La
idea de colocar un repetidor radioeléctrico en un globo no es nueva, se intentó incluso
con anterioridad al empleo de los satélites; no obstante las dificultades de
realización, tanto para ubicarlo a una altura adecuada, libre de posibles choques con
objetos naturales (meteoritos) y artificiales (aviones) que pudieran dañar su estructura,
así como la falta de tecnología capaz de mantenerlo en una posición fija respecto a la
Tierra, impidió que el sistema pudiera implementarse.
Los avances en la tecnología para el mantenimiento en posición,
así como la posibilidad de utilizar frecuencias superiores a 20 GHz, menos usadas por
otros sistemas y de más fácil compartición, han posibilitado la viabilidad del
proyecto.
No existe todavía ningún sistema HAPS en operación comercial, pero sí notificados a la
UIT para su inscripción en el Registro Internacional de Frecuencias; dos de ellos, cuyas
características se conocen, pudieran entrar en funcionamiento en un futuro próximo.
Uno de estos sistemas notificado a la UIT, conocido como "Sky Station", sus
características están contenidas en la Recomendación UIT-R F.1500.
Características generales del sistema
El sistema central comprende una plataforma de gran altitud situada en la estratosfera, en
un emplazamiento fijo con respecto a la Tierra, que funciona como estación repetidora
(HAPS), como se indica en la Fig. 1.
a) a) Las estaciones terminales de usuario se encuentran distribuidas en tierra, en una
disposición de tipo celular que permite una mejor reutilización de frecuencias. Los
terminales de usuario son dispositivos portátiles que comunican directamente con la carga
útil del HAPS. Inicialmente no está prevista la interconexión directa de los terminales
de usuario entre sí porque complicaría excesivamente la complejidad de la carga útil en
la HAPS.
Un terminal de usuario consta de una antena con su unidad de interfaz digital. Se prevén
diversos tipos de unidades de interfaz digital, incluyendo tarjetas para computadores
personales y terminales multifunción para funcionamiento en el interior de los edificios.
b) b) La plataforma HAPS es el globo ubicado en la estratosfera que contiene el repetidor
de radiocomunicaciones o carga útil. Toda conmutación de comunicaciones entre usuarios
se realiza directamente en la carga útil, que contiene una gran unidad de conmutación
normalizada del tipo "módulo de transferencia asíncrona" (ATM-Asyinchronous
Transfer Module) normalizado por el UIT-T; no está prevista la interconexión directa
entre los terminales sino solo mediante esta plataforma HAPS o, a su través, con la red
pública de telecomunicaciones.
c) c) Las estaciones de cabecera, situadas también en tierra, facilitan la interconexión
con la red pública de telecomunicaciones (RTPC, Red Telefónica Pública Conmutada, o de
Datos con Conmutación de Paquetes, RDCP o Internet). La mayoría de las estaciones de
cabecera se diseñan como unidades no atendidas y autónomas que funcionan por control a
distancia desde los centros de control de las HAPS.
Con las estaciones de cabecera los usuarios pueden acceder a las actuales redes públicas
tales como la RTPC y a Internet. El sistema se ha diseñado de forma que las estaciones de
cabecera puedan estar situadas básicamente en cualquier punto de la zona de cobertura, a
fin de minimizar los requisitos de infraestructura en el suelo. Normalmente se situarán
en una instalación central de operador o en un punto de presencia de proveedor de
servicio de Internet para minimizar el coste. Pueden añadirse estaciones de cabecera en
tierra, a medida que la operación lo exija, en cualquier momento.
d) Centros de control (CC) del sistema son necesarios para efectuar diversos tipos de
tareas, tales como:
CC de recursos que se encarga del control en tiempo real de todos los recursos de la red
HAPS. Los CC de recursos efectúan tareas tales como la autentificación del usuario,
control de la llamada, gestión del recurso radioeléctrico, gestión del tráfico y la
recogida de datos de utilización a efectos de facturación y contabilidad
CC de configuración para el seguimiento, telemedida y las instrucciones de la plataforma
y carga útil. Son funciones parecidas a la de los centros de operaciones de satélites
con funcionamiento durante las 24 horas del día.
