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HAPS and Artificial Satellites Unlocking the Non-Terrestrial Network Era of Beyond 5G/6G
¿Qué es una red no terrestre (RNT)?
Una red no terrestre (NTN) es un tipo de red de comunicación inalámbrica utilizada para aplicaciones como las comunicaciones móviles. El término se refiere a redes multicapa que enlazan estaciones base terrestres, barcos en el mar, estaciones de plataformas a gran altitud (HAPS) y satélites de comunicaciones en el espacio.
Estas características permiten a una NTN superar las limitaciones de las redes terrestres, ampliando drásticamente la cobertura de la infraestructura de comunicaciones para incluir zonas como valles montañosos y zonas del océano alejadas de tierra firme.
Entre las redes no terrestres, este artículo se centra en las redes de comunicaciones inalámbricas que comprenden elementos a gran altitud, muy por encima de la tierra y el mar. La I+D, los bancos de pruebas y las demostraciones están empezando a desplegarse como parte de los planes para el desarrollo de redes no terrestres en la estratosfera y el espacio exterior en preparación para la llegada del estándar de telecomunicaciones de próxima generación conocido como Beyond 5G (Sistema de Comunicaciones Móviles de 5ª Generación, B5G)/6G (Sistema de Comunicaciones Móviles de 6ª Generación).
De la estratosfera al espacio exterior. Configuración y características de las redes no terrestres (NTN).
Como muestra la Figura 1, una red no terrestre desplegada en los cielos sobre nosotros estaría compuesta por diferentes tipos de equipos de transmisión para los que una mayor altitud corresponde a una zona de cobertura más amplia. Naturalmente, cuanto mayor sea la distancia a la superficie terrestre, mayor será el retardo de la señal, y los distintos tipos de equipos de transmisión se utilizarán para fines diferentes según su ubicación, en el espacio exterior o la estratosfera, o a nivel del suelo. Esto hace posible construir una infraestructura de comunicaciones con un alcance de cobertura mayor del que se podía conseguir hasta ahora, de tal manera que podremos decir que "ningún lugar de la Tierra está fuera de cobertura".
A continuación presentamos una visión general y una descripción de las características de los satélites artificiales (GEO y LEO) y las aeronaves no tripuladas (HAPS) que componen la red no terrestre mostrada en la Figura 1.
Satélite geoestacionario (GEO)
Un satélite geoestacionario o satélite de órbita terrestre geoestacionaria (GEO) es el componente de las redes no terrestres para B5G/6G que opera a mayor altitud. Estos satélites artificiales se sitúan a unos 36.000 km por encima del ecuador terrestre. Orbitan alrededor de la Tierra a una velocidad que coincide con la de rotación terrestre, por lo que parecen estar inmóviles sobre un punto concreto del suelo. En general, los satélites meteorológicos que predicen el tiempo basándose en las condiciones meteorológicas en amplias zonas pertenecen a esta categoría de satélites.
Los GEO utilizados en las redes de comunicaciones funcionan a gran altitud, lo que les permite comunicarse con una amplia zona. Se dice que tres o cuatro satélites de este tipo podrían cubrir la totalidad de la superficie terrestre. Sin embargo, su distancia de la tierra significa que tienen un mayor retardo en la transferencia de datos que otros tipos de equipos de transmisión, y se dice que su velocidad de transferencia de datos suele ser del orden de varios megabits por segundo (Mbps). Además, como el envío de señales a la superficie terrestre requiere una gran potencia, los GEO suelen ser más grandes que los satélites de órbita terrestre baja (LEO), de los que se habla más adelante, y su puesta en órbita requiere cohetes más grandes.
Satélite de órbita terrestre baja (LEO)
Un satélite de órbita terrestre baja (LEO) es un tipo de satélite artificial que opera en el espacio pero en una órbita terrestre*1 inferior a la de un GEO, normalmente a una altitud de varios cientos a 2.000 km. A diferencia de los satélites geoestacionarios (GEO), no están sincronizados con la rotación de la Tierra.
El telescopio Hubble y la Estación Espacial Internacional (ISS) también operan a baja altura, utilizando una órbita terrestre baja de unos 400 km, como máximo. Sin embargo, se dice que las LEO utilizadas en las NTN se situarán a altitudes de unos mil varios cientos de kilómetros.
Los LEO operan a altitudes más bajas que los GEO, lo que permite la transferencia de datos con poco retardo y utilizando señales de baja potencia. Estos satélites también pueden tener un tamaño menor. Los LEO admiten velocidades de comunicación con la superficie terrestre de varios cientos de megabits por segundo (Mbps), por lo que se dice que podrían utilizarse para servicios que permitan la comunicación directa entre teléfonos inteligentes y satélites.
