Introducción

Este artículo presenta las tendencias clave del mercado que impulsan los despliegues de satélites de órbita terrestre baja (LEO). Discutirá la operación básica de un sistema de satélite LEO y presentará algunos de los avances de RFIC de semiconductores, que están habilitando la próxima generación de usuarios LEO de banda Ku y Ka y terminales terrestres.

Conectividad LEO: el camino hacia el éxito

Las comunicaciones por satélite (satcom) son un medio establecido para transferir voz, video y datos, y se utilizan en una gran variedad de casos de uso en los orbitales predominantes llamados órbita ecuatorial geoestacionaria (GEO), órbita terrestre media (MEO) y LEO. Satcom se considera un medio eficaz para comunicar GPS para navegación, información meteorológica, transmisión de TV, voz y datos, y también se utiliza para imágenes y aplicaciones basadas en la ciencia. Sin embargo, se planea una nueva ola de conectividad a Internet de alta velocidad prometida alrededor de las constelaciones de satélites LEO. Esto brindará conectividad de banda ancha de alta capacidad y baja latencia para las comunicaciones de Internet de próxima generación.

Los satélites LEO jugarán un papel importante en el despliegue continuo de la conectividad celular 5G. Las redes satelitales están cada vez más involucradas en la estandarización 3GPP y su rol esperado en las redes del futuro está en desarrollo. En 2017, se iniciaron actividades dentro del organismo de estándares 3GPP para comprender la viabilidad de las redes satcom dentro de la conectividad 5G. A través de las versiones 15, 16, 17 y 18 del estándar 3GPP, se desarrollaron varias actividades para apoyar la integración de estas redes. Los satélites LEO pueden brindar cobertura de área amplia a áreas desatendidas, proporcionar continuidad de servicio para personas en movimiento, conectarse a dispositivos de máquina a máquina (M2M)/Internet de las cosas (IoT) y ser una ruta de actualización notable para 5G en un de manera rentable.

La próxima generación de sistemas LEO orbitará entre 500 km y 2000 km sobre la superficie de la Tierra y brindará una solución técnicamente superior a las redes satelitales del pasado. Tal proximidad a la Tierra significa que ofrecerán conexiones de menor latencia, lo cual es importante para los casos de uso comercial o de consumo (por ejemplo, juegos en Internet o el control de equipos industriales/médicos en tiempo real). Los satélites LEO deberían ofrecer aproximadamente 50 ms de latencia (y esto mejorará con la tecnología de próxima generación a <20 ms) frente a, por ejemplo, GEO, que es de 700 ms.

Un habilitador clave de los satélites LEO es que su exposición a la radiación es mucho menor debido a la órbita más baja. Esto es importante ya que significa que se pueden relajar las costosas y, a veces, prohibitivas pruebas de endurecimiento por radiación. Esto generará economías de escala ya que el costo de construir un satélite LEO ahora se reduce drásticamente. Menos radiación significa una mayor disponibilidad de procesos de semiconductores y, por lo tanto, de componentes para su uso.

Dada la órbita más baja, la expectativa es que se despliegue un número mucho mayor de satélites. La vida útil promedio de tales satélites será mucho más corta que los casos de uso anteriores; tal vez entre 5 y 8 años, después de lo cual estos satélites caerán fuera de órbita y necesitarán ser reemplazados. Los satélites LEO deben ser rentables para lanzar y relanzar reemplazos.

Todas estas tendencias están haciendo que los organismos de control de la industria tomen nota, ya que el caso comercial de conectividad de banda ancha de LEO comienza a verse sólido. Si recordamos en la década de 1990, esta empresa de Internet fue el objetivo de varias empresas, pero desafortunadamente fue un fracaso debido al alto costo de implementación y la demanda limitada. Avance rápido hasta hoy y vemos avances notables en la tecnología de semiconductores que brindan un rendimiento e integración sin precedentes. Junto con la demanda exponencial de conectividad a Internet de alta velocidad y baja latencia en entornos más rurales o desatendidos, y la integración de satcom en los estándares 5G, las constelaciones LEO del futuro se encuentran en una plataforma mucho mejor para el éxito.