CC comercial regional que se encarga del control comercial y financiero local, incluyendo
la facturación a los abonados, la contabilidad del operador, los análisis de tendencias,
etc. Un centro comercial regional puede ocuparse de un grupo de sistemas HAPS.
Plan de frecuencias para el funcionamiento de las HAPS
La banda de frecuencias actualmente identificada en todo el mundo para este tipo de
aplicaciones HAPS formando parte del servicio fijo, es la banda entre 47,2 – 47,5 GHz
(500 MHz para el trayecto descendente) y 47,9 – 48,2 GHz (otros 500 MHz para el
trayecto ascendente). Estas bandas se designan como bandas en 47/48 GHz. La atribución
mundial al servicio fijo para aplicaciones HAPS se efectuó en 1997, concretamente en la
Conferencia Mundial de Radiocomunicaciones de la UIT celebrada en Ginebra en ese año
(CMR-97).
La última CMR celebrada en Estambul (Turquía) en el mes de Mayo del año 2000 (CMR-2000)
designó para algunos países (1) otras bandas de frecuencias inferiores para HAPS, bandas
en 28/31 GHz, es decir entre 27,5 – 28,35 GHz para el trayecto descendente, y 31,0
– 31,3 GHz para el trayecto ascendente. La justificación para esta nueva
designación era la dificultad de utilizar las bandas 47/48 GHz en zonas o regiones de
lluvia intensa. No obstante, su utilización está sujeta a estudios de compartición de
frecuencias con otros servicios existentes en esas bandas, dado que esta segunda
designación exigió que el empleo de las bandas en 28/31 GHz por las HAPS no deberá
causar interferencias perjudiciales a los otros tipos de sistemas del servicio fijo o a
los otros servicios con atribuciones a título primario con igualdad de derechos, ni
reclamar protección con respecto a los mimos.
La CMR-97 instó a efectuar estudios de compartición de frecuencias de acuerdo con la
Resolución 122 para las aplicaciones HAPS. Una versión modificada de la Resolución 122
(MOD CMR-2000) se aprobó posteriormente en la CMR-2000 básicamente para incluir también
los nuevos estudios en 28/31 GHz.
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| Cuadro1. Zona de cobertura. |
Altitud de la plataforma HAPS
En el Reglamento de Radiocomunicaciones de la UIT (Nota S1.66A) se estipula que las
aeronaves HAPS deberán estar situadas a una altura sobre la superficie terrestre limitada
entre 20 y 50 Km. La limitación inferior de 20 Km trata de evitar choques con ciertas
aeronaves de tipo comercial o científico, mientras que el límite superior obedece a la
multitud de meteoritos existentes que podrían alterar la configuración de la plataforma
e incluso dañar seriamente su carga útil.
Los dos sistemas HAPS actualmente especificados han fijado la altitud entre 21 Km y un
máximo en 25 Km. Ello se debe principalmente a la velocidad del viento que es mínima
para ese margen de alturas.
Altitudes superiores permitirían una mayor zona de cobertura e incluso obtener un mayor
aporte de energía solar al estar más altas y próximas al Sol, pero dificultarían el
mantenimiento en posición de la plataforma e incrementaría la energía necesaria para su
funcionamiento (mayor potencia de transmisión necesaria) al estar más alejada. La
densidad atmosférica a una altitud de 50 Km es muy inferior a la de la altitud de 20 Km,
en una relación aproximada de 1/90. Esto significa que la aeronave HAPS situada a 50 Km
de altitud necesitaría 90 veces más de gas helio que la situada a 20 Km y requeriría
una longitud de la estructura 4,5 veces mayor. Suponiendo que a una altitud de 20 Km se
necesita una HAPS de 200 m de longitud para aguantar un cierto peso, a una altitud de 50
Km se requeriría una aeronave de 900 m de longitud para el mismo peso. Es absolutamente
imposible construir una aeronave HAPS tan enorme con la tecnología actual y la previsible
en un futuro próximo.
