenas localizadas en puntos fijos a través de satélite.

Radiodifusión directa por satélite (DBS o DTH): difusión de sonido e imagen a receptores individuales o colectivos.

Servicio móvil por satélite (SMS): comunicaciones entre estaciones terrenas móviles (marítimas, aeronáuticas o terrestres) a través de satélite.

Servicio de radiodeterminación por satélite: para determinar la posición y velocidad de un objeto (navegación y posicionamiento).

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S IS I S T E M A S

D E

R EC E C E P C I Ó N

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T V S AT E L I TA L

Servicio de operación espacial para la operación del satélite: telemedida, telemando y seguimiento.

Servicio de radioaficionados por satélite Servicio entre satélites para enlaces entre satélites. Los sistemas de satélites se pueden clasificar en: Sistemas globales: consorcios internacionales internacionales con cobertura global Sistemas regionales: organizaciones organizaciones internacionales internacionales Sistemas domésticos: operadores asociados asociados a cada país. En la tabla 1 se puede apreciar una clasificación que comprende los principales sistemas satelitales y cuáles son los servicios serv icios que prestan. Sobre América Latina, el Hispasat es el más representativo de este listado, por la cantidad de canales de radio, TV y datos que contiene. Por ejemplo, los “amantes” de la TV quizá utilicen al Amazonas como “bandera” (Hispasat puso en órbita al Amazonas 2 en octubre de 2009), por la cantidad de sitios de Internet disponibles que brindan datos sobre la forma de desencriptar canales de pago disponibles en dicho satélite. En la tabla 2 puede observar la asignación de frecuencias para las diferentes bandas y ser vicios, tanto para la subida por parte de las emisoras (UPLINK) como de bajada por parte de los receptores (DOWNLINK).

Banda C (6/4GHz)

TABLA 1

V entajas: entajas: Menos susceptible a interrupciones por lluvia. Inconvenien Inconvenientes: tes: Banda congescongestionada (compartida con microondas terrestre). Tamaño de las antenas receptoras mayores debido a bajo nivel de PIRE del satélite y al bajo espaciado entre satélites (2º).

Banda Ku (17/12GHz)

TABLA 2

V entajas: entajas: La banda banda de frecuenfrecuencias se usa únicamente para satélite. Tamaño de antenas más pequeño gracias a mayor ganancia y a mayor PIRE satelital.


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S IGLO X X I

Inconvenientes: Afectada por la atenuación de la lluvia y despolarización. Pérdidas Pérdidas en la línea de transmisión de coaxial y del guía onda elevadas.

ENER ERAL AL DE DELL SIS ISTE TEMA MA DE COMUNICACIONES V ÍA ÍA S ATÉLITE DESCRIPCIÓN GEN

Reiteramos que un sistema de comunicaciones por satélite está formado por unas estaciones terrenas, para la transmisión y recepción de las señales, y satélites situados en una órbita geoestacionaria, a unos 36.000 km de la superficie de la Tierra, que recogen, amplifican y retransmiten las señales enviadas desde las estaciones terrenas. Se necesitan además estaciones que permitan el seguimiento del satélite, así como el control y la l a supervisión, tanto del satélite como de los sistemas de comunicaciones, a través de telemando y telemedida de los mismos. En el caso de radiodifusión directa de televisión vía satélite el servicio que se dá es de tipo unidireccional por lo que normalmente se requiere una estación transmisora única, que emite los programas hacia el satélite, y numerosas estaciones terrenas de recepción que captan las señales provenientes del satélite. Otros tipos de servicios son bidireccionales y las estaciones terrenas son de transmisión y recepción. Un requisito importante del sistema es el conseguir que las estaciones sean lo más económicas posibles para hacerlas accesibles a un gran número de potenciales usuarios, lo que se consigue utilizando antenas de pequeño diámetro y retransmisores de baja potencia. Naturalmente que la economía de escala en aquellas aplicaciones que lo admiten es un factor determinante del coste. Para poder reducir la dimensión de las antenas receptoras en tierra se requiere la utilización de tubos amplificadores de gran potencia a bordo del satélite, lo que a su vez exige la utilización de grandes paneles solares que generen la potencia primaria necesaria para alimentar a estos tubos. La función principal de la estación terrena transmisora es la adecuación de las señales para su transmisión hacia el satélite, desde el que se realizará la difusión de las mismas. Su misión es conceptualmente el mismo que el de una estación convencional de telecomunicaciones, dado que el procesamiento de la señal a transmitir es similar en todos los casos. Por tanto la estación estará formada por un subsistema de antena, un subsistema de seguimiento para apuntar el haz hacia el satélite deseado, un subsistema de transmisión / recepción en radiofrecuencia, una etapa de conversión de frecuencia, modulación y demodulación y un sistema de conexión con las redes terr enales, así como lógicamente el suministro de energía para toda la estación. En principio la cadena de recepción no es estrictamente necesaria en la estación transmisora de los servicios de radiodifusión que implican una comunicación de tipo unidireccional, sin embargo sería con veniente supervisar las portadoras transmitidas a través del satélite por lo que se debe considerar la cadena de recepción como parte integrante de la estación transmisora. Naturalmente que en las estaciones de solo recepción no hay cadena transmisora y que en general las estaciones de transmisión y recepción tienen ambas. El dimensionado, la configuración y la interconexión de los diferentes números de canales a transmitir, así como del sistema de redundancia que se adopte. En el canal de transmisión la señal, una vez modulada en frecuencia o en fase, se traslada a la frecuencia de transmisión pasando luego por el amplificador de alta potencia. Esta cadena constará de tantas vías como canales se vayan a utilizar en un satélite. El control y super visión del sistema de comunicaciones debe realizarse en otra estación separada, en la que se ubique el centro de control en el que se procesa la información que permite tomar

