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Entre el satélite y la estación terrena hay unos 500 kilómetros de vacío y unos pocos kilómetros de aire. Toda la dificultad está en esos pocos kilómetros. La atmósfera cobra tres impuestos distintos, y los tres se agravan con la frecuencia:
Pérdida en espacio libre, que no es un fenómeno atmosférico sino geométrico, pero que sube con f2 y por tanto fija el punto de partida.
Absorción gaseosa, causada por las moléculas de vapor de agua y de oxígeno, que resuenan a frecuencias concretas.
Atenuación por hidrometeoros, sobre todo lluvia, que es el impuesto variable, impredecible y con diferencia el más caro por encima de 10 GHz.
En Redes Satelitales, Módulo 2, cerraste presupuestos de enlace tratando estas pérdidas como una cifra dada. Aquí la calculamos, porque de ella depende una decisión que no se puede deshacer: en qué banda pides espectro. Un operador que subestima la lluvia descubre su error cuando ya construyó los gateways.
con d en kilómetros y f en gigahercios. La segunda forma expone lo esencial: duplicar la frecuencia cuesta 6.02 dB, independientemente de la distancia. Para un satélite LEO a d=550km en el cenit, la diferencia entre operar a 12 GHz y a 20 GHz es
Cuatro decibelios y medio. Molesto pero perfectamente absorbible con antenas algo mayores. Conviene notar el matiz que casi siempre se explica mal: esta pérdida no es una "absorción" del medio — el vacío no absorbe nada — sino la dispersión geométrica de la potencia sobre una esfera creciente, combinada con el hecho de que el área efectiva de una antena de ganancia fija se encoge con λ2. La lluvia, en cambio, sí absorbe y dispersa de verdad, y por eso su comportamiento es cualitativamente distinto.
Absorción gaseosa: dos moléculas y sus resonancias
La Recomendación UIT-R P.676 modela la atenuación por gases atmosféricos, dominada por dos especies moleculares con líneas de resonancia bien definidas:
El vapor de agua (H2O) tiene una línea prominente en 22.235 GHz y otra mucho más fuerte cerca de 183 GHz. Su intensidad depende de la humedad absoluta, así que varía con el clima y la estación del año.
El oxígeno (O2) presenta un complejo de líneas alrededor de 60 GHz que se funden en una banda de absorción brutal, del orden de 15dB/km a nivel del mar. También hay una línea aislada en 118.75 GHz.
Entre esos picos quedan las ventanas atmosféricas, y no es casualidad que las bandas comerciales vivan en ellas: Ka de bajada en 17.7–20.2 GHz se sitúa justo por debajo del pico de vapor de agua, y Q/V en 37.5–51.4 GHz aprovecha la ventana entre 22 y 60 GHz. El pico de oxígeno en 60 GHz, por su parte, es tan hostil que se convirtió en un recurso: los enlaces terrestres de corto alcance lo usan deliberadamente porque la señal se extingue en pocos cientos de metros y permite reutilizar la frecuencia a la vuelta de la esquina. Lo que en un enlace satelital es un muro, en una red densa urbana es una ventaja.
En términos numéricos, la absorción gaseosa cenital total ronda los 0.1dB en banda Ku y los 0.4–1dB en banda Ka con humedad moderada — cifras pequeñas comparadas con lo que viene a continuación, pero que no se pueden ignorar en un enlace ajustado, y que además crecen al dividir por sinθ cuando la elevación baja.
Atenuación por lluvia: el modelo que usa la industria
La lluvia atenúa por dos mecanismos: absorción, porque el agua líquida es dieléctricamente con pérdidas a estas frecuencias, y dispersión, porque las gotas tienen un tamaño comparable a la longitud de onda. A 20 GHz, λ=15mm y una gota grande mide 3 mm: estamos en pleno régimen de dispersión de Mie, donde la interacción es máxima. En banda L, con λ=200mm, la misma gota es una perturbación despreciable. Esa comparación de escalas explica por qué la lluvia es irrelevante abajo y decisiva arriba.
La cadena de modelado que usa todo el sector se apoya en cuatro recomendaciones encadenadas:
Recomendación
Qué aporta
UIT-R P.837
Estadística de intensidad de lluvia R0.01 excedida el 0.01 % del tiempo, por coordenadas
UIT-R P.839
Altura de la isoterma de cero grados y altura de lluvia hR
UIT-R P.838
Coeficientes k y α que convierten intensidad de lluvia en atenuación específica
UIT-R P.618
Método completo de atenuación en trayecto oblicuo y extrapolación a otros porcentajes
El corazón del método es la atenuación específica, la relación empírica
γR=kRα[dB/km]
donde R es la intensidad de precipitación en mm/h y los coeficientes k y α dependen de la frecuencia y de la polarización. Ambos crecen con la frecuencia hasta saturar en torno a los 100 GHz. Que α sea cercano a 1 significa que, en primera aproximación, la atenuación es proporcional a la lluvia: el doble de milímetros por hora, el doble de decibelios por kilómetro.
Longitud efectiva de trayecto
La atenuación total no es γR multiplicado por la longitud geométrica del trayecto, y la razón es meteorológica: las celdas de lluvia intensa son pequeñas. Una tormenta convectiva descarga 60 mm/h sobre unos pocos kilómetros cuadrados, no sobre toda la trayectoria oblicua. El modelo lo captura con un factor de reducción. Primero se calcula la longitud oblicua bajo la altura de lluvia:
LS=sinθhR−hS
y su proyección horizontal LG=LScosθ. Después se aplica el factor de reducción horizontal
r0.01=1+0.78LGγR/f−0.38(1−e−2LG)1
y la atenuación excedida el 0.01 % del tