Ilustración 1. Diagrama de los elementos del sistema de comunicación óptica (de izquierda a derecha). Dirección aparente de la señal de luz, línea de vista de la señal transmitida, telescopio, espejo retrovisor, arreglo del plano receptor, fuente de luz, ángulo de apuntamiento, espejo móvil de dos ejes, señal transmitida.

El uso de un sistema para comunicación utilizando medios ópticos conlleva varios elementos que no son considerados en un sistema que utiliza radiofrecuencia como medio para llevar la información, estos elementos se pueden dividir en los siguientes:

Transmisor:

El transmisor láser ubicado en el satélite encargado de recibir y transmitir la información a la Tierra debe cumplir con funciones como codificar y modular la información obtenida al medio óptico para su posterior transmisión; sin embargo, antes de su transmisión es necesario que el transmisor logre adquirir una referencia para el rastreo y apuntamiento del láser hacia la estación de recepción. Una vez que se realiza la adquisición del blanco, el transmisor debe monitorear que la energía proporcionada al medio óptico y a la ganancia de la antena es óptima para llevar a cabo el enlace.

Otro elemento importante a considerar es la longitud de onda utilizada por el enlace que depende de diversos factores tales como su relación con la ganancia de la antena la cual es inversamente proporcional al cuadrado de esta, lo que implica que una longitud de onda más corta permitiría un mejor control de la operación del enlace en una longitud de onda corta; sin embargo, las longitudes de ondas largas facilitan obtener la calidad del medio óptico. También es necesario considerar las restricciones que el transporte del transmisor implica sobre la disponibilidad de energía eléctrica, ya que la longitud de onda a utilizar varía con respecto a su consumo de energía. El sistema óptico a utilizar también es propenso a la atenuación y a las pérdidas por el ruido y está directamente relacionada con la elección de longitud de onda de operación para el láser⁴.

Receptor:

La función del receptor es la de demodular y decodificar la señal recibida mediante el correcto uso de la ganancia y sensibilidad de la antena receptora. Al igual que el transmisor es necesario que se encuentre apropiadamente apuntado y en posición de recibir la señal enviada por el transmisor para limitar la cantidad de información recibida por parte de otras fuentes de luz y facilitar la detección de la señal del enlace.

Dependiendo de la distancia del enlace, el receptor puede requerir la alteración de factores que mejoren su desempeño en las comunicaciones con el espacio profundo; para ello, se han propuesto mejoras a los sistemas de recepción terrestres. Una de ellas consiste en incrementar la apertura de la antena recepción, sin embargo, esto también incrementa la cantidad de ruido percibido.

Adquisición, rastreo y apuntamiento

Un elemento fundamental para el sistema de comunicación óptico es el método para la adquisición de blanco para el transmisor que requiere determinar la posición del receptor y de esta manera, posicionar el láser hacia la estación terrestre encargada de recibir la información. Este factor incrementa la dificultad en mayores distancias puesto que el haz de luz al ser muy estrecho requiere de movimientos micrométricos para minimizar la dispersión del haz de luz y el grave degradamiento del desempeño del sistema de comunicación.

Uno de los métodos utilizados para el apuntado del transmisor y receptor consiste en el uso de una señal en una baliza que indica la posición a la cual se necesita ajustar el transmisor, este método es factible en distancias relativamente cortas o cercanas a la Tierra pero para comunicaciones con otros planetas no es suficiente para concretar un enlace estable entre transmisor y receptor. También existe la posibilidad de utilizar un objeto como una estrella o un planeta a manera de referencia para la transmisión, y en muchos sistemas, esto permite generar enlaces que no requieren del uso de una baliza para su posicionamiento en distancias largas. Sin embargo, el uso de este método es más propenso a errores debido a movimientos o cambios en el centro geométrico del punto de referencia.

Para comunicaciones interplanetarias sería recomendable el uso de un sistema que incluyera los métodos ya mencionados a manera de incrementar la redundancia y de esta forma, asegurar que el sistema se encuentre posicionado de la manera más eficiente posible.

Otro aspecto a considerar es el uso de un mecanismo de rastreo para la estación base encargada de recibir la información. El receptor debe tener la capacidad de detectar al transmisor al igual que este lo hace con la estación receptora; es decir, utilizando un haz de luz a manera de referencia, el receptor puede lograr apuntar hacia el emisor, el uso de varios haces de luz es recomendado de manera que faciliten este procedimiento⁵.