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S IS I S T E M A S

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T V S AT E L I TA L

las decisiones necesarias de estructuración del sistema y que permite tomar las medidas correctoras que pudieran necesitarse. Las funciones de control y supervisión pueden subdividirse como sigue: a) Telecontrol y telemedida del satélite. b) Pruebas periódicas en órbita de los parámetros principales del subsistema de la estación dependerá fundamentalmente del módulo de comunicaciones comunicaciones del satélite. c) Supervisión de la calidad y características de las señales que se emiten a través del satélite.

Figura 1

Figura 2

Por supuesto que el elemento más característico del sistema es el propio satélite. Un satélite de comunicaciones consta de un módulo de servicio, servicio , que comprende los aparatos necesarios para el mantenimiento del satélite en órbita, y un módulo de comunicaciones específico para la misión o misiones a cumplir. Dentro del módulo de servicio pueden destacarse los subsistemas de suministro de energía, de estabilización del satélite, de control orbital del mismo, control térmico, telecontrol y telemedida y, finalmente, estructura mecánica del propio satélite. Las figuras 1 y 2 muestran dos formas típicas de comunicación entre satélites y estaciones terrenas y entre los propios satélites con diferentes centros de comunicación terrestre.

DBS (DIRECT BROADCAST S ATELLITE) DBS brinda un servicio de radiodifusión por satélite de señales de vídeo, audio y datos sobre una extensa zona predeterminada, permitiendo la recepción con terminales de pequeño diámetro (menor de un metro de diámetro). En la figura 3 podemos observar un diagrama que nos dá una idea de de funcionamiento del sistema. Tal como veremos en el próximo capítulo, la instalación unifamiliar consta de antena, alimentador, LNB y una unidad interior que hace las funciones de demodulador de FI del canal


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deseado y modulador de Figura 3 RF en un nuevo canal. La instalación para una comunidad de vecinos consta de un número de elementos mayor, al hacerse necesario demodular continuamente todos los canales que se quieren recibir y amplificar todos los canales de RF generados. Veamos un análisi anál isiss detallado de los elementos que componen el sistema:

Antena: La antena con reflector parabólico se ha convertido en el símbolo del receptor terr eno en un sistema de transmisión de señales de TV vía satélite. Su misión es captar la señales emitidas por el satélite y concentrarlas en el alimentador. La relación C/N que se puede conseguir depende del tamaño de la antena, por lo que las antenas se eligen con el tamaño mínimo para que la señal recibida llegue a los mínimos requeridos por los equipos de instalación.

Alimentador: El alimentador se encarga de recoger las microondas concentradas en el foco de la parábola y pasarlas al elemento siguiente. El alimentador permite recibir todas las polaridades que llegan a la antena, las cuales serán separadas más adelante. Para separar las dos polaridades más usuales (polarización lineal, vertical y horizontal) hay dos tipos de dispositivos, uno para instalaciones de vecinos: ortomodo, ortomodo, y otro para instalaciones unifamiliares: polarrotor unifamiliares: polarrotor . El Polarrotor permite Polarrotor permite la recepción de las dos polaridades utilizando un solo conversor LNB. Su funcionamiento se basa en el giro de 90º de una sonda situada en su interior. Como se pierde los canales de la otra polaridad no puede utilizarse en instalaciones colectivas. El Or tomodo tomodo permite la recepción simultánea de señales con polarización vertical y horizontal mediante la utilización de un repartidor de guías de onda en el que una de las guías se gira 90º. A él se tendrá t endrá que conectar dos conversores LNB, uno para cada polarización.

LNB: Son conversores que se encargan de convertir en bloque las señales en las bandas 10.9511.7GHz, 11.7-12.5GHZ ó 12.5-12.75GHz a una frecuencia intermedia situada entre 950 y 1750MHz con un bajo factor de ruido. Además de realizar la conversión, estos dispositivos tienen una elevada ganancia (50 dB) lo que permite conectarlos a un número elevado de unidades interiores de conversión a RF sin amplificador auxiliar. auxiliar.

Dispositivo multisatélite: Este dispositivo es auxiliar y se utiliza para acceder a más de un satélite con una sola antena, sin necesidad de redireccionarla. Este dispositivo recibe el haz de la antena de una manera proporcional al desplazamiento del bloque de alimentación, el cual engloba todos los elementos anteriores y está situado en el foco de la parábola.

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Actuador lineal o tracker: Es un sistema de orientación automática que proporciona el movimiento necesario para poder rastrear con el disco parabólico un arco celeste de unos 180º y memoriza la posición de la antena necesaria para captar la señal de cada uno de los satélites situados en ese arco. El tracker se compone básicamente de un brazo telescópico que se extiende y contrae comandado por una unidad de control computarizada.