Por otro lado, como los LEO operan a menor altitud que los GEO, la zona de cobertura de cada satélite es más estrecha, y los satélites que operan en órbitas terrestres bajas tienen una velocidad orbital mayor. Esto significa que es necesario recurrir a "constelaciones de satélites" formadas por múltiples LEO pequeños que operan coordinadamente para proporcionar una comunicación estable en estas condiciones. El término "constelación" hace referencia a las constelaciones de estrellas y se utiliza para referirse a un grupo coordinado de LEO.
*1 La definición de "órbita terrestre" varía según los países y las organizaciones. Por ejemplo, la Agencia Espacial Europea (ESA) define la órbita terrestre como la órbita de la Tierra a una altitud de hasta 1.000 km, mientras que la Agencia Japonesa de Exploración Aeroespacial (JAXA) especifica una altitud de hasta 2.000 km.
Estación de plataforma a gran altitud (HAPS)
Una estación de plataforma de gran altitud (HAPS), a veces denominada plataforma de comunicación estratosférica, es una aeronave no tripulada (algunas son como aviones mientras que otras adoptan la forma de globos o dirigibles) que vuela por la estratosfera a una altitud de unos 20 km y que funciona como estación base de comunicación aerotransportada.
En general, los aviones de pasajeros pueden alcanzar altitudes de hasta unos 10 km, y la parte de la estratosfera en la que opera un HAPS es aproximadamente el doble. A esta altitud, las corrientes de aire y las condiciones meteorológicas son relativamente estables y la resistencia del aire es escasa. Como la densidad del aire es inferior a la necesaria para que un avión no tripulado alcance la sustentación dinámica necesaria, se dice que los modelos HAPS operativos llevarán paneles solares o baterías que les permitirán permanecer en el aire de forma continuada durante varias semanas seguidas.
Mientras que las estaciones base terrestres suelen tener un área de cobertura que abarca un radio de unos pocos kilómetros a unas pocas decenas de kilómetros, es probable que un solo HAPS tenga un área de cobertura que abarque un radio de unos 100 km. Además, al estar más cerca de la superficie terrestre que los satélites artificiales que operan en el espacio, se espera que desempeñen un papel importante en la nueva infraestructura de comunicaciones para B5G/6G debido a su mínimo retardo en la transferencia de datos. No obstante, dado que la estratosfera ocupa el espacio aéreo territorial de distintas naciones, a diferencia del espacio exterior, puede decirse que el establecimiento de un marco jurídico en cada país será clave para la implantación internacional de las HAPS y la prestación de servicios de comunicación.
Ventajas y tendencias de las redes no terrestres (NTN) para B5G/6G
Para concluir, hablaremos de las ventajas y tendencias de las redes no terrestres.
Ventajas de las redes no terrestres (RNT)
Una gran ventaja de las redes no terrestres, que a diferencia de las terrestres comprenden elementos que operan en la estratosfera y el espacio exterior, es que pueden proporcionar una infraestructura de comunicación relativamente poco afectada por catástrofes naturales como terremotos o tsunamis.
Además, tienen el potencial de ampliar espectacularmente la zona de cobertura hasta el punto de que ningún lugar de la Tierra quede fuera de su alcance. Esto permitirá a la gente utilizar sus teléfonos inteligentes para comunicarse en situaciones de emergencia incluso si se encuentran en lugares donde antes era difícil la comunicación, como valles de montaña o en el mar.
De este modo, será posible mantener la infraestructura de comunicaciones en situaciones de emergencia, como catástrofes naturales o accidentes, independientemente de la ubicación, y extender la red de comunicaciones móviles a zonas cada vez más amplias sin interrupciones, evitando que se produzcan problemas cuando se esté en la montaña o viajando por mar.
Tendencias en las redes no terrestres (RNT)
Una gran característica de las redes no terrestres es la notable tendencia hacia la participación activa de empresas privadas. En el pasado, la mayoría de los proyectos espaciales eran iniciativas nacionales, pero hoy en día una gran variedad de empresas de todo el mundo, no sólo del ámbito del hardware sino también de campos como los servicios de comunicación, se asocian y participan en proyectos aeroespaciales, incluido el negocio de las redes no terrestres.
Algunos ejemplos son el desarrollo y fabricación de satélites artificiales y HAPS, los componentes utilizados en ellos y los equipos de telecomunicaciones (cargas útiles) cargados en ellos. En estas actividades participan empresas muy diversas, algunas de las cuales explotan cohetes que transportan satélites artificiales al espacio. En particular, el campo de las comunicaciones móviles de nueva generación, denominado B5G/6G, está sirviendo de punto de partida para el rápido crecimiento de empresas que atienden a un mercado de escala mundial.
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