Haps.conferencia santander.2004

J.A. Delgado-Penín Día Mundial de las Telecomunicaciones 1
Servicios de Telecomunicación de banda ancha
“para todos” utilizando HAPS.
Conferencia Invitada
Prof. José A. Delgado- Penín
www.tsc.upc.es/haps/
Departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones
Universidad Politécnica de Cataluña
Santander, 17 de Mayo de 2004

INDICE
 Introducción
 ¿Qué son los HAPS?
 Tecnologías en las que se basan
 Breve historia de los HAPS
 Redes de comunicaciones basadas en HAPS
 Arquitectura y coberturas radio eléctricas
 Accesos terrestres
 Sistemas de transmisión idóneos
 Algunas propuestas y Proyectos
 Viabilidad tecnológica
 Sistemas de transmisión idóneos
 Claves para una viabilidad económica
 Conclusiones y futuro

¿Qué son las HAPS?
 La denominación HAPS (High Altitude Platform Stations) se definió
por primera vez en la WARC-97 de la ITU
 Por HAPS se entienden estaciones radio-eléctricas embarcadas en
plataformas aéreas o aerostáticas (globos).
 Se pueden utilizar como estaciones que facilitan la provisión de
Servicios de Telecomunicación en tierra(bandas estrecha o ancha)
 Son competidores directos de los satélites de órbita baja (LEO) y
buena solución para las zonas urbanas con servicios in crescendo.
 Los costes previstos son competitivos con otras Redes/Sistemas de
Telecomunicación
Introducción

 Las plataformas se pueden mover de acuerdo con las necesidades de
los diferentes territorios sobre los que se sitúen.
 Se pueden considerar como “Grandes Mastiles” o “LEO muy bajos”
con sus estaciones radio eléctricas incorporadas.
 Pueden aterrizar para mantenimiento y actualización.
 Su uso se puede extender a monitorización de la contaminación,
desastres naturales, medidas meteorológicas, localización o soporte a
la agricultura, etc.
 Pueden permanecer en vuelo por largos períodos de tiempo.
 Pueden utilizar alimentación solar y “células de combustible”
Introducción

 Desde el punto de vista radioeléctrico, el área de cobertura que se
proyecta en tierra (HAP footprint) desde una estación HAP puede
evaluarse así:
R= Radio de la tierra (6378 Km.)
γ = Angulo de elevación mínimo
h= Altura de la estación
 Para un ángulo de elevación de 15º, el diámetro del área de cobertura
es alrededor de 150 Km.; en el caso de ángulo mínimo ese diámetro se
acerca a 1000Km
2 arccos cos
R
d R
R h
γ γ
  
= −  +  
Introducción

Tipología de plataformas
 Globos aerostáticos volando desde 3 a 22 Km. de altura sobre la tierra
 Aviones no tripulados (UAV) para vuelos estratosféricos
 La mejor solución para el vuelo se sitúa entre 17 y 25 Km. de altura ya
que la velocidad del viento en este margen varía entre 5 y 10 m/ sg. No
obstante, depende principalmente de la localidad y de la estación HAP.
 Aviones convencionales
Introducción

Introducción

HELIOS
Introducción

GLOBO JAPONÉS
Introducción

Plataforma a escala de HELINET
Introducción

Redes de comunicaciones
basadas en HAPS
Arquitectura y cobertura radio eléctrica
 Una red de telecomunicación de estas características se compone al
menos de cuatro grandes sistemas:
1)Plataformas estratosféricas
2)Estaciones terminales de usuarios: fijos/móviles
3)Estaciones de cabecera
4)Centros de control (de recursos, de configuración, etc.)
 Cada HAP configura una red en estrella con los subsistemas terrestres
y existe el proyecto de configurar redes en malla con estaciones HAP
para reforzar la cobertura sobre un territorio determinado. Estas dos
cuestiones se reflejan en las figuras que siguen.

basadas en HAPS
Usuarios
fijos
Usuarios
móviles
Plataforma
HAPS
Estación
Terrena

• El tiempo de retardo es mucho
menor que en el caso de los
satélites.
 La potencia de transmisión que se
necesita es menor.
• Posibilidad de reutilización,
mantenimiento y actualización
tecnológica de las estaciones HAP.
• Pueden ser sistemas compatibles
con los satelitales y terrestres.
LEO (800 km)
HAP (20 km)
basadas en HAPS

basadas en HAPS

basadas en HAPS
 En la actualidad y desde el punto de vista radio eléctrico y siguiendo a
la ITU-R se establecen unas áreas de cobertura radio-eléctrica ( Caso
de Bandas del IMT-2000).
 Cada una de estas zonas tienen diferentes ángulos de subida, y el canal
se modela estadísticamente de manera diferente para cada una de ellas.
 Se puede considerar que se logra cubrir un área de alrededor de 500
km. de diámetro, con la estación colocada a 25 km. de altura y con un
ángulo de elevación mínimo de 5.7º.
área de
cobertura
ángulo de
elevación
tamaño del radio
de zona (km)
UAC 90-30º 0-43
SAC 30-15º 43-90.5
RAC 15-5º 90.5-234

basadas en HAPS

basadas en HAPS
 Zona Urbana (UAC): Se extiende hasta los 43 km. desde el punto
SPP (Sub-Platform Point). Todos los usuarios tendrán un rango de 30º
a 90º de ángulo de elevación desde tierra con respecto a la estación
HAP. En esta zona la iluminación de los sistemas en tierra es la mas
favorable
 Zona suburbana (SAC): Se extiende hasta los 90 km. Los ángulos de
elevación estarán en el rango de 30º a 15º. Esta zona, con un ángulo
inferior que la anterior, comienza a presentar una mayor cantidad de
sombras y señales reflejadas, y la distancia que recorrerá la señal es
mayor que en el caso “zona UAC”.
 Zona rural (RAC): Los usuarios tendrán un rango de 15º a 5º en el
ángulo de elevación desde tierra con respecto a la estación HAP

Accesos terrestres de banda ancha:
exigencias de usuario y de operación
 Servicios LMDS: video, internet, telefonía, etc.
 Aplicaciones negocios/domésticas
 Alta velocidad: tráfico a ráfagas hasta 155 Mb/sg
 Ancho de banda bajo demanda
 Posibilidad de tráfico multimedia
 Regiones espectrales de funcionamiento: bandas altas (alrededor de
31/28, 48/47 GHz para los enlaces de subida y bajada)También en 2
Ghz en el ámbito del IMT-2000
 Mejor conocimiento de las características de propagación
 Mejor cobertura vs mas infraestructura de estaciones base
basadas en HAPS

Sistemas de transmisión propuestos
 Todos los sistemas de transmisión operativos o proyectados tienen en
cuenta las áreas de cobertura en las que son o van a ser operativos.
 Si el área importante es la urbana entonces en las situaciones de enlace
fijo los sistemas son con modulación codificada para aumentar el
caudal en un canal gaussiano.En presencia de móviles el canal móvil
pasa a ser el importante y se utilizan técnicas FEC y ecualización de
canal.
 Las bandas de frecuencia son también importantes según la zona a
cubrir y el país en que se instalen estas redes.Bandas de 20 Ghz, 30
Ghz y 40 Ghz. Las modulaciones codificadas concatenadas son
necesarias en las circunstancias de 30 y 40 Ghz.
 Ejemplos de especificaciones técnicas se indican a continuación para
un ejemplo de HAPS en la banda de 47 Ghz.
basadas en HAPS

Red 250 plataformas en todo el planeta, operando cada
una independientemente e inicialmente conectada a
tierra y con las redes publicas terrestres. Se creará una
red entre HAP.
Altura 21 km
Area de cobertura 150 km de diámetro
Antena multihaz 700 haces por plataforma
Angulo de elevación >15º
Vida útil prevista 5-10 años
Especificaciones técnicas a 47 Ghz.
HAP
Propuesta SKY STATION

Uplink 100 MHz in 47.9-48.2 GHz
Downlink 100 MHz in 47.2-47.5 GHz
Bandas
Modulacion QPSK (usuario); 64 QAM (estación de tierra)
Communication
Access protocol
FDMA/TDMA uplink, TDMA downlink
Señales y Protoc.
Data rate 2Mbps uplink/10Mbps downlink
Consumo de
potencia
100 mW-250 mW
Terminal de usuario

HAP Una HAP con varias estaciones en tierra para un área
urbana y suburbana
Altura 20-21 km
Area de cobertura 1000 km de diametro
Haces >1000 haces por plataforma
Capacidad 1,77 Gbps de capacidad por 10 MHz de banda (5
MHz downlink and 5 MHz uplink).
Equivalente a 316,000 comunicaciones telefónicas
simultaneas con 50% de actividad vocal.
Infraestructura
www.skystation.com

Proyecto Helinet(2000-2003)
www.helinet.polito.it
WWW
PSDN
PSTN
WWW
PSDN
PSTN
gateway station
usuarios

Proyecto Helinet (2000-2003)
Primeras especificaciones
 El enlace entre las estaciones de control se hará a una velocidad de
hasta 0.72 Gbit/s para una asignación de frecuencias de 300/300 Mhz.;
se usará una modulación QAM y una codificación FEC con una razón
de 0.71.
 En la plataforma se usarán multiplexores ATM; cada uno muliplexa 16
“beams” en un OC3 (optical carrier, nivel 3, (155.52)) puertos en el
switch.
 El usuario tendrá una velocidad máxima de subida de 2.048 Mbit/s y
una velocidad de bajada de 11.24 Mbit/s con una asignación de
frecuencia de 2 x 100.
 La conexión con las estaciones terrenas usará multiplexores de alta
velocidad síncronos, usando división de tiempo (TDM) para conectar
la red de HAPs (HAPN) a la red PSTN y a Internet.

Viabilidad tecnológica
 En noviembre del 2002 se demostró la viabilidad tecnológica con una
experiencia realizada en Hawai en el ámbito del Proyecto conjunto
USA-Japón con Helios.
 Se hizo una prueba en el ámbito del IMT-2000 y TV digital utilizando
normas de TV de Japón: OFDM con 64 y 16 QAM en visión directa a
una estación terrena a 20 Km. de altura vertical sobre tierra y en banda
UHF para recepción. La potencia transmitida fue de 1 vatio
 Ejemplo de CRL/TAO: OFDM-16QAM con 15 Mb /s.; Bandas:
1992,5 Mhz y 533 Mhz (up/down); Pots.2 dBw y 0.0 dBw;Balance de
enlace en tierra:7.8 dB
 Corea del Sur se propone realizar pruebas en el 2004 con Globos y
sistemas OFDM codificados con turbo códigos para llegar a
velocidades de 56 Mb/sg.
Proyectos de TV digital

Sistemas de transmisión idóneos
 Hay varias posibilidades según la región del mundo. Todos los
esquemas son modulaciones codificadas.
 La base elegida depende si sigue las normas de Japón o de la HDTV de
USA.
 En unas situaciones se discute sobre la norma DVB-S,-RCS o –T.
 Por tanto, QPSK o QAM con concatenación mediante turbo códigos de
rate ½ ; OFDM con la misma concatenación.
 Velocidades hasta 56 Mb/sg.
 En Europa se debe hacer un estudio de viabilidad que se ha propuesto
en el Proyecto Europeo “Capanina” en el que participa la UPC.
Proyectos de TV digital

Claves para una viabilidad
económica de los HAP
 Capacidad para mantener en posición el aeromovil (Station Keeping)
 Capacidad de almacenamiento de energía
 Acuerdos reguladores
 Propagación
 Antenas
 Gestión de recursos y eficiencia espectral

Conclusiones y Futuro
 Esta tecnología está demostrando ser viable con las experiencias de
HELIOS y Japón y Corea. Pronto China.
 El primer demostrador tecnológico mediante Aeróstatos volando a 20
Km. de altura será posible en el 2006 en Japón. Se han hecho todas las
pruebas de Banda ancha y TV en el 2001 y 2002/3 con globos de 65 m.
a 4 Km.de altura.
 Quedan pendientes pruebas con Helios en este año sobre: TV digital,
acceso fijo de banda ancha y WLAN.
 Europa tiene en marcha un estudio de viabilidad de ESA y un Proyecto
del 6º programa marco( Capanina).
 Quedan muchos problemas por analizar en función de las decisiones de
la UIT y ERO en Europa, porque las bandas concedidas para esta
tecnología lo condicionan completamente todo.

MUCHAS GRACIAS
POR SU
ATENCION

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