Unidad interior individual: Se trata del receptor sateiltal. Esta unidad realiza las funciones de sintonía y de modulación dentro de un canal específico dentro dentro del bloque de canales recibidos recibidos del LNB en la primera conversión a FI. Esta unidad se compone de las siguientes etapas: 1.- Conversor de 1ª FI a 2ª FI. 2.- Demodulador . 3.- Procesado de vídeo. 4.- Modulador de RF 5.-Control de dispositivos externos.

Repartidores de FI: Dispositivo para instalaciones colectivas. La salida de los LNB va a repartidores de FI a cuya salida se conectan unidades interiores sintonizadas a los canales que se quieren recibir.

Unidades interiores monocanales: Funcionan como las unidades individuales pero sintonizadas a un solo canal. canal. Constan de tres bloques básicos: 1. Demodulador. 2. Procesador de audio-vídeo. 3. Modulador de RF. ¿Qué diferencia hay entre servicios DBS y servicios ser vicios de banda C? La diferencia entre servicios DBS y de banda C es que el DBS utiliza antenas más pequeñas que las que se usan en banda C , de hecho, hecho, estas antenas de banda C se suelen llamar BUDs (Big Ugly Dishes). Además estas BUDs deben girarse para recibir señales de diferentes satélites, y en algunos casos se requiere pagar separadas subscripciones para decodificar estas señales, a excepción de las señales (cada vez menos) en abierto. abierto. Otra diferencia es que las antenas DBS son pequeñas y estacionarias, estacionarias, y en general se requiere pagar sólo a un proveedor.

Ventajass del DBS: Ventaja Más elección: elección: DBS ofrece un elemento muy importante en el mundo de la televisión de pago: competitividad. Esto no se produce en el cable, donde su monopolio no incentiva la adición de nuevas ofertas. Así en EE.UU. , por ejemplo, hay ya 3 proveedores de DBS. Acceso rural: En algunas zonas rurales las redes de cable no están disponibles, mientras que el DBS al ser un servicio por satélite puede alcanzar estas zonas. Servicio fiable: El servicio de cable depende de que no hayan caídas en la red o de que no se rompa algún cable. El servicio DBS sólo puede verse afectado por un tiempo meteorológico muy severo o por interferencias solares durante los equinoccios, lo cual es raro.


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C APACIDAD DE LOS S ATÉLITES EN C ANALES DE TV DIGITALES Un ancho de banda usual para un transpondedor tr anspondedor analógico de un sistema de satélites de DBS es de 36MHz. En este ancho de banda es posible utilizar una modulación de datos de 28 millones de símbolos por segundo. Esto hace que si se utiliza utili za una modulación 4-QPSK, sean necesarios 2 bits por símbolo y por tanto la capacidad de transmisión por transpondedor sea de unos 56 Mbit/s. Esta no es la velocidad útil puesto que hay que descontar los bits en exceso como las correcciones de error de tipo Reed-Solomon y la convolución de Viterbi. Así la velocidad útil es de unos 39 Mbit/s. En el escenario típico anterior significa 8 canales por transpondedor analógico para un escenario típico. Un sistema de 5 transpondedores, por ejemplo el satélite Hispasat, permitiría unos 40 canales de TV y un sistema de 11 transpondedores podría llegar a los 90 canales de TV digital. Los satélites para TV se clasifican básicamente en tres tipos: 1. Satélites de baja potencia Ps<30W. 2. Satélite de mediana potencia DTH (Direct To Home) con 30 W100W. Ps>100W. Existen muchos satélites comerciales de TV, entre ellos, los de INTELSAT, EUTELSAT, EUTELSAT, TELECOM, GORIZONT, HISPASAT y ASTRA.

QUÉ C ANALES DE TV SE PUEDEN SINTONIZAR Ahora bien, a comienzos de 2009 dicté los primeros seminarios sobre Recepción de TV Vía Satélite y en cada oportunidad se pudo demostrar prácticamente que con un plato de 76 cm, un alimentador (LNB con sonda y guía de onda) universal y un receptor satelital era posible “captar” y reproducir canales de TV desde diferentes satélites. En Buenos Aires, Ciudad de México, Caracas y Montevideo, entre otras ciudades, he podido orientar el plato sin grandes problemas (aún sin un anclaje fijo, simplemente apo yando el plato sobre una base diseñada para tal fin que permite variar tanto la posición como la altura) altur a) de manera de poder captar señales de satélites como el Echostar, Goes, Goes, Amazonas, SkyNet, Astra, etc. Obviamente, en algunos casos pude sintonizar varios canales y en otros solamente uno o dos. Si bien estamos preparando un texto exclusivo sobre este tema, esta obra no pretende tratar el tema con profundidad y simplemente quiere establecer un ejemplo de cómo se puede ver televisión vía satélite. El receptor que utilizo es de marca ProBox por ser bastante económico (unos 120 dólares) y porque posee un foro de discusión que brinda bastante apoyo, apoyo, sobre todo a los novatos. En dicho foro, apenas apenas comencé a trabajar con este receptor (hace más de año y medio), se mencionaba la posibilidad de captar señales del satélite Amazonas, de Hispasat y desencriptarlas para poder ver más de 140 canales en habla hispana en su mayoría, aunque también es posible sintonizar canales de TV abierta desde dicho satélite. La primera duda fue si era legal realizar este procedimiento y la conclusión a la que llegué es que NO ES ILEGAL... ya que solamente utilizo mis conocimientos para poder visualizar una señal que he captado por medio de una antena y que un operador encri ptó o codificó para solamente sus abonados puedan verla. Lo que es ilegal es “vender” “ vender” el sistema y estamos convencidos que quien posee los conocimien-