También es necesario considerar el movimiento al cual está expuesto el sistema de comunicaciones en el espacio profundo, por lo que se debe optar por sistemas que permitan mantener fijos los componentes del transmisor dentro del transporte en que se encuentra. Es importante revisar las aceleraciones que sufre el vehículo de transporte del sistema dado que provocan cambios notables; por ello, es necesario ajustarlas mediante sistemas antimovimiento que permitan reducir las variables que pueden afectar el posicionamiento del transmisor.

Detectores de señal de luz

Además de la efectividad del emisor y receptor para reconocer la señal del medio óptico, el enlace también requiere que se analice otro parámetro: la sensibilidad del receptor a la luz, medida en términos de fotones por bit. Este elemento permite mejorar el desempeño del sistema de comunicaciones, y no lo limita a que dependa únicamente de la cantidad de energía y de la apertura del sistema de recepción.

En el libro Deep Space Optical Communications, Hemmati presenta un diagrama de bloques para un posible receptor (Ilustración 2) en el cual, la señal entrante es recolectada por un telescopio receptor, la señal es redirigida con la ayuda de un espejo a un filtro de polarización, después a un filtro pasa bandas y finalmente a un lente que permite concentrar el nivel de luz en un solo punto, reduciendo el ruido de fuentes como el Sol, Luna o Estrellas que el sistema pudo haber captado durante el proceso.

Ilustración 2. Diagrama de bloques de receptor óptico. (De izquierda a derecha): Telescopio receptor, espejo reflector, filtro de polarización, filtro pasa bajas, parada de campo (Hemmati, p. 10).

Hemmati menciona que el método de modulación utilizado por el sistema receptor también influye sobre la capacidad del receptor para percibir los fotones de la señal de entrada, y propone que la capacidad del enlace óptico para detectar fotones puede ser mejorada con las siguientes consideraciones: incrementar la eficiencia de detección de fotones para una cantidad de energía ya dada, seleccionando un formato de modulación que mantenga un alto pico de energía y limitando la cantidad de ruido de parte del láser dentro del foto detector.

Filtros

Los filtros implementados en los sistemas de recepción de señales ópticas utilizan anchos de banda limitados que logran eliminar la luz que el telescopio receptor podría detectar como ruido; es importante, considerar un tamaño adecuado para que la señal del medio óptico logre ser percibida sin una atenuación significativa.

Debido al tamaño de la longitud de onda en los medios ópticos es necesario crear filtros pasa bandas de tamaños nanométricos por lo que requieren demostrar su funcionamiento en transiciones de materiales a nivel atómico.

Durante 1990, se estudiaron dos versiones de esta clase de filtros: Filtro de dispersión óptica anómala de Faraday (FADOF) y el Filtro de dispersión óptica anómala Stark (SADOF).

Ambos filtros funcionan al pasar luz polarizada en una celda atómica y si el material logra resonar con el haz de luz de entrada se producirá una polarización de la luz a través de la celda atómica; en cambio, si una fuente de luz ajena a la deseada pasa por la celda el fenómeno de polarización no se produce y por lo tanto, la celda solo permite que la luz que está en resonancia pase a través de ella, manteniendo su dirección angular. El filtro se puede observar en el diagrama de la Ilustración 3.

Ilustración 3. Componentes de Filtro SADOF (de izquierda a derecha): haz de luz de entrada, polarizador de entrada, filtro pasa banda de vidrio color verde, solenoide, placas de campo eléctrico, celda de vapor, reflector infrarrojo, filtro pasa banda de vidrio color verde, polarizador de salida, haz de luz de salida (Hemmati 2005, p. 15).

Modulación y Corrección de errores

La modulación utilizada para los enlaces ópticos en comunicaciones espaciales suele inclinarse a favor de la Modulación por posición de pulso (PPM modulation), en esta, cada símbolo del canal se divide en un arreglo de M bits, y cada periodo del símbolo del canal se divide en M cantidad de espacios; asi, la información es enviada a través del canal cuando se presenta una ventana o apertura en la que el pulso está presente. Es decir, cuando el láser logra obtener una cantidad pico de energía de un arreglo tamaño M, el canal obtiene el mismo tamaño M y por lo tanto, la capacidad del canal se aproxima la capacidad ideal propuesta por Poisson para canales de enlaces ópticos.

Otras de las ventajas de este tipo de modulación es que requiere de una cantidad baja de energía, se obtienen una alta eficiencia en la información obtenida y es resistente a la radiación o ruido.

Para la prevención y corrección de errores en un enlace óptico se debe minimizar la incidencia de ruido externo por parte de otras fuentes de luz, al limitar el ancho del haz transmitido como medio de comunicación se procura la corrección de errores a partir de la señal. Sin embargo, corresponde al demodulador implementar diversos códigos de corrección de error como por ejemplo, el uso Hamming para detectar y corregir errores en cadenas de bits.

Experimentos con sistemas de comunicación ópticos

En el año 2011, la NASA desarrolló un experimento en el que hizo uso de un medio óptico para la transmisión de información, conocido como LCRD (Laser Communication Relay Demostration) que consistió en el envío de información entre una estación base posicionada en la Tierra y entre un receptor ubicado en la Luna⁶ que logró una tasa de transferencia de 10 a 100 veces más rápidas que las obtenidas con sistemas de comunicación basados en radio frecuencia.

Otros experimentos con este tipo de tecnología han sido desarrollados por la Agencia Espacial Europea, que logró establecer una conexión entre un satélite en órbita geoestacionaria y otro ubicado en órbita baja, demostrando la posibilidad de enlaces con un ancho de banda cercano a los 50 Mbps.

Experimentos similares también se han llevado a cabo por parte de la Agencia Espacial Japonesa y por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos⁷. Sin embargo, la demostración más importante para este tipo de tecnología vendría por parte de la NASA con la demostración de comunicación óptica con Marte o MLCD por sus siglas en inglés (Mars Laser Communications Demostration), dicha demostración buscaba hacer uso de terminales ópticos en un vehículo orbitador posicionado en la órbita de Marte y que enviara una señal de regreso a la Tierra con una tasa de transferencia que podría variar de entre 1 a 10 Mbps, e incluso 100 Mbps en circunstancias específicas⁸. Sin embargo, esta misión no fue llevada a cabo debido a que las prioridades de la organización no lo permitieron.

Los parámetros de la simulación presentada en esta investigación se basaron en esta demostración.

Metodología

A partir de la arquitectura antes mencionada, hemos planteado desarrollar un caso de estudio basada en dos escenarios:

• Sonda espacial orbitando Marte con sistemas de comunicaciones en radiofrecuencia y con tres estaciones receptoras en Tierra
• Sonda espacial orbitando Marte con sistemas de comunicaciones ópticas y con tres estaciones receptoras en Tierra

En ambos casos, se plantea la posibilidad de transmitir y recibir información entre un satélite espacial y las tres estaciones receptoras en la Tierra utilizando el sistema de comunicaciones seleccionado.

Se analizarán exclusivamente los resultados obtenidos en el tiempo de acceso (la capacidad en tiempo para poder establecer un enlace de comunicaciones entre transmisor y receptor), y los resultados de la cantidad de información transmitida y recibida durante ese periodo de tiempo de acceso.

El caso de estudio se basa en los modelos utilizados en la Red para el Espacio Profundo (DSN Deep Space Network), así como la simulación computarizada del proyecto para el análisis de resultados utilizando la herramienta Systems Tool Kit (STK) de la empresa AGI.

Los escenarios de simulación abarcan un periodo del 24 de septiembre de 2014 a 3 de diciembre de 2015, que contemplan el tiempo de acceso que indica la posibilidad de establecer la transmisión y recepción de información entre la sonda y las estaciones base en la tierra.

Primer escenario: Sistema de comunicación basado en radiofrecuencia

Este escenario hace uso de comunicaciones mediante radiofrecuencia para establecer contacto con el satélite posicionado en la atmósfera de Marte, utiliza la red para el espacio profundo propuesta por la NASA a manera de bases receptoras para el canal de comunicación propuesto, estas bases se encuentran en el estado de California (Estados Unidos de América), Madrid (España) y Canberra (Australia).

Las características de las estaciones receptoras que utilizan radiofrecuencia se encuentran en la Tabla 1

Tabla 1. Características de las antenas receptoras en la simulación

Ubicación	Nombre de Antena	Tamaño de Antena	Frecuencia de Recepción	Ganancia
California	DSS 14 Goldstone
Madrid	DSS 43 Tidbinbilla	70 m	Banda (S,X) 12.0 GHz	76.29 dB
Canberra	DSS 63 Robledo

La trayectoria de inserción en la atmósfera marciana se basó en la utilizada por la sonda MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile Evolution Mission) para permitir que el simulador lograra llevar a cabo las maniobras y transiciones necesarias para llegar a la órbita de Marte; sin embargo, los sistemas de comunicaciones del orbitador utilizado en la simulación son similares a los usados en la misión “Mars Orbiter Mission”. Las características de los elementos que componen el sistema se pueden observar en la Tabla 2.

Tabla 2. Características de los elementos de comunicación del satélite RF

Frecuencias utilizadas en la simulación y que dependen de la distancia	Potencia del transmisor	Ganancia del transmisor	Potencia del receptor	Tasa de transferencia (bits/seg)	Tamaño de antena transmisora RF
Bandas (S,X)	35 W	49.93 dB	35 W	2 Mb/s	3 m

Al inicio del escenario el orbitador comienza su desplazamiento fuera de la Tierra, como se puede observar en la Ilustración 4.

Ilustración 4. Desplazamiento del Orbitador

El orbitador continúa con su trayectoria hasta que logra interceptar al planeta Marte y entrar en su órbita, esto ocurre en la fecha del 24 de septiembre de 2014 (Ilustración 5), es en ese momento, se comienza el análisis del tiempo de acceso posible entre el orbitador y las estaciones receptoras en la Tierra.

Ilustración 5. Trayectoria del Orbitador

El enlace de comunicación entre el orbitador y la estación terrestre se da cuando el sensor del orbitador logra detectar a la estación receptora; es en ese momento cuando se crea el enlace entre ambos. La simulación dicho enlace es representado mediante una línea que conecta a los elementos del sistema.

Con ayuda del software de simulación se obtiene el promedio de tiempo que cada estación base tiene con el orbitador de Marte cuando se encuentran dentro del rango del sensor.

Tabla 3. Tabla de resultados RF.

Elementos del tiempo de acceso (Sonda – Estación terrena)	Tiempo de acceso promedio	Cantidad de información transmitida
Sonda - DSS 14 Goldstone	12.28 Hrs	11.05 GB
Sonda - DSS 43 Tidbinbilla	11.54 Hrs	10.48 GB
Sonda - DSS 63 Robledo	12.36 Hrs	11.13 GB

Segundo escenario: Sistema de comunicaciones ópticas

Para el segundo escenario se hace uso de los mismos elementos que en el primero, pero se cambian los sistemas de comunicación del orbitador y de las estaciones receptoras, por sistemas de comunicación que utilizan el láser como medio de transmisión. La tasa de transferencia que se utilizó en la simulación se basó en un artículo de investigación elaborado por Biswas y Piazolla donde calculan diferentes parámetros para establecer un enlace entre la Tierra y Marte⁸.

Ilustración 6. Estaciones receptora para sistema láser

Tabla 4. Características de los elementos de comunicación del satélite Láser

Frecuencia del láser	Potencia del transmisor	Ganancia del transmisor	Ganancia del receptor	Tasa de transferencia (bits/seg)	Tamaño de transmisor óptico	Tamaño de receptor óptico
200,000 GHz	5 W	113.73 dB	143.831 dB	16 Mb/s	0.30 m	10 m

Tabla 5. Tabla de resultados utilizando Láser

Elementos del tiempo de acceso (Sonda – Estación terrena)	Tiempo de acceso promedio	Cantidad de información transmitida
Sonda - DSS 14 Goldstone	12.29 Hrs	76.94 GB
Sonda - DSS 43 Tidbinbilla	11.64 Hrs	95.3 GB
Sonda - DSS 63 Robledo	12.39 Hrs	75.22 GB

Tabla 6. Tabla comparativa

Elementos del tiempo de acceso (Sonda – Estación terrena)	Tiempo de acceso promedio del enlace óptico	Cantidad de información transmitida por el enlace óptico	Tiempo de acceso promedio del enlace de transmisión recepción por radiofrecuencia	Cantidad de información transmitida por el enlace de radiofrecuencia
Sonda - DSS 14 Goldstone	12.29Hrs	76.94 GB	12.28 Hrs	11.05 GB
Sonda - DSS 43 Tidbinbilla	11.64 Hrs	95.3 GB	11.54 Hrs	10.48 GB
Sonda - DSS 63 Robledo	12.39 Hrs	75.22 GB	12.36 Hrs	11.13 GB