En el momento de escribir este artículo, se espera que los usuarios puedan alcanzar velocidades máximas de datos de enlace descendente de 100 Mbps y esto podría extenderse a 150 Mbps en el futuro, lo que es ideal para la transmisión de video de tiempo completo de múltiples usuarios.

Un desafío con LEO es la naturaleza en constante movimiento de los satélites: la constelación realmente necesita implementarse por completo para convertirse en un servicio mínimo viable. Esto significa que el desembolso inicial es elevado ya que el número de satélites LEO es mayor dada su órbita más baja. Pero aun así, esto no parece ser un impedimento para el éxito ahora y el caso comercial para la cobertura ubicua es sólido para los inversores.

¿Cómo funciona un sistema de satélite LEO?

Los sistemas LEO satcom se componen de tres componentes principales, como se muestra en la Figura 1.

Terminales de Usuario/Equipo de Usuario (UE)

Estos son el enlace directo entre el usuario y el satélite y tienden a ser terminales de bajo costo y fáciles de configurar ubicados en los hogares, pero también pueden ser terminales móviles (por ejemplo, marítimos, satcom en movimiento, radios tácticos de mochila). Los terminales de usuario aprovechan los altos niveles de integración de IC para simplificar la lista de materiales (BOM), reducir los costos y mantener un factor de forma pequeño.

Estaciones terrestres/Puerta de enlace

Estas son las conexiones terrestres a los servidores (centros de datos para la conexión a Internet) generalmente a través de fibra, y conectan el satélite a tierra. Están desplegados en ubicaciones fijas en toda la Tierra.

Satélites

Los grupos de satélites se denominan constelaciones y orbitan la Tierra proporcionando enlaces simultáneos para conectar terminales y puertas de enlace.

Los satélites LEO se mueven por el espacio y, por lo general, un solo satélite orbitará la Tierra en un período de 90 minutos a 110 minutos, denominado período orbital. Debido a esto, un usuario que se conecte al satélite solo estará dentro del alcance de ese satélite durante un breve período de tiempo (hasta 20 minutos). Por lo tanto, el usuario promedio se conectará a múltiples satélites durante el funcionamiento normal. Por lo tanto, los usuarios del sistema deben transferirse a otros satélites que entren en el rango, de manera similar a una persona que usa un teléfono celular en un automóvil en movimiento y una estación base en la red celular se transfiere a otra. Esto impone requisitos estrictos sobre cómo dirigir los haces para mantener el mejor enlace con el satélite más apropiado.

Otra evolución interesante es cómo un sistema satelital mantiene su operación cuando está fuera del alcance de una estación terrestre. En la Figura 1, mostramos un clima adverso que puede afectar la velocidad del enlace a la estación terrestre. Tradicionalmente, los satélites usan tubos doblados, lo que significa que el satélite siempre debe encontrar una ruta de enlace con la Tierra o algún otro medio (avión) para servir como un salto de regreso a otro satélite en el espacio, que luego podría estar dentro del alcance de una estación terrestre. Una nueva técnica es a través de enlaces entre satélites utilizando conexiones ópticas o de banda V y E en el espacio para enlazar satélites.

Avances en convertidores ascendentes/descendentes de terminales de usuario

Los terminales de usuario están impulsando niveles significativos de integración de circuitos integrados y Analog Devices está respondiendo a esta demanda aprovechando el rendimiento y la capacidad de integración de la tecnología de procesos de silicio. Estas soluciones requieren el más alto nivel de integración de circuitos integrados para habilitar el terminal de radio de factor de forma más pequeño, manteniendo el consumo de energía más bajo y un estricto cumplimiento del costo óptimo por radio.

Los convertidores ascendentes/descendentes (UDC) son un producto fundamental en los terminales de usuario y conectan la información de banda base o IF del módem directamente con la banda Ku o la banda Ka.

