IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE COMUNICACIONES POR SATÉLITE EN MODALIDAD DTH Y COMUNICACIONES DE DATOS ONE WAY PARA MEJORAR LA CALIDAD DE LA EDUCACIÓN EN EL SECTOR RURAL

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Wilfredo Baro Fanola Merino Ingeniero Electrónico Lima, Lima, Peru Email: Wilfredo.fanolam@ciplima.org.pe        

RESUMEN

El presente artículo presenta un sistema de Comunicaciones Vía Satélite, en la modalidad de DTH – Direct To Home que consiste en la implementación de un servicio de difusión de señales de radio y televisión y la incorporación de datos IP (contenidos educativos), destinados a la recepción de estas señales en cada uno de los hogares de extrema pobreza en beneficio de cada uno de los pobladores y por su puesto en beneficio de cada uno de los estudiantes, con equipos receptores vía satélite muy baratos y que permiten ver un conjunto de canales de televisión, señales de radio y la recepción de datos IP con salida WiFi, para actualizar los equipos como las tablets, laptop, etc., con contenidos educativos del Ministerio de Educación y aprovechando las infraestructuras existentes actualmente, con solamente incorporar equipamiento adicional al sistema de comunicaciones vía satélite del Ministerio de Educación.

Palabras clave: Difusión de Contenidos Vía Satélite, Direct To Home, DTH, Datos IP One Way, Radiodifusión Vía Satélite, Estación Terrena, Aprendo en Casa Vía Satélite.

Nomenclatura
DTH Direct To Home.
DVB-S Digital Video Broadcast Vía Satélite.
DVB-S2 Digital Video Broadcast Vía Satélite, Segunda Generación.
QPSK Quadrature Phase Shift Keying – Modulación en Cuadratura por Desplazamiento en Fase.
8-PSK 8 – Phase Shift Keying – Modulación por Desplazamiento en 8 Fases.
Mbps Mega Bit por Segundo.
Msps Mega Símbolos por Segundo.
PIRE Potencia Isotrópica Radiada Equivalente.
HPA High Power Amplifier – Amplificador de Alta Potencia.
SSPA Solid State Power Amplifier – Amplificador de Alta Potencia de Estado Sólido.
OBO Output Back – Off – Punto de Funcionamiento del Transpondedor.
XPDR Transponder.
Es/No Energía de Símbolo sobre Energía de Ruido.
Eb/No Energía de bit sobre Energía de Ruido.
ModCod Modulación y Codificación.
BW Ancho de Banda.
FEC Forward Error Correction – Corrección de Error en el Envío.
LNA Amplificador de Bajo Ruido.
LNB Amplificador de Bloque de Bajo Ruido.

I. INTRODUCCIÓN

Desde hace tiempo el Ministerio de Transportes y Comunicaciones – MTC, puso en marcha la implementación de estaciones repetidoras de las señales de la televisión peruana en sus contenidos de radio y televisión. La oficina encargada de hacer la compra y supervisar las implementaciones fue el Proyecto de Apoyo a la Comunicación Comunal – PACC. Lo cierto es que, en su momento, fueron soluciones claves para que, por lo menos se difunda un canal de televisión y un canal de radio a zonas donde las radiodifusoras privadas no veían rentable invertir, por tanto, el estado tenía que hacerlo.

El escenario actual nos dice que esas estaciones en cientos o miles no se encuentran operando. La infraestructura implementada ha pasado a los gobiernos locales y regionales, y como se entenderá, se requieren de muchos elementos para estar operativas: Casetas, Energía, Seguridad, Mantenimiento, Torres, Antenas, Cables, etc. Hasta el momento se siguen comprando estos equipos al exterior, sin una producción nacional que cubra las expectativas del estado, ni tampoco un gobierno que incentive el desarrollo de la tecnología nacional para la fabricación de sistemas de TV y Radio analógicos de baja potencia.

El estado peruano ha gastado millones de soles en la compra de equipos transmisores a países como Argentina, y hasta ahora se siguen comprando. La llegada de la pandemia evidenció mucho más la crisis de la falta de conectividad en todo el Perú, especialmente en las zonas rurales, en donde cientos de niños van en busca de las señales de radio FM y AM a las zonas más altas de su localidad. La reacción del estado peruano ha sido invertir más en poner operativas las estaciones repetidoras de TV y radio a nivel nacional. Los gobiernos locales han convocado la compra de equipos transmisores de radio y televisión, para que, de alguna manera, se cubran las necesidades de cada localidad beneficiada.