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tos puede usarlos para otras prácticas legales que, seguramente, le traerá mayores beneficios económicos. En general, los operadores, cuando suben las señales a los satélites, emplean una codificación del tipo NAGRAVISION. Nagravisión es un proyecto de la empresa suiza de seguridad informática Kudelski Corporation dirigida por André Kudelski, especializada en cifrado y descifrado de señal MPEG en acceso condicional a ella, base principal de todos los proveedores de televisión por satélite. El proyecto Nagravisión ha tenido varias versiones y numerosos n umerosos parches de seguridad; conocidas como Nagra 1, Nagra 2 y Nagra 3 han permitido a la empresa superar los inconvenientes de la piratería, que ha dejado en evidencia a la compañía en numerosas ocasiones del pasado. En España se utilizó por primera vez en su variante analógica Nagra+, la cual era utilizada por Canal+ terrestre, canal que fue reemplazado por Cuatro desde el mes de noviembre de 2005. En los primeros años de emisión de la plataforma de satélite Vía Digital se utilizó el sistema Nagravisión 1, el cual fue sustituido posteriormente por Nagravisión 2. Tanto los sistemas Nagravisión 1 y Nagravisión 2 tenían numerosos fallos de seguridad graves, que permitieron que los sistemas fuesen visionados sin utilizar los decodificadores del distribuidor. Debido a esto TV Cabo (Portugal) decidió adaptar sus sistemas a Nagra 3 a finales de 2007, solucionando hasta la fecha el problema, así como Digital+ (empresa fusión de Vía Digital y Canal Satélite Digital) que desde el 4 de diciembre 2007 utiliza el nuevo sistema Nagravisión 3. Actualmente la mayor parte de los proveedores Europeos Eur opeos han h an migrado ya sus sistemas a Nagra 3. La última novedad data del 12 de octubre de 2008, cuando Premiere (Alemania) modificó su sistema de codificación a Nagra 3, siendo el último gran proveedor en Europa que conservaba Nagra 2. No necesariamente tienen que estar encriptados los canales de TV y los operadores no necesariamente utilizan el sistema Nagravisión pero lo que podemos afirmar es que si Ud. capta una señal con una antena parabólica, la conduce mediante un cable coaxial hacia un receptor satelital, es capaz de configurar dicho receptor para sintonizar los canales y desencriptarlos desencriptarlos para su propio consumo, consumo, NO COMETERA DELITO, DELITO, aunque esta práctica constituya lo que se se denomina “piratería” y si distribuye las señales por cualquier forma, o si comercializa el sistema, entonces SI, estaría realizando una práctica ilegal. Realizada esta aclaración, digamos que desde América Latina es posible captar las señales de TV del Amazonas, que peretence a Hispasat, y si bien ya hemos hablado en el capítulo anterior de este consorcio, creemos conveniente ampliar un poco esta información.

ÍA S ELEMENTOS NECESARIOS PARA R RECEPCIÓN DE TV V ÍA S ATÉLITE

La Televisión Televisión por Satélite Satélite tiene casi 20 años y,y, actualmente, actualmente, se puede puede recibir recibir una una amplia oferta de de canales de pago con plataforma de televisión digital, así como una amplia gama de canales gratuitos. Dentro de estos paquetes de televisión digitales de pago, las plataformas digitales ofrecen diferentes opciones, como servicios interactivos, pago por visión, juegos y muchas otras más. Asimismo, la guía electrónica de programas, que viene incorporada al paquete, simplifica la elección del programa favorito. A todo esto hay que añadir la gran capacidad de cobertura de los sistemas por satélite. Efectivamente, va a existir una cobertura completa dentro de todo el territorio asignado a dichos sistemas y garantizará un 100% de disponibilidad del servicio en toda la zona cubierta.


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Para recibir de forma individual en el televisor analógico convencional los programas ofertados por la Televisión Digital Vía Satélite, resulta necesario disponer de: * Una antena parabólica fija. * Un LNB (Low Noise Block) Universal ubicado en la antena. * El cable. Figura 4 * Un receptor de satélite externo más conocido como STB (Set-Top Box). Éste último puede conectarse tanto a un televisor analógico como a un televisor digital integrado, tal como muestra en la figura 4. Figura 5

L A A NTENA P A NTENA P ARABÓLICA

Es un elemento esencial de la instalación para el satélite. Se encarga de recibir las señales que se transmiten del satélite y refle jarlas en un foco central sobre el cual se monta el LNB. LNB. Una figura de una antena parabólica común, de las empleadas para recepcionar señales satelitales para TV se puede encontrar en la figura 5. Gracias a la tecnología de los sistemas de satélites, solo se necesita una antena para recibir multitud de canales tanto de televisión como de sonido, así como, cada vez más, numerosos servicios multimedia. El tamaño de la antena va a depender del área geográfica donde esté situado el satélite, siendo finalmente el instalador de telecomunicaciones el que aconseje al usuario el tamaño más adecuado. En ciertas páginas web se puede encontrar información técnica sobre los tamaños de antena usados para algunos sistemas por satélite. En lo que se refiere a la orientación de la antena, antena, ésta debe apuntarse correctamente y encontrarse al aire libre. En instalaciones individuales la distancia entre antena y televisor no debe ser superior a 30 metros.

