Redes radioeléctricas basadas en aeronaves estratosféricas : el ejemplo Helinet

REDES RADIOELÉCTRICAS BASADAS EN AERONAVES ESTRATOSFÉRICAS: EL EJEMPLO HELINET XA .Delgado-Penín, E.Bertrán i Albertí Departamento Teoria de la Señal y Comunicaciones U.P.e. 1.-INTRODUCCION En la comunidad científica-tecnológica relacionada con el mundo de las Telecomunicaciones se está abriendo paso el interés por el uso de plataformas aeronáuticas estratosféricas , es decir , globos aerostáticos , aviones tripulado s ó aviones no tripulado s para crear redes de Telecomunicación complejas y/o llevar a cabo diferentes se rvicios de control de tráfico (terrestre y/o marítimo) ó medioambientales . De este modo se podrán realizar funciones que hoy se desarrollan mediante satélites de Telecomunicación , tales como: transmisiones de señales telefónicas y/o televi s ivas ; transmisione s de dato s en el ámbito Internet ; radiodifusión directa de televisión (DVB - S) o de audio (DAB) ; control y/ o monitorización de un territorio a través de mapa s digitalizados ; prevención de catástrofes naturales ; etc. Dichas plataformas denominadas HALE ( << High A ltitud e Long Endurance ») o HAAP s ( << High-Altitude Aeronautica l Platforms ») so n estructuras que competirán directamente con los satélites artificiales de baja cota LEO (<<Low Earth Orbit »). Su objetivo será,entre otros po s ibles ,el de suministrar Servicios de Banda Ancha , tale s como:vídeo interactivo , TV digital , conexiones a Internet a g ran velocidad,etc . Una de las hipóte sis de partida para tener cobertura radioélectrica asociada a dicho s Servicios durante las 24 hora s deberá se r la de tener en vuelo so bre un territorio equivalente a un area metropolitana entre una y tres plataformas( grandes g lobo s ó aviones) disponible s.En el caso de aviones , debido a la altura( entre 15 y 20 Km) del vuelo en régimen de aparcamiento( fase en la que se tran s miten / reciben seña les de los Servicios) no se nec esi tar án e quipo s complejos en el territorio a cubrir , y se prev ee n capacidades en ambos sentidos de transmisión del orden de 100 Mbits / sg .[ 1] Pa ra dis poner de capacidades como las antedicha s ha habido que ll eva r a cabo dive rso s pro yecto s en todo el mundo . Los trabajo s pionero s en es te ámbito han sido l os que realizaron las grandes organizaciones espacia l es : la NASA a través de los 16 pro gra mas ERAST [2] y ER-2 [3] y la ESA mediante el pro g rama HA VE [4] . En el ámbito de los pai ses e urop eos con capacidad de realizar pro yec to s por su cuenta sólo se realizó la plataforma SOLlT AIR [5] de Alemania . En las circunstancias actuales y de bido al fuerte interés comercial en el u so de Internet y de las comunicaciones móviles de tercera generación HELINET tendrá como elementos fundamentales aviones no tripulados (Plataformas HELIPLAT) que serán los nodos aéreos de la red han aparecido alternativas tecnológicas factibles.EI programa SKYStation [6] en USA reutilizó aviones de procedencia militar como estaciones ba se y creó po s teriorment e un ente comercial que se ocupará de di se ñar y de sa rrollar una red denominada HALO (<< High Altitude Long Operation ») [7] En Europa , a la vista de lo que está s ucedi endo en USA y Japón ,se inició el año 2 000 el de s peg ue de un pro ye cto ambicioso de nominado HE LlNET , pro ye cto s ubvencionado por la U nión Europea para alcanzar objetivos se mejante s a los de l as plataforma s previ s ta s en otros lugare s del mundo . 2.-HELINET( HELIPLA T NETWORK)[8] La futura red HE LIN ET se está diseñando y desarrollando en su primera fas e (He liplat ) por un consorcio europeo (e ntre cuyos miembro s es pañoles se enc ue ntran CASA y la UP C) de diez miembro s pert enec ie nt es a seis pai ses en el ám bito del quinto programa marco de la U.E. [ 9 ] HELI ET tendr á como e lemento s fundamen - tales aviones no tripu l ados (Plataformas HELIPLAT ) que serán los nodos aéreos de la red . Dichos aviones serán propulsado s mediante B URAN N° 16 DI CIEMBRE 2000 motores eléctricos alimentados por células s olares y de «fuel» especiales . En la actualidad se está en la fase de diseño y construcción del primer prototipo. La red de estaciones embarcadas estará conectada con estaciones terrestres de control.Además , existirán conexiones radioeléctricas con satélites , centros de control de tráfico aéreo y centros reguladores . La cobertura sobre un territorio predeterminado deberá ser posible durante todo el día . Desde el punto de vista de la fiabilidad se prevee la sustitución de cualquier plataforma malfuncionante para mantener los posibles servicios durante las 24 horas del día . 2.1 Algunos aspectos técnicos de las aeronaves El desarrollo y construcción de la aeronave real (Heliplat) concluirá en un aeroplano que dispondrá de ocho motores eléctricos situados en las dos alas delanteras principales . La envergadura prevista es de 73 metros ( el primer prototipo en construcción - a escalatendrá una envergadura de 24 metros y la imagen virtual del prototipo es la que se acompaña) . Cada aeronave de la red deberá estar en « aparcamiento » en una altura aproximada de 19 Km con relación a tierra durante un tiempo de 9 meses.[ I O] Heliplat Figura]: Prototipo de aerona ve Heliplat Entre los subsistemas previstos y en fase de estudio se distinguen los siguientes : -Sistema de alimentación eléctrica -Sistema de motores eléctricos -Sistema de aviónica (guiado y supervisión) -Sistema de Telemetría , Telemando y Control -Sistema de « Housekeeping » de la aeronave -Carga útil (payload) para control de tráfico -Carga útil (payload) óptica -Carga útil (payload) para Sistemas de Telecomunicación de Banda Ancha La aeronave no deberá superar los 500 Kg de peso , de los que aproximadamente 100 Kg dedicados a todos los subsistemas y cargas útiles.La po- • RAMA DE EST U DIA NTES D EL IEEE DE BAR CELONA tencia a consumir deberá estar limitada a 800 vatios para el total de estos subsistemas 2.2 Cargas útiles El objetivo de HELI ET será proporcionar unos servicios a través de las cargas útiles que llevan las plataformas .El diseño de dichas cargas útiles está relacionado con tres aspectos : -Control de tráfico -Control medioambiental -Servicios de Banda Ancha El subsistema que facilitará actividades relacionadas con control de tráfico de diversos tipos deberá satisfacer unas premisas que ya están siendo consideradas en el estándar GSM-R (sistemas GSM El objetivo de HELINET será proporcionar unos servicios a través de las cargas útiles que llevan las plataformas para el ámbito ferroviario).Ello implicará unos equipos de transceptores que deberán operar en las bandas dedicadas en Europa a aquellos sistemas. La carga útil que facilitará el control medioambiental estará compuesta por un equipo radiométrico óptico con resoluciones de las imágenes obtenidas de diferente calidad según los escenarios observados.Cada imagen deberá cubrir un área de 16 Km cuadrados aproximadamente . Los s istemas de banda ancha trabaj arán en la banda de 48 Ghz ., lo que facilitará grandes capacidades . Aquí serán muy importanes las diferentes coberturas previstas desde la aeronave hacia tierra [11]. 3.