Este sistema de repetidores de señales de un canal de radio y de un canal de TV, se ve actualmente deficiente y obsoleto tecnológicamente por la falta de cobertura en los hogares de zonas rurales, por ofrecer un solo contenido, etc. Actualmente, existen tecnologías de difusión de señales de audio, video y datos IP en una sola trama de información, que haciendo un estudio costo beneficio, resultan más baratos y llevan mucha más información, no solamente a una localidad, si no a cada uno de los hogares de los pobladores, dotándolos de varios canales de TV, radio y datos IP de portales educativos como “Aprendo en Casa”. Lo más saltante de estas tecnologías es que aprovecha las infraestructuras existentes como la estación Terrena del Ministerio de Educación, el recurso del Segmento Satelital que el mismo MINEDU alquila a un operador internacional y que en este momento solo sirve para dar acceso a internet a las Instituciones Educativas alejadas de las zonas urbanas, con una velocidad de acceso ínfimo, que no satisface ninguna plataforma virtual educativa. El sistema DTH y Datos IP, no necesita del internet para difundir los contenidos educativos, se realiza en un entorno de Intranet (red privada virtual) y con la ventaja de que los datos llegan a la misma velocidad a miles de antenas receptoras.

II. SITUACION ACTUAL.

La solución adoptada como parte de la ampliación de cobertura de las señales de TV Perú y Radio Nacional, si causó algún efecto, se ha beneficiado pobladores al menos con una señal de TV y una señal de radio, pero no es suficiente.

Recientemente salieron convocatorias a unas licitaciones en las regiones para la adquisición de repuestos y accesorios para poner operativas algunas de estas estaciones que se conforman de equipos como lo muestra la figura 1.

Lo cierto es que cada estación mínimamente le cuesta al estado en promedio S/. 80,000 soles, solo en equipos sin considerar infraestructuras de casetas, energía, seguridad, etc., y como todo equipamiento electrónico, de todas maneras, habrá desgaste y un plan de mantenimiento al menos de 02 veces al año. Todo esto hace que este tipo de soluciones ya no sea efectivo, ni satisface las nuevas necesidades de los jóvenes del nuevo milenio. Ahora se requiere más contenidos, mayor número de canales de TV, mayor número de canales de radio, entre otros.

Figura 1. ESTRUCTURA GENERAL DE UNA RED DE DIFUSIÓN DE TV Y RADIO FM EN EL PERÚ.

A. estado del servicio

Actualmente, el servicio que se brinda a los colegios del Perú es el siguiente:

1) Acceso a Internet. La velocidad de conexión a internet es de 1 Mbps, con solo el 10% garantizado. Por tanto, este servicio es insuficiente para cosas básicas como acceso a material educativo, descargas de documentos, visualización de videos o video llamadas.

2) Televisión. Cada Centro Poblado tiene acceso a un canal de televisión (analógico) con contenido del canal de estado (IRTP), con calidad estándar. Con la emergencia sanitaria producida por el COVID 19, este servicio no llega a los alumnos, los cuales reciben las clases de manera remota. Por tanto, mientras los protocolos actuales impidan el retorno de clases presenciales, este servicio de televisión no es efectivo., más aún no se tienen descarga de datos que son los contenidos del portal “Aprendo en Casa”

III. PROPUESTA DE SOLUCIÓN

La solución propuesta ante esta falta de efectividad del uso del servicio satelital actual consiste en una reestructuración de la forma de llevar el servicio y un uso eficaz del ancho de banda alquilado al operador Telesat de Canadá cuyo valor es de 95 MHz, con un costo de US$ 2,800 por cada MHz x mes. Este pago que está haciendo el estado peruano no ha beneficiado ni ha causado impacto en los sitios donde existe la antena de la tecnología VSAT. Para hacer más viable técnicamente la propuesta, describimos brevemente la parte de ingeniería de las comunicaciones por satélite, específicamente en la parte del cálculo de enlace ascendente y descendente, para lo cual, acudimos a una herramienta de cálculo en donde se obtiene los resultados inmediatos.

A. PARAMETROS DE ENLACE UN SISTEMA SATELITAL

1) Potencia Radiada Isotrópica Efectiva (PIRE)

Definimos este parámetro como la potencia de transmisión equivalente.

2) Densidad de ruido

En primer lugar, definimos la temperatura equivalente de ruido (Te). Para esto, la potencia de ruido se expresa como:

3) Pérdidas por espacio libre (Lo)

C. DESCRIPCIÓN DE LA SOLUCIÓN

Para dar una solución a la baja eficiencia del servicio actual en las Instituciones Educativas del Perú, se propone cambiar el paradigma de cómo llevar este servicio, el cual actualmente es a través de internet. Por tanto, los aplicativos y el contenido educativo como “Aprendo en Casa” se haría llegar a través de una red configurada en Intranet, el cual a través del protocolo multicast se convierte en un sistema DTH “one way” con capacidad de transmitir tres o más canales de TV a 2.5 Mbps en MPEG-4, un canal de radio y una velocidad de descarga de contenido de 9 Mbps. Este sistema DTH (Direct-to-Home) llegaría a los hogares de los alumnos a través de antenas receptoras DTH, y a través de un decodificador con tecnología WiFi, llevaría el servicio de TV, radio y conexión WiFi-exclusiva para la actualización del contenido educativo. En este calculo que se realiza como una aplicación a corto plazo solo se considera 03 canales de TV.