Los objetivos de cobertura de frecuencia de los UDC de RFIC son:

• Banda Ku: ~10.7 GHz a ~14.5 GHz
  • Enlace descendente (satélite a tierra): 10.7 GHz a 12.7 GHz
  • Enlace ascendente (tierra a satélite): 14 GHz a 14.5 GHz
• Banda Ka: ~18 GHz a ~31 GHz
  • Enlace descendente (satélite a tierra): 17.7 GHz a 21 GHz
  • Enlace ascendente (tierra a satélite): 27 GHz a 31 GHz

El enlace descendente y el enlace ascendente están separados en frecuencia, por lo que la comunicación del satélite al terminal de usuario utiliza dos bandas de frecuencia separadas. Por lo tanto, las empresas de RFIC deben diseñar cada convertidor ascendente y descendente de terminal de usuario para bandas separadas.

Dependiendo del enlace ascendente frente al enlace descendente, los enlaces de terminal de usuario generalmente cubren anchos de banda de canal (BW) de 125 MHz a 250 MHz y las puertas de enlace cubren entre 250 MHz y 500 MHz. Sin embargo, algunas implementaciones tienen una capacidad de ancho de banda compartido entre el usuario y los enlaces de la puerta de enlace, por lo que el ancho de banda del canal se puede reconfigurar en las frecuencias que operan.

Los satélites LEO se mueven constantemente, como se muestra en la Figura 1. Por lo tanto, el sintetizador de frecuencia del convertidor ascendente/descendente dentro de la terminal debe lograr tiempos de bloqueo rápidos para una conexión ininterrumpida. Los sintetizadores se utilizan para ayudar en la conversión ascendente y descendente de frecuencia. Desempeñan un papel vital al permitir que la terminal se conecte y se vuelva a conectar a diferentes satélites durante la operación, ya que la frecuencia en el aire cambia constantemente dentro de las bandas operativas (es decir, las bandas Ka y Ku) de un satélite a otro.

ADI ha desarrollado una familia de UDC de banda Ku y Ka dirigidos a terminales de usuario para abordar el problema de tamaño, peso, área, potencia y costo (SWaP-C). Estos UDC contienen un amplio acondicionamiento de señales de RF e IF, como filtros, amplificadores, atenuadores, PLLVCO y detección de potencia. Todos los circuitos integrados están diseñados a propósito teniendo en cuenta el rendimiento de la cadena de señales de un terminal de usuario. Los ADMV4630/ADMV4640 son UDC de banda Ku que admiten una interfaz IF para el módem satelital y se muestran en las figuras 2 y 3 con aspectos destacados del rendimiento de los IC que se muestran en las tablas.

Para la banda Ka de mayor frecuencia, ADI ha desarrollado los UDC ADMV4530/ADMV4540 (Figura 4 y Figura 5) que admiten módems satcom que requieren una interfaz de banda base I/Q. Tenga en cuenta que el convertidor ascendente ADMV4530 es un dispositivo de modo dual, que también puede admitir una interfaz IF. Diseñadas con silicio, estas soluciones brindan el más alto nivel de integración para administrar las presiones de integración que se observan en estas aplicaciones de terminales de alto volumen.

UDC de terminales de mayor rendimiento

Algunas aplicaciones dentro del mercado de terminales están impulsadas por el rendimiento y tienen menos restricciones en su tamaño y objetivos de diseño de menor costo. Tienen la libertad de usar soluciones RFIC discretas. Mantener los componentes en paquetes separados permite una combinación de tecnología de proceso que incluye MESFET, pHEMT, BiCMOS y CMOS IC para optimizar cualquier requisito de diseño. El diseño discreto permite muchos tipos de compensaciones entre rendimiento y tamaño, lo que brinda la máxima flexibilidad en el proceso de diseño. Los diseñadores pueden crear radios de mayor rendimiento que brinden una mayor potencia de salida y admitan anchos de banda más amplios. Además, se puede lograr una mayor sensibilidad del receptor para mejorar el rango dinámico y mejorar el rendimiento de señales espurias. Cabe señalar que las estaciones terrestres/pasarelas también se incluyen en esta categoría de soluciones. Las puertas de enlace son de mayor tamaño y ciertamente no están impulsadas por las mismas demandas de integración a nivel de terminal. Las puertas de enlace aprovechan diferentes tecnologías de proceso para traer al mercado la solución más optimizada para el rendimiento. En ADI, seguimos ampliando la cartera de soluciones discretas para abordar los casos de uso. La figura 6 ilustra una solución discreta de alto rendimiento.