- POSIBILIDADES DE USO DE HELINET Como se ha comentado anteriormente , las diferentes cargas útiles proporcionarán diferentes servicios . Por lo que se refiere a la aplicación de controlde tráfico serán posibles los siguientes servicios: -Navegación inteligente de automóviles -Monitorización automática de vehículos -Monitorización del tráfico ferroviario de alta velocidad -Control de tráfico marítimo en aguas costeras Respecto al Control medioambiental se preveen las siguientes posibilidades de monitorización: 17 -Agricultura (valoración de daños de diversa índole) -Ambito forestal( detección e identificación de fuegos) -Hidrología(gestión de riegos, avenidas, catástrofes de diverso tipo) -Control de contaminación en costas, ríos y mares -Control de desastres naturales (Tornados, terremotos, erupciones volcánicas) La última carga útil facilitará servicios de Infocomunicaciónes como los siguientes: -Radiodifusión TV /video baj o demanda - Transferencia de grandes ficheros (Download) -Servicios vocales:normales y de emergencia -Servicios de Correo Electrónico y de mensajes cortos -Videoconferencia Todo lo antedicho es posible debido a las características de transmisión/recepción de las cargas útiles que llevará Heliplat. 4.- VENTAJAS RELA TIV AS Las redes estratosféricas tienen ventajas con relación a las redes radioeléctricas terrestres en diversos aspectos. Uno de ellos es la disminución drástica en el uso de estaciones base para radiocomunicaciones móviles celulares .A medida que crece la demanda es necesario reingeniar todos los sistemas.En el caso de las aeronaves, la presencia de una estación base embarcada resolverá el problema en un area de cobertura donde el canal aeronáutico es solo afectado por atenuaciones de i El interés de este tipo de tecnologías está ligado a las características aeronáuticas de la plataforma y a los diferentes servicios que se podrán prestar los meteoros o por fading Rice. Las redes con satélites LEO estarán en desventaja con relación a las redes de aeronaves por el tamaño de las constelaciones que deberán ponerse en marcha en el caso de los LEO.La experiencia de Iridium no debe caer en el olvido( ha desaparecido su servicio por baja rentabilidad). 5.-CONCLUSIONES El interés de este tipo de tecnologías está ligado a las características aeronáuticas de la plataforma y a los diferentes servicios que se podrán 18 prestar.Desde el punto de vista radioeléctrico, las bandas de trabajo de estos sistemas condicionan principalmente la provisión de Servicos de Banda ancha. En efecto, para la región europea se dispone en estos momentos de las bandas de 47/48 Ghz y de Los sistemas de banda ancha trabajarán en la banda de 48 Ghz., lo que facilitará grandes capacidades 2 Ghz que son suficientes para todos los servicios previstos.En el caso de otros territorios, las bandas pueden plantear problemas diferentes a los que se originarán en USA y Europa. 6-BIBLIOGRAFIA [1] Djuknic G et al:» Establishing wireless communications services via High-Altitude Aeronautical platforms:a concept whose time has come»-IEEE Communications Magazine,September 1997 [2] Proyecto ERAST.Sitio WEB:www.dfrc.nasa.gov/ Proj ects/ erast/index.html [3] Proyecto ER-2.Sitio WEB:www.dfrc.nasa.gov/ Proj ects/ airscil general/ er-2/index.html [4] Proyecto ESA HA VE. Sitio WEB.www.estec.esa.nl/ HA VE www/HAVE.html [5] Proyecto Solitair.Sitio WEB.www.ft.bs.dlr.de [6] Proyecto Skystation. Sitio WEB. www.Skystation.com [7] Colella NJ et al:»The HALO network». IEEE Communications Magazine,June 2000 [8] Sitio WEB de HELINET.www.helinet.polito.it [9] Proyecto IS T -1999-11214.» N etwork of stratospheric platforms for traffic monitoring, environmental surveillance and broadband services».(2000-2002) [10]Romeo G:»Design proposal ofHigh Altitude VeryLong Endurance solar powered platform for earth observation and telecomunications applications»-48th International Astronautical Congress, October 1997,Turin [11]Grace D et al:» LMDS from High Altitude Aeronautical Platforms».IEEE Globecom 99.Brasil BURAN N°16 DICIEMBRE 2000