El plan de frecuencias que en este momento usa el Ministerio de Educación es el siguiente:

Figura 2. USO ACTUAL DEL PLAN DE FRECUENCIAS

La configuración que se observa en la fig. 2 ofrece una conectividad a internet bidireccional para 2,800 instituciones educativas con una velocidad de 1 Mbps en promedio con solo 10% garantizado, lo cual no es eficiente para el desarrollo de una educación moderna, menos aún, para el tipo de educación remota que se viene dando ante la crisis sanitaria. Por tanto, del análisis de este escenario, se descarta la necesidad de una conexión bidireccional de internet, puesto que, la verdadera necesidad está en contar con el contenido educativo incluso en las zonas más remotas, para lo cual solo es necesaria una conexión unidireccional. La configuración que se propone para el segmento satelital con el mismo plan de frecuencias es el siguiente:

Figura 3. USO PROPUESTO DEL PLAN DE FRECUENCIAS

Por tanto, de la fig. 3, podemos observar que solo se requiere una conexión unidireccional en una intranet para la descarga de contenido en los dispositivos de los estudiantes, y al ser DTH, lo hacen desde sus casas, quitando de la ecuación la interconexión de los centros educativos, los cuales, en esta pandemia, no se encuentran funcionando y no realizan ningún servicio directo a los estudiantes. Asimismo, con el mismo dispositivo, se recibe 03 canales de televisión y un canal de radio.

Aplicando los parámetros de enlace de un sistema satelital en una hoja de cálculo para los 03 canales de TV, 01 canal de radio y una velocidad de datos IP de 9 Mbps se tiene el siguiente resultado en la hoja de cálculo Excel.

Tabla 1. CÁLCULO DE LA POTENCIA DE CONSUMO DEL HPA Y EL ANCHO DE BANDA PARA UN SISTEMA DTH CONFORMADO POR 03 CANALES DE TV DE CALIDAD ESTÁNDAR, 01 CANAL DE RADIO Y 01 CANAL DE DATOS DE 9 Mbps, EN EL SATÉLITE ANIK G1, ACTUALMENTE USADO POR EL MINISTERIO DE EDUCACIÓN.

En el equipo amplificador de la Estación Terrena del Ministerio de Educación, se consumiría una potencia de 167.1 Watts, para la propuesta del sistema DTH. El ancho de banda que se necesita para implementar este servicio es de 13.6 MHz.

En el segmento satelital de 14 MHz, se implementaría el esquema propuesto para el servicio DTH, dentro del ancho de banda de 95 MHz. La implementación de este sistema DTH se esquematiza en la figura 4.

Figura 4. IMPLEMENTACIÓN PROPUESTA PARA SISTEMA DTH UNIDIRECCIONAL

Para conseguir esta solución, se han calculado los costos mostrados en la Tabla 2.

Tabla 2. COSTOS CALCULADOS PARA EL DESPLIEGUE DE LA SOLUCIÓN PROPUESTA

IV. CONCLUSIONES:

  1. Existen los recursos necesarios (equipamiento – HUB satelital y Capacidad Satelital o Segmento Satelital) para el desarrollo de proyectos como el sistema DTH en el Ministerio de Educación.
  2. Existen los recursos económicos necesarios en el Ministerio de Transportes y Comunicaciones, así como en las Regiones a nivel nacional que están destinados para la reposición y mantenimiento de los repetidores de radio y televisión VHF, que no son la solución técnica para el acceso a los portales educativos. Estos presupuestos se pueden destinar para la compra de los receptores DTH, que en su conjunto suma US$ 65.00, incluidos todos los impuestos.
  3. El sistema DTH con la difusión de contenidos educativos de radio, televisión y de datos IP, constituye una solución para el acceso a los contenidos educativos desde la casa del estudiante en las zonas más alejadas del Perú, a la vez que constituye el acceso a la información, entretenimiento, etc., de los contenidos de la televisión peruana en todas las zonas del país.
  4. La tecnología planteada no necesita el servicio de internet para la difusión de contenidos, utiliza el protocolo multicast (broadcast) para la difusión de los contenidos (TV, Radio y Datos IP), para una cantidad de antenas receptores sin límite y a la misma velocidad. La transmisión de datos es en una red Intranet o Red Privada de datos.
  5. La tecnología DTH permite el despliegue de muchos canales de TV, de Radio y Difusión de datos IP (portales educativos) en todo el Perú, reemplazando los sistemas tradicionales de repetidores, que en los actuales tiempos no satisfacen a los pobladores de las zonas rurales con cobertura, variedad de información y mucho menos con acceso a contenidos.

AGRADECIMIENTOS

Gracias al Consejo Departamental de Lima, Colegio de Ingenieros del Perú, por la invitación a participar en el Concurso de Trabajos y Proyectos Tecnológicos

REFERENCIAS:

[1]   Metodología para el diseño de enlaces satelitales. Cesar Hernandez – Oscar F. Corredor C. – Luis F. Pedraza. 

[2]   Análisis de la eficiencia de los estándares de transmisión de television digital por satéllite en las bandas Ku y Ka., 2012. Landeros – Ayala Salvador – Chavez – Cardenas Sergio A. – Gonzales – Sanchez Juan C.

[3]   https://www.telesat.com/wp-content/uploads/2020/12/Anik-G1.pdf.

Ing. Electrónico, egresado de la Universidad Nacional Mayor de San Marcos, estudios de Post Grado e Ingeniería de Comunicaciones Digitales y estudios de perfeccionamiento en Telecomunicaciones en el extranjero, Estudios de Maestría culminados en la Universidad Nacional de La Molina y La Escuela de Guerra de la Fuerza Aérea del Perú, en Alta Dirección, con Mención en Defensa y Desarrollo Aeroespacial, Maestría en Dirección Estratégica de las Telecomunicaciones en la Universidad Nacional Mayor de San Marcos, Profesor de las especialidades de telecomunicaciones de las universidades de Callao, San Marcos, INICTEL, capacitación en el extranjero en las especialidades de radiodifusión, energía solar, sistemas de comunicaciones por satélite, sistemas de radiación, torres de transmisión, sistemas de televisión digital terrestre y satelital. Asesoría y consultoría a diferentes empresas privadas y operadoras en temas de sistema de telecomunicaciones (sistemas de microondas, sistemas celulares, sistemas inalámbricos, etc.). Desarrollo de proyectos y estudios técnicos, para la obtención de permisos y concesiones ante el Ministerio de Transportes y Comunicaciones. Elaboración de textos de consulta técnica en temas de Microondas, Comunicaciones por Satélite, Televisión por Satélite, Antenas, Comunicaciones Digitales, instalación de estaciones terrenas de comunicación de datos, voz y video para el Ministerio de Educación: Estación Terrena en banda C (sistema SCPC – NEC), para el Plan Piloto del Proyecto de Educación a Distancia y Estación Terrena en banda Ku (sistema DVB-S – HUGHES), para el Proyecto Huascarán. Actual Gerente de Ingeniería de la empresa Sociedad Tecnológica del Perú SAC y de la Empresa Arca Ingenieros y Consultores SAC.

Bachiller de la carrera profesional de Ingeniería de Telecomunicaciones – Facultad de Ingeniería Electrónica y Eléctrica de la Universidad Nacional Mayor de San Marcos. Habla el idioma inglés en nivel avanzado. Busco conseguir mayor experiencia en el campo laboral, ampliar mis horizontes y desarrollar otras habilidades relacionadas a mis gustos y/o intereses. Ha estudiado el curso de CCNA Routing and Switching – Módulo 2, Curso de Especialización de Fibra Óptica en MPB Control Solutions SAC, Curso de Certificación en la marca Rajant Corporations de los Estados Unidos y actualmente se ejerce como especialista en Ingeniería de Red y Optimización en la empresa ATC Móvil SAC.

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Wilfredo Fanola, es ingeniero electrónico, especializado en Ingeniería de Telecomunicaciones, con amplia experiencia en sistemas de comunicación vía satélite, específicamente en Redes VSAT de última generación, con aplicaciones de acceso a internet y telefonía IP. Desarrolla proyectos integrales, llave en mano en telecomunicaciones, plataformas TICs, para aplicaciones en educación, e implementa sistemas profesionales en Radiodifusión, para entidades mineras. Su vasta experiencia y expertise alcanza las siguientes áreas de conocimiento: – Experiencia en Redes VSAT, diseño, dimensionamiento e implementación. – Experiencia en Gestión en Telecomunicaciones. – Experiencia en mantenimiento de estaciones terrenas y terminales remotas VSAT. – Experiencia en la implementación de sistemas de radiodifusión en empresas mineras. – Experiencia en la implementación de sistemas de energía alternativa. – Gerente de Ingeniería de WFM Telecom SAC. – Experiencia en sistemas VSAT, para acceso a Internet en Banda Ancha y servicios de VoIP. – Experiencia en la Implementación de Redes VSAT con centrales IP, para zonas rurales.