Reducción del costo de las terminales de usuario mediante antena orientable electrónica

Las empresas se están enfocando en reducir el costo de implementación de terminales de usuario eliminando el costoso costo de instalación tradicionalmente asociado con un contratista profesional que monta el equipo y localiza la posición del satélite. Esto se logra combinando la antena junto con toda la electrónica (por ejemplo, elementos de cambio de fase, UDC RFIC) necesarios para procesar el enlace de comunicación en una sola unidad exterior (ODU). La ODU es el conjunto de antenas que reside fuera de la casa y apunta al cielo. Una unidad interior (IDU) está conectada a la ODU y funciona como un enrutador tradicional (alámbrico o inalámbrico) para proporcionar conectividad a Internet al usuario (por ejemplo, PC o teléfono).

Como se mencionó anteriormente, las constelaciones LEO tendrán muchos satélites que se mueven dentro y fuera del campo de visión de la terminal terrestre, por lo que es mucho más eficiente usar la antena orientable electrónica (ESA), ya que puede permitir una alta directividad dirigiendo electrónicamente el haz de transmisión y recepción. de energía en la dirección del satélite. De este modo, se mantiene el mejor enlace de un satélite a otro con conmutación casi instantánea entre satélites a medida que los satélites se mueven dentro y fuera de la vista del terminal de usuario. De hecho, la ESA es casi un requisito cuando se piensa en el período orbital y la cantidad de satélites que deben conectarse durante el curso normal de la operación.

Para hacer frente a este desafío, ADI ha desarrollado la tecnología de circuito integrado de formación de haz de banda Ku (BFIC). El ADMV4680 es una solución de silicio diseñada para terminales de usuario, que permite que los canales semidúplex controlen de forma independiente la ganancia y la fase de la señal. Lo notable es que el tamaño de este IC es de solo 8.2 mm.² como se muestra en la Figura 7.

El núcleo del desarrollo de la tecnología BFIC para minimizar el costo general de la radio es la experiencia en sistemas y arreglos. El ensamblaje mecánico y el diseño de PCB, que incluye el apilamiento y el número de capas, son parte del factor de costo de la radio. Cuando el BFIC se desarrolla teniendo en cuenta los diseños mecánicos y de PCB, se crea un costo de radio total mínimo. En ADI, trabajamos en estrecha colaboración con los clientes y contamos con expertos internos en PCB para ayudar con esto. De hecho, el diseño del IC y la configuración final es parte del estudio de compensación del sistema.

La adopción de ESA para rastrear los satélites LEO y optimizar la velocidad del enlace permite una configuración de bajo costo y, por lo general, estos son plug-and-play. El ESA y la migración a ODU más integradas están simplificando radicalmente la implementación y reduciendo el costo del sistema. La ESA también está permitiendo un panel más plano y diseños estéticamente agradables.

Vale la pena señalar que en el caso de las aplicaciones de terminales de mayor rendimiento, se utiliza una antena dirigida parabólica dual. En estos casos, el costo y la estética no son un factor principal y el rendimiento general es el enfoque. Cuando se trata de soluciones para consumidores y pequeñas empresas conscientes de los costos, ESA es, con mucho, la mejor manera de lograr el menor costo de radio mientras se cumplen los objetivos de diseño del sistema.

Conclusión

La conectividad a Internet LEO es un dominio nuevo y emocionante y la carrera por el espacio está en la mente de la mayoría de los gobiernos y proveedores de Internet en la actualidad. A medida que el mundo continúa cada vez más conectado, LEO desempeñará un papel importante en 5G al mejorar aún más la conectividad del estándar 3GPP desde el espacio hasta las zonas rurales. El requisito de integración de RFIC en terminales de usuario se está volviendo más desafiante y ADI continúa desarrollando soluciones y circuitos integrados de hoja de ruta en este dominio.

Cortesía: dispositivos analógicos

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• Fuente: https://www.eletimes.com/the-internet-from-space-rfic-advances-in-high-capacity-low-latency-leo-satellite-user-and-ground-terminals