Aporte de energía eléctrica
La plataforma HAPS precisa energía eléctrica durante las 24 horas del día, tanto para
el funcionamiento del paquete de comunicaciones como para el mantenimiento en posición de
la aeronave. Esta función de aporte de energía se efectúa durante el día con baterías
alimentadas por células solares eficaces que irían situadas en la superficie superior de
la aeronave, y durante la noche mediante baterías de regeneración de combustible
hidrógeno-oxígeno.
Los componentes de las células de combustible de regeneración y del subsistema
electrolítico de que va equipada la plataforma, convierten el agua en combustible durante
el día y dicho combustible se utiliza para generar la energía eléctrica que requiere el
funcionamiento nocturno. El electrolito convierte el agua en gases hidrógeno y oxígeno
para el funcionamiento nocturno de la célula de combustible.
Sistema de propulsión
El sistema de propulsión para el mantenimiento en posición de la HAPS consta de unas
hélices de velocidad variable activadas por un motor eléctrico, aunque también pueden
emplearse otros tipos de propulsión con características de funcionamiento similares. Las
HAPS en 47/48 GHz utilizarían un sensor GPS diferencial para el mantenimiento en
posición, mediante un control en bucle cerrado de su emplazamiento espacial, con
precisición dentro de un círculo de 400 m de radio y una variación vertical de ±700 m
de altitud.
La carga útil cuenta con un sistema giroscópico de 3 ejes. Dicha carga útil tiene su
propio sistema de estabilización para compensar el movimiento de la plataforma y mantener
un esquema de cobertura estable en el suelo. La carga útil aporta también su propio
control térmico, estando refrigerada por un fluido presurizado.
Zonas de cobertura en tierra de las HAPS
La zona de cobertura total de una aeronave HAPS en las bandas en 47/48 GHz se han dividido
en tres zonas, necesarias para garantizar un servicio de banda ancha coherente a los
usuarios a lo largo de toda la zona de visibilidad en el suelo de la HAPS, que tendría un
diámetro de aproximadamente unos 1 000 Km. Las características de estas zonas se recogen
a continuación en el Cuadro 1.
Sistema de antenas de la HAPS para comunicaciones
Los sistemas de antenas que se indican a continuación corresponden a los dos sistemas
cuyas características se conocen actualmente.
Sistema en 47/48 GHz
En 47/48 GHz, la carga útil típica a bordo de la plataforma HAPS tendría un sistema de
antenas de ranura giroscópico con una unidad de inserción para polarización que asegure
un aislamiento adecuado de la polarización cruzada.
El sistema de antenas proyectará un total de 700 haces para cada una de las zonas de
cobertura urbana y suburbana, y una cobertura selectiva en la zona de cobertura rural, con
un total de hasta 700 haces máximo. El esquema de células facilitará una reutilización
de frecuencias con un factor de 7:1.
Sistema en 28/31 GHz
Recientes estudios efectuados para la otra banda de frecuencias en 28/31 GHz muestran
preferencia por el tipo de antena multi-puntual o multihaz. El número de haces puntuales
sería de 367. El tamaño de cada una de las trazas de cada haz es igual (hasta de 6 Km de
diámetro) en este caso. Esto puede lograrse asignando las distintas ganancias de antena a
cada haz puntual conforme a su ángulo de elevación (véase el Cuadro 2) y utilizando
diagramas de haz elíptico.