EL LNB UNIVERSAL

Es la parte de la antena que recibe la señal emitida por los satélites, de manera que el reflector que constituye la parabólica va a realizar una labor de concentración de la señal en el LNB. Un equipo de estas características se muestra en la figura 6. Adicionalmente, el LNB se va a encargar de seleccionar tanto la banda baja como la banda alta, al activar una señal que genera el receptor digital de satélite. De la misma forma se posibilita la opción de seleccionar la polarización vertical y horizontal, permitiendo así la recepción de toda la oferta de canales. Como la señales de los satélites llegan a la Tierra con muy poca 72

Figura 6


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intensidad, son necesarios equipos muy sofisticados trabajando con tecnología de microondas para poder acondicionar estas señales. La figura 7 muestra en detalle la estructura de un LNB universal. Aún a pesar de su complejidad y debido a la evolución y demanda del mercado, estos equipos se comercializan a precios muy acsesibles.

EL C ABLE Figura 7

Es un elemento primordial en la distribución de servicios de Televisión Digital por Satélite. Aunque aparentemente es el mismo que se utiliza en la antena colectiva tradicional, tiene unas características eléctricas superiores como se puede apreciar en la Figura 8. No obstante, el precio del cable sigue manteniéndose en los niveles Figura 8 de costos anteriores y no suele ser un factor decisivo a la hora de renovar una instalación.

EL RECEPTOR DE S ATÉLITE O STB

Para la recepción de los servicios digitales se necesita un receptor digital conocido como STB, que se conecta al televisor. La figura 9 ilustra uno de estos equipos. Dicho receptor sintoniza el transpondedor de canal elegido, corrige errores, selecciona el flujo de datos Figura 9 del programa deseado, demodula la señal digital y decodifica las señales de datos, audio y MPEG-2 de vídeo. En la recepción individual, el cable procedente del LNB se va a conectar directamente a la parte trasera del STB. Todo esto se puede apreciar en detalle en la figura 10. Los párrafos anteriores hacen referencia a la recepción individual. Sin embargo, también será habitual la recepción del servicio de Televisión Digital por Satélite de forma colectiva, como es el caso de una comunidad de vecinos

Figura 10


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en un mismo bloque. Cada vez más, una gran cantidad de hogares reciben programas de televisión a tra vés de sistemas de antena colectiva. La recepción directa a través del satélite ofrece soluciones económicas y con futuro para la transmisión de toda clase de programas, además de ser vicios de televisión, radio y multimedia a todo tipo de bloques de viviendas. En tal situación, los edificios de nueva nu eva construcción han de disponer de una red, cuya instalación debe realizarse según la nueva normativa ICT. Para sistemas colectivos y futuros servicios va a ser recomendable emplear un LNB Universal con cuatro señales de salida (LNB Universal Quatro). Quatro). Estas cuatro señales pueden proporcionar simultáneamente todas las polarizaciones, así como bandas de frecuencias: Banda Baja Vertical, Banda Alta Vertical, Banda Baja Horizontal y Banda Alta Horizontal. Normalmente se utiliza una única de estas cuatro salidas del LNB Universal Quatro para ser distribuidas a todos los hogares a tra vés de la red de distribución. Un ejemplo de LNB Quatro se puede Figura 11 encontrar en la Figura 11.

MONTAJE DE LA A A NTENA P ARABÓLICA NTENA P

Existen varios sistemas que permiten el montaje de un plato (reflector) en su soporte y éste en su base. Voy a describir brevemente el proceso para la instalación final de una antena comercial, tal como lo indica el fabricante. Se trata de una antena off-set de 80 cm. Siempre deberá fijarse en las recomendaciones del fabricante cuando adquiera, para su instalación, un determinado modelo de antena parabólica. En la figura 12 puede ver las diferentes piezas que forman parte del soporte, cuyo montaje se efectuará como describimos a continuación: 1. Coloque la goma protectora que sumi-

nistra el fabricante en el borde del plato. Para ello se sitúa la goma por la cara exterior, rodeando el plato y a continuación se acomoda en el borde. las mordazas mordazas A y B sobre la pieza 2. Ponga las P, P, sin ajustar excesivamente las tuercas de su jeción. 3. Coloque tapones en el brazo soporte del alimentador para pr otegerlo otegerlo del agua de lluvia. 4. Se introduce el brazo soporte del alimentador (E) en el soporte del reflector C y se atornilla fuertemente. 74


Figura 12

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5. Se monta el conjunto en el mástil D, orientando la antena hacia el satélite que se desea recibir. Una

vez orientada, se apretarán las tuercas de las mordazas A para que la antena quede inmóvil en esa posición. Por último, es recomendable que observe cualquier reflector parabólico que esté a su disposición (es muy común ver de distintos tipos cuando uno viaja), identificando a qué tipo pertenece (foco centrado u off-set). Identifique su diámetro, localice su soporte y fíjese de qué tipo es (si es fijo u orientable), mire su base y fíjese si es tetraédrica o de mástil. Intente comprobar si todo cuanto ha estudiado en este manual se ha aplicado en la práctica. Visite a algún distribuidor distribuidor o fabricante fabricante de antenas parabólicas y solicite catálogos de características técnicas. Compare las características entre diferentes modelos de un mismo fabricante y los de diferentes fabricantes. Una vez que sepamos instalar una antena parabólica estaremos en condiciones de proseguir con la instalación de un sistema de recepción de señales satelitales, esto es, la colocación tanto de la unidad exterior como de la unidad interior, pero de esto nos ocupamos en otra obra.