Los resultados obtenidos con ayuda de la simulación brindan una muestra de la tasa de transferencia en relación al tiempo de acceso. Una mayor cantidad de información enviada por el medio óptico sobre el sistema RF (radiofrecuencia), sin contar el tiempo de transmisión donde el medio óptico permanece inactivo debido a la línea de vista en el enlace de radiofrecuencia que tiene la capacidad de obtener 144 GB en un día con una velocidad de 2Mb/s gracias a las ventajas de la radiofrecuencia en la cual no es necesario contar con línea de vista para lograr un enlace de comunicación. Sin embargo, la capacidad de transmisión de información posible en cada uno de los enlaces entre las diferentes bases comprueba que el enlace óptico es un medio viable para la transmisión de información y sobre todo como un medio de apoyo para el sistema RF, aclarando que los valores utilizados para la velocidad de transferencia de datos están basados en el caso de los enlaces ópticos en el rango dado por A. Biswas en su trabajo “Deep-Space Optical Communications Downlink Budget from Mars: System Parameters” mientras que la velocidad del transmisor que utiliza radiofrecuencia se basó en la utilizada para la misión Mars Orbiter Mission, dando así una pauta para la mejora tecnológica.

Cabe mencionar que en esta simulación no se contemplaron elementos que pueden contribuir a la atenuación de la señal tanto para el medio óptico como para el uso del espectro radioeléctrico, tal como el estado atmosférico, y la pérdida al apuntar el láser. La simulación se limitó a mostrar las características entre los dos métodos para envió de información; en una futura investigación es posible observar la diferencia del comportamiento del canal en un lapso de tiempo que contemple el estado atmosférico así como la posible contaminación por parte de luz de objetos ajenos al transmisor.

La ayuda de los telescopios ópticos como auxiliares al sistema basado en radiofrecuencia, pueden lograr ventajas como la reducción de tiempos en el envío de información y la capacidad de envío de información (tasa de transferencia). Otro aspecto a destacar es que los sistemas ópticos tienen un consumo de energía menor con respecto a los sistemas de comunicación basados en radiofrecuencias, aunque no fue analizado directamente mediante esta investigación puede ser la base para futuros estudios.

A pesar de las desventajas que implican los sistemas ópticos como son la necesidad de línea de vista y la vulnerabilidad del medio al ruido por parte de otras formas de luz; es notable que este sistema en complemento de los sistemas de comunicación actuales brinda posibilidades de optimización de estos sistemas para su uso práctico en misiones espaciales.

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2. Hyde Liz y Papadopoulos Periklis. Combining Láser Communications and Power Beaming for use on Planetary Probes. Solar System Exploration [en línea].2013. [fecha de consulta: 9 agosto 2015]. Disponible en: https://solarsystem.nasa.gov/docs/8A.6%20Hyde%20Combining%20Laser%20Communications%20and%20Power%20Beaming%20for%20use%20on%20Planetary%20Probes.pdf
3. National Aeronautics and Space Administration. Lunar Láser Communication Demonstration NASA’s First Space Láser Communication System Demonstration [en línea].Actualizada: 3 mayo 2013 [ fecha de consulta: 9 agosto 2015]. Disponible en: https://www.nasa.gov/sites/default/files/llcdfactsheet.final_.web_.pdf
4. HEMMATI Hamid (ed.) Deep Space Optical Communications. 2a ed. California: Jet Propulsion Laboratory, 2006, 736p. ISBN: 978-0-470-04002-7
5. National Aeronautics and Space Administration. Laser Communications Relay Demonstration, The Next Step in Optical Communications [en línea]. Actualizada: 27 junio 2013 [fecha de consulta: 13 agosto 2015]. Disponible en: http://www.nasa.gov/pdf/742122main_LCRDFactSheet3.pdf
6. D. Cornwell, Space-Based Laser Communications Break Threshold [en línea]. Actualizada: 1 mayo 2016 [fecha de consulta: 2 junio 2016].
7. BOROSON, BISWAS. A y EDWARDS. B, Overview of NASA’s Mars Laser Communications Demonstration System [en línea]. Actualizada: 2005 [Fecha de consulta: 6 junio 2016].
8. BISWAS A. y PIAZZOLLA S., Space Optical Communications Downlink Budget from Mars: System Parameters [en línea]. Actualizada: 15 agosto 2003. [Fecha de consulta: 17 julio 2016]. Disponible en: http://ipnpr.jpl.nasa.gov/progress_report/42-154/154L.pdf