Se espera que este diseño multihaz facilite una interferencia menor en aplicaciones de
otros servicios y procedentes de éstos, incluso en el caso de trayectos con ángulo de
elevación reducido, porque los haces próximos al extremo de la cobertura del servicio
con pequeños ángulos de elevación tienen mayor ganancia, apertura de haz más estrecha
y menor nivel de lóbulos laterales que los de los haces próximos al centro de la
cobertura de servicio. En el diseño de un balance de enlace, se supone que la ganancia en
el extremo del haz puntual es de -3 dB. Un ejemplo del diagrama de haz elíptico para el
haz puntual ilustra que los ángulos de elevación estén comprendidos entre 20 y 900.
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| Cuadro2. Asignación típica
de la ganancia a los haces puntuales |
Esquema del acceso múltiple y técnicas de modulación
Para hacer máxima la eficacia espectral en el sistema en 47/48 GHz se utiliza un esquema
de acceso múltiple por asignación dinámica, que permite a los usuarios compartir
eficazmente la anchura de banda, y a bordo hay una unidad de conmutación y
multiplexadores ATM para multiplexar estadísticamente el tráfico generado por los
usuarios en cada momento. En el enlace ascendente y en el descendente se utiliza la
modulación PSK-4 y una codificación FEC concatenada de índice 0,6 (Reed-Solomon +
codificación convolucional de índice 2/3 con limitación de longitud a 9). Se puede
utilizar también la codificación por entrelazado para reducir las ráfagas de errores.
Dada la eficaz compartición de la anchura de banda y el reducido ciclo de trabajo en la
mayoría de los tipos del tráfico de banda ancha, cabe esperar que la totalidad de unos
110´ 000 usuarios no superen una velocidad máxima de carga de 2´048 Kbit/s y una
velocidad de descarga de 11,24 Mbit/s, para una asignación de anchura de frecuencia de
sólo 2 ¥ 100 MHz. Suponiendo que en todo momento esté activa una media del 10% de la
población total de abonados, una sola red HAPS puede servir para atender una población
de abonados de cerca de un millón de usuarios, con la asignación de 2 ¥ 100 MHz. Si la
asignación de anchura de frecuencia se incrementa a 2 ¥ 300 MHz, cabe esperar que una
sola plataforma HAPS sirva para atender más de cinco millones de abonados.
Resumen:HAPS
Se han indicado algunas de las peculiaridades principales de los dos sistemas HAPS cuyas
características están contenidas en textos del Sector de Radiocomunicaciones de la UIT
(UIT-R). La diferencia más significativa entre los dos sistemas HAPS conocidos radica en
las bandas de frecuencia de funcionamiento utilizadas,
47/48GHz(47,2-47,5‚+47,9-48,2·) y 28/31GHz (27,5-28,35‚+31,0-31.3·)
respectivamente. Es de señalar que en 28/31 GHz su utilización está condicionada a la
conclusión de los estudios que efectúa actualmente el UIT-R en materia de compartición
de frecuencias con aplicaciones de otros servicios radioeléctricos que cuentan con
atribuciones prioritarias en el Reglamento Radiocomunicaciones de la UIT. Otras
características de estos sistemas son:
– altura de la plataforma o aeronave HAPS, fijada en 25 Km como máximo;
– plan de alimentación en energía de las HAPS, con baterías solares durante el
día y baterías secundarias de regeneración de combustible durante la noche;
– funcionamiento ininterrumpido durante las 24 horas del día;
– unidad de comunicaciones embarcada en la HAPS, equipada con conmutación a bordo y
multiplexores del tipo ATM;
– antena de haces a bordo de la HAPS y cobertura tipo celular en tierra, para
optimizar la utilización del espectro de frecuencias disponible;
– transmisión (síncrona TDM) y conexión a las redes públicas telefónica y de
datos (RTPC e Internet);
– número limitado de señales transmisoras simultáneas hacia las HAPS, determinado
obviamente por la banda de frecuencias total que se utilice y la anchura de banda de cada
señal portadora.
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