A JUSTE C ALIBRACIÓN DE LA A A NTENA JUSTE Y C NTENA

Ya dijimos que las antenas antenas parabólicas motorizadas están concebidas concebidas para captar las emisiones de los satélites situados en la llamada órbita de Clark . Esta órbita está situada a unos 36.000 km de distancia sobre el Ecuador Ecuador terrestre y tiene la particulariparticularidad de que cualquier objeto situado en ella tiene el mismo periodo de rotación que la Tierra, por lo tanto, para un observador situado en la superficie terrestre estos objetos permanecen permanecen inmóviles. El arco descripto por esta órbita es tal que el punto más elevado de la misma se halla justamente en el Sur geográfico, y que al alejarse hacia los extremos desciende hasta llegar llegar al horizonte. Para mayores detalles, detalles, vemos en la figura 13 como sería dicha órbita para diferentes latitudes para una longitud de 0˚. El mecanismo que le permite a las antenas parabólicas motorizadas seguir esta órbita (órbita de Clark ) se denomina Montura Polar (del inglés: "Polar-mount"). Este mecanismo requiere para su correcto funciofuncionamiento una serie de ajustes que se deben Figura 13 realizar cuidadosamente, tal como se observa en la figura 14. Para poder realizar los ajustes que describimos en esta nota, deberemos disponer de un "inclinómetro", a ser posible de una precisión de 0,1° o, en su defecto, de 0,2°. Además sería conveniente (aunque no imprescindible ) disponer de un medidor de campo adecuado para las frecuencias de operación de las antenas parabólicas (9502050MHz). Al hallarse los satélites situados sobre la vertical del Ecuador terrestre, las antenas situadas en latitudes al SUR del Ecuador deben


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mirar hacia el Norte y las situadas al Norte hacia el Sur, con mayor o menor desviación hacia el Este u Oeste en función del satélite elegido y de la situación geográfica de la antena. Para las antenas motorizadas el Sur o Norte geográfico real es de gran importancia, como veremos a continuación.

Figura 14

A) Determinación del ángulo de Off-Set

Suponiendo que vamos a ajustar una antena tipo "Off-Set", antes de comenzar con los ajustes, tenemos que averiguar cuál es el ángulo de off-set, dato Figura 15 que muchas veces se acostumbra a omitir en las características de las antenas y que es de suma importancia. El ángulo de off-set indica la diferencia entre la elevación real de la antena y la elevación con que nos llegan las señales que capta. Para averiguar este dato tenemos que ajustar la antena como si se tratara de una antena fija, y orientarla a un satélite cualquiera que deseemos usar como referencia. Por elevación entendemos la inclinación que debe poseer una línea recta imaginaria que pase por el borde superior e inferior de la parábola, respecto de la vertical (figura 15). Una vez que tengamos la antena ajustada a este satélite se debe medir con el inclinómetro la elevación de la antena. Tenemos que restar este dato a la elevación real con la que se recibe su señal, consultando las tablas correspondientes, según la localidad donde se encuentre la antena y el satélite elegido. Para medir este ángulo nos ayudaremos de un listón de madera que sea totalmente plano y rígido; situamos el listón en la parte frontal de la antena, de forma que quede apoyado en posición vertical sobre dos puntos del borde exterior del plato,y sobre este listón situaremos el inclinómetro (vea la figura 16). Por ejemplo, si se recibe señal desde el Nahuelsat 1 en Bs. As. con una elevación de 37˚. Si al medir la elevación de la antena, el inclinómetro nos indica 14°, esto quiere decir que el off-set de la antena es de: 37° - 14° = 23°

Una vez hallado este dato lo anotaremos puesto que lo necesitaremos más adelante. Ahora ya podemos emempezar con el ajuste del montaje.

Figura 16

B) Ajuste de la Superficie de Montaje de la Antena

Aunque muchos instaladores no le dan la importancia importancia que se merece, un ajuste esencial es la perfecta verticalidad que debe presentar el mástil respecto del soporte de la antena, obviamente, no existen técnicas preferibles ni instrumentos específicos, el inclinómetro será suficiente.

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C) Localización del Norte Real

Localizar el sur geográfico real, para latitudes situadas al norte del Ecuador, o el norte para las situadas al sur, es muy importante ya que es la orientación que debe tener la antena cuando se encuentre en su posición central, y que coincide con la elevación máxima del disco. Para ello siga los siguiente pasos: c.1- Situar todos los elementos de la instalación al lado de la parábola: receptor, posicionador y televisor todo ello debidamente conectado a la unidad externa y actuador de la antena. c.2- Sintonizar en el receptor de satélite un canal conocido del satélite que hayamos elegido como referencia, por ejemplo, el NAHUELSAT 1. Mediante el posicionador posicionador alinear alinear perfectamen perfectamente te el montaje, montaje, de forma que que la antena antena se encuentre encuentre en en su posición central. central. Esto coincidirá con con la máxima elevación elevación de la parábola. c.3- Ajustar el ángulo de elevación elevación necesario para para recibir el satélite elegido. elegido. Si utilizamos el mismo satélite de referencia que al averiguar el angulo de off-set de la antena, este dato ya lo tenemos. Es el que nos indicaba el inclinómetro al captar dicho satélite . c.4- Dejar libre el montaje respecto respecto del mástil de soporte, soporte, de modo que pueda girar libremente libremente todo el conjunto montaje-antena sobre éste. c.5 Girar lentamente el bloque "montaje-antena" hasta conseguir captar la señal deseada. Si el satélite transmite con mucha potencia puede ser necesario desajustar la elevación de la antena para determinar con mayor exactitud el punto exacto de orientación, en el caso de no disponer de medidor de campo y si nos guiamos únicamente por la imagen del televisor. En esta posición, realizar una marca coincidente en el mástil y montaje lo más fina posible, por ejemplo con un r otulador otulador fino o un objeto punzante. c.6- Medir el perímetro perímetro del mástil con la máxima máxima precisión posible. posible. Usar para ello un metro de papel o tela, colocado alrededor del mástil. Con el dato sobre el azimut del satélite para nuestra localidad, proporcionado por la tabla correspondiente, calcular el desplazamiento necesario del cabezal alrededor del mástil, a partir de la marca realizada. Proceder a la corrección y fijar el cabezal firmemente al mástil de soporte. Por azimut se entiende la orientación real con respecto respecto al punto en donde se encuentra el observador. observador. Se mide en grados absolutos, tomando como referencia el NORTE a 0 grados, se sigue el sentido de las agujas del reloj hasta llegar al ESTE a 90 grados, el SUR a 180 grados, el OESTE a 270 grados y de nuevo el NORTE a 360 grados. En el ejemplo utilizado en el punto (A), y para utilizar datos acordes, supongamos un ángulo de azimut de 156˚ para recibir señales desde el Nahuelsat situado situado a 19º Este. Este. Como el NORTE REAL corresponde a un azimut de 180˚, tendremos: 180˚ - 156˚ = 24 hacia el Este desde el Norte.

Si el mástil tuviera un perímetro de 125 mm, el desplazamiento necesario para encarar el Norte sería: 125 mm / 360° = 0,347 mm / grado

-

0,347 mm X 24 = 8,33 mm

Esto es así porque los 125 mm del total del perímetro equivalen a 360˚ de giro del mástil. Por lo tanto deberemos desplazar el cabezal 8,33 mm hacia el Este alrededor del mástil, a partir de la marca realizada al recibir el satélite. Si todo se ha realizado tal como se ha indicado anteriormente anteriormente ya tenemos perfectamente ajustado el NORTE REAL y sólo nos queda proceder al ajuste del montaje propiamente dicho.


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D) Elevación del Eje Polar El montaje tiene un eje que une la parte fija sujeta al mástil con la parte mó vil fija a la antena. antena. Por este eje es por donde pivota pivota la antena mediante el el "actuador". La inclinación de es-

te eje respecto de la vertical y que llamaremos "elevación del eje polar", debe ajustarse según las tablas . Este ángulo depende únicamente de la latitud donde se halle la antena. E) Elevación E) Elevación al Norte El último paso consiste en ajustar la elevación total al Norte. Para ello seguiremos

los siguientes pasos: e.1- Compruebe que la antena sigue en su posición central. Si no es así, corríjala valiéndose del actua-

dor. dor. Este punto es muy importante, asegúrese bien antes de seguir adelante. adelante. e.2- Consulte la tabla de datos para averiguar la elevación total al Norte según la ubicación de la antena. tena. Si se tratase de una antena del tipo off-set, réstele el ángulo de off-set de la antena que habremos obtenido previamente, tal como explicamos anteriormente. Ayudándose con el inclinómetro ajuste la elevación de la antena al ángulo resultante del cálculo anterior, válgase del ajuste del ángulo de compensación o declinación y cuide no alterar el ángulo del eje de rotación ni la orientación al Norte. Con esto finalizamos la totalidad de los ajustes requeridos. Si se han realizado con precisión, ningún tipo de retoque será necesario y el recorrido de la antena seguirá fielmente la órbita de Clark , por lo tanto no escatime esfuerzos a la hora de conseguir la máxima exactitud al realizarlos.

CÓMO V ER ER M ÁS DE 150 C ANALES DE TV

El satélite que más se está utilizando para las transmisiones de TV en habla hispana y portuguesa es el Amazonas de Hispasat, Hispasat, el cual está ubicado a 61° oeste. Las transmisiones se realizan en la banda C, que es la misma banda que hemos utilizado en el pasado. Figura 17 La figura 17 muestra la huella del satélite en banda C para las Américas (en dBW). La gráfica para los diámetros de antena recomendados por Hispasat es la mostrada en la figura 18. En las partes más débiles de la pisada (33-36 dBW), y para áreas donde otros impedimentos topográficos o de señales de otras transmisiones hagan más difícil la recepción de la señal es recomendado tener antenas de 3 metros o de mayor tamaño. Es importante recordar que a mayor tamaño de antena, mayor será la ganancia, y por consiguiente más segura será la recepción. Tenga en cuenta que también puede emplear un plato normal de 72 cm o hasta más pequeños, de 46 cm. En muchos países, los operadores (Sky y Direc TV, generalmente) suelen dejar en la terraza estos platos cuando el abonado interrumpe su contrato, de modo que puede 78


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emplearlos, ya que no son requeridos por la empresa. También, tenga en cuenta que en todos los países hay empresas que comercializan platos de distinto tamaño y demás elementos necesarios. El LNB para la antena debe ser de la menor cantidad de grados posible para reducir ruidos y aumentar la sensitividad de la recepción. En la actualidad se consiguen con bastante facilidad LNBs de banda C de hasta 15°K. También pueden ser usados LNBs de 17°K ó 20°K. Las transmisiones serán en formato digital en el estandar DVB-S (Digital Video Broadcasting - Satellite) usando la compresion de vídeo MPEG-2. Para la recepción de señales libres en el satélite para los ajustes, se puede usar cualquier receptor de satélite FTA (Free to Air). Los receptores de PowerVU con este logo y posiblemente otros receptores MPEG-2 también pueden ser utilizados para las señales libres. Los parámetros de recepción para las señales libres en el satélite Amazonas se pueden obtener en la siguiente página: Figura 18

http://www.lyngsat.com/amazonas.html Muchos canales son transmitidas sin codificación, por lo cual cualquier receptor del estándar DVB (y posiblemente algunos receptores de MPEG-2) pueden ser utilizados para sintonizar el canal y ver la programación. mación. Uno de los receptores recomendandos para recibir recibir las transmisiones codificadas codificadas es el Fortec Star Mercury II ([email protected]), también puede emplear un Probox (vea la página www.pro página www.proboxtv boxtv.com .com),), que es el receptor que yo empleo tanto para mis prácticas como para el dictado de cursos y seminarios. Son receptores muy económicos (120 dólares aproximadamente), los cuales puede conseguir en las tiendas de venta de productos y equipos de satélite que abundan en Internet. Puede emplear un sistema de codificación BISS, pero no todos los receptores son completamente compatibles con esta codificación aunque la tengan en sus opciones. Por esta razón, se recomienda estos modelos, los que ya he probado y que funciona con el sistema BISS que se estará usando. En el BISS existen dos clases que son el BISS-1E y BISS-2E, (también se les llama BISS 1 y BISS 2). BISS como tal NO ES UN SISTEMA DE CODIFICACION, es una técnica que se está estandarizando, de INTEROPERABILIDAD o compatibilidad que capacita a un receptor (comercial por supuesto) a recibir esos varios tipos de codificación existentes a nivel mundial y que varían según las áreas del mundo, etc. Un sistema BISS le permite a la persona que lo usa, el recibir varios canales en diferentes formatos, sin tener que cambiar de receptor. BISS sencillamente se usa para proteger ciertas transmisiones ocasionales y se basa en que un operador de satélite envía una transmisión cerrada que se decodifica por un equipo de otro proveedor y no necesariamente la marca del equipo que envía la señal . Para información adicional, o para ayuda en ajustar o comprar estos receptores, puede escribir a la página de los fabricantes. Si desea recibir canales que se encuentran en el Amazonas, los parámetros de transmisión son: Ubicación: 61° oeste, Frecuencia: 4139.4, Polarización: Polarización: H, Symbol Rate: 4.543, FEC: 3/4


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Para conseguir la elevación y azimut de la antena en su ciudad (recuerde que el satélite Amazonas está en 61° W), diríjase a: http://www .dishpointer.com .dishpointer.com O también: http://www.hispasat.com/Detail.aspx?sectionsId=56&lang=es También permite hallar la elevación y azimut, e información adicional para orientar la antena. En dicha página se brinda un programa de cálculo para orientar las antenas hacia los satélites de HISPASAT le permite seleccionar el país donde se encuentre, encuentre, tanto de Europa o Norte de África, como de América y el satélite al que quiera orientarse. En la figura 19 puede ver la imagen que aparecerá para poder realizar el cálculo. Para Figura 19 recibir las emisiones de HISPASAT se puede instalar la antena parabólica en tejados, terrazas, ventanas o Figura 20 jardines con visión despejada hacia el Suroeste, es decir, decir, sin obstáculos o accidentes geográficos que impidan la visión directa entre la antena y los satélites HISPASAT, que se encuentran en la posición orbital de 30º Oeste (en medio del Atlántico) y 61º Oeste (sobre Brasil). Una correcta orientación de la antena requiere en primer lugar un apuntamiento básico. La orientación y apuntalamiento apuntalamiento consiste en la deterdeterminación del acimut, elevación y plano de polarización de la antena. La obtención de los parámetros adecuados para cualquier zona puede obtenerse con el programa de cálculo mencionado. En la figura 20 vemos los datos obtenidos para la ciudad de Bs. As., Argentina. En cualquier caso, siempre es recomendable un ajuste fino con la ayuda de un medidor de campo que sintonice un canal en abierto. El valor de acimut indicará el punto exacto en el que debemos fijar la antena en el arco suroeste. Este ángulo se mide desde el norte geográfico en sentido de las agujas del reloj. Una vez obtenido el valor de este ángulo y con ayuda de la brújula, fijaremos la orientación de la antena hacia HISPASAT. Por ejemplo una antena a instalar en Buenos Aires (Acimut 355.61) debe ser fijada en 355. El ángulo de elevación nos indicará la inclinación que le debemos dar a la antena con respecto al plano horizontal para orientarla hacia los satélites HISPASAT. El valor aproximado de la elevación suele ser un ángulo cercano al complementario de la latitud. Es decir ángulos cada vez menores conforme nos desplazamos hacia el Norte. ☺ 80


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