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  • Las antenas satelitales que vienen: primera parte (el problema)

    Hay esencialmente dos modalidades de antenas para servicios satelitales, por un lado las casi isotrópicas, comunes en aplicaciones móviles, y las de reflector parabólico (VSAT). Las nuevas necesidades del mercado está dando lugar a tecnologías nuevas que nublan las barreras entre paneles y reflectores, y de hecho el éxito o fracaso de algunos proyectos que vienen podría depender de que esta tecnología avance a tiempo. 

    En esta serie de dos artículos, abordaremos el tema con algo de profundidad, para poder entender lo que viene. Y para eso primero debemos entender lo que ya hay:

    Antenas casi isotrópicas:

    Las antenas de panel simple o helicoidales cortas tienen la ventaja de poder enviar y recibir señal de una manera geométricamente amplia. Ello facilita el apunte fácil (como en BGAN) o incluso la ausencia de apunte preciso (GPS, GSPS, Iridium, Globalstar). Eso sí, este tipo de antena es poco eficiente porque al dispersarse tanto la señal (transmisión) o sensibilidad (recepción) se diluyen, y por lo tanto se requiere una antena de tamaño relativamente grande para lograr una ganancia util, y a un ancho de banda relativamente pequeño.

    En la foto, una antena helicoidal ISA-190, que sirve tanto para teléfonos satelitales Iridium e Inmarsat de banda L.

    Antenas altamente direccionales:

    En el extremo contrario están las antenas con reflector parabólico o helicoidales largas. Estas últimas, más comunes en el mundo militar, las vamos a omitir, pero las de reflector parabólico o simplemente "parabólicas" son las que vemos a menudo que se usan para TV satelital; se trata de un plato cóncavo que concentra la señal en un punto, y dicha concentración tiene dos efectos: la eficiencia es muy alta y por lo tanto se puede lograr un ancho de banda alto y una ganancia alta, pero con la condición de que exista un apunte preciso.

    En la foto, una antena VSAT genérica de instalación fija.

    Cuestión de foco:


    Para entenderlo con un ejemplo, podemos remitirnos a las linternas enfocables: si una linterna de las que varían su enfoque expande su luz y alumbra una superficie relativamente grande, la energía de la fuente de luz se distribuirá parejamente en toda esa superficie, que se iluminará de manera relativamente tenue. En cambio si se concentra esa misma cantidad total de luz en una zona pequeña, ese zona se verá mucho más iluminada, pero lo demás quedará a oscuras. El extremo menos enfocado es afín una antena isotrópica, capaz de "ver" y emitir hacia una amplia zona del cielo, mientras que el extremo contrario es afin a VSAT, donde la antena es capaz de "ver" y emitir hacia un solo punto en el cielo a la vez.

    Entonces, cuando se diseña un sistema satelital, se ponen en la balanza atributos como peso y tamaño de la antena, consumo energético y ancho de banda. Como resultado, para aplicaciones de voz portátil, donde se necesita poco ancho de banda, una antena corta helicoidal funciona muy bien (poco foco, conocido también como apertura amplia), mientras que cuando se necesita un gran ancho de banda se hace necesario usar un reflector parabólico y más energía (apertura pequeña).

    Esta dicotomía entre tipos de antena ha dado lugar a dos "mundos" en lo que a servicios satelitales se refiere:

    • por un lado MSS (Mobile Satellite Service o Servicio Satelital Móvil) suele usar apertura amplia, y tradicionalmente usa(ba) órbitas bajas.
    • Paralelamente, se desarrollo FSS (Fixed Satellite Service o Servicio Satelital Fijo) en torno a VSAT (Very Small Aperture Terminal o Terminal de Apertura Muy Pequeña). 

    Además, MSS se desarrollo más en las banda L y S, mientras que FSS suele vivir en bandas C, Ku y Ka. Entonces, todo era más o menos sencillo y ordenado, hasta que los usuarios empezaron a querer más ancho de banda, a menor precio y de manera más portátil. O al menos para allá está apostando la industria, pues la Internet se ha transformado en algo cotidianamente necesario, entonces todo el mundo quiere conectividad todo el tiempo e incluso en movimiento, y no solo para voz o mensajes de texto.

    Cuestión de distancia y movimiento:

    Las soluciones tecnológicas ante esta creciente demanda de datos se están desarrollando predominantemente en un eje: y aquí podemos usar la metáfora de "si la montaña no viene a mi, entonces voy a la montaña". Pues una de las variables que más influye en la relación entre potencia, ganancia y ancho de banda es la distancia. La teoría dice que si un satélite está más cerca, voy a necesitar una antena más pequeña y menos potencia, entonces se hace obvio que la solución es poner el satélite más cerca, ¿cierto? Lógico.

    Pero, hay un problema. Las órbitas lejanas, con satélites a 35 mil km sobre la superficie de la Tierra no se usan por casualidad, se usan porque la física determina que a esa distancia la órbita ocurre a una velocidad angular tal que el satélite, visto desde la superficie terrestre, parece fijo en el cielo. Esto, que se conoce como el fenómeno geoestacionario, presenta todo tipo de ventajas, siendo la principal que la antena en Tierra se puede apuntar manualmente una vez y listo, seguirá funcionando por meses o incluso años sin necesidad de ajustes manuales (inconveniente) o automáticos (caro).

    Por ejemplo: Iridium y sus límites clásicos:

    ¿Cómo lo hace Iridium, con satélites a unos 780km de altura sobre la Tierra? Muy simple: usa 66 satélites, en conjunto con terminales de apertura amplia, así no necesitan apunte preciso. Esto funciona bien para voz, pero para datos es más difícil, y los terminales Iridium para datos han usado hasta ahora antenas gigantescas para alcanzar un ancho de banda máximo de a penas 128Kbps.

    Esto va a cambiar con Iridium Certus, pero el ancho de banda máximo será de 1.4Mbps y hoy muchos usuarios necesitan más para uso cotidiano de banda ancha.

    En la foto, una antena para Iridium Certus fabricada por Thales.


    Otro ejemplo: Inmarsat banda L y sus límites actuales:

    ¿Cómo lo hizo Inmarsat, para sus terminales tipo IsatPhone? La solución fue colocar reflectores gigantescos en sus satélites, para poder lograr la ganancia suficiente de manera que en tierra un terminal pueda trabajar con una antena helicoidal casi tan pequeña como las que usan los teléfonos de Iridium.

    Nuevamente, esto funciona muy bien para voz, pero para datos es un poco más difícil, y por eso las antenas BGAN de Inmarsat son bastante más grandes y permiten acceso a un ancho de banda limitado por unos 800Kbps como máximo.

    En la foto, varios terminales con antena de panel para acceder al servicio de datos BGAN de Inmarsat, con un iPad Mini como referencia.

    Inmarsat podría usar antenas un poco más grandes para banda L, pero con una superficie de 1x1m una antena semi-isotrópica de panel lograría 1/50 del ancho de banda que puede lograr una antena parabólica del mismo diámetro.

    ¿Podemos combinar las ventajas de VSAT (aperturas más cerradas) pero usando satélites más cercanos (órbitas más bajas)?

    Sí, pero aquí también tenemos un ejemplo que ayuda a entender los límites: O3b. La solución de O3b, un invento liderado por Greg Wyler y apoyado inicialmente por Google, fue brillante: satélites similares a los geoestacionarios VSAT, pero en órbitas más cercanas. No tan cercana como Iridium, para que no necesitemos 66 o más. En una órbita media, con una decena o veintena podamos prestar servicio en las zonas de mayor concentración de la población. Maravilloso. Fantástico. La gente que usa O3b nota además de su gran ancho de banda su baja latencia. Pero hay un problema, grande: el precio de los terminales.

    La razón es sencilla: los satélites de O3b al estar en una órbita más cerca que la geoestacionaria, vistos desde tierra se van moviendo por el cielo continuamente. Entonces, ¿no podemos hacer como Iridium y usar antenas de amplia apertura? Pues no, porque O3b para alcanzar anchos de banda altos requiere antenas de apertura pequeña. Y como los satélites se van moviendo, tienen que ser antenas motorizadas autoapuntables, capaces de ir siguiendo el movimiento del satélite.

    En la foto, un arreglo de dos antenas en una estación terminal para O3b en Argelia.


    Más encima, puesto que hay que ir saltando de satélite en satélite a medida que van pasando, se necesita más de una antena motorizada autoapuntable, incluso muchas estaciones terminales para O3b usan tres antenas, para tener una de respaldo, ya que el constante movimiento incrementa la probabilidad de falla. De esto se puede inferir que el equipamiento terminal para usar algo como O3b (o con satélites aún más cercanos) es carísimo, a veces sobrepasando los US$90 mil, algo que ni se acerca a lo masivo.

    Entonces, ahora que hemos entendido el problema con O3b como ejemplo, podemos hacernos la pregunta: ¿existe una solución para esto? ¿hay alguna tecnología que permita tener una antena capaz de seguir satélites en movimiento y que no cueste una pequeña fortuna? La respuesta es sí, y hablaremos de ello la próxima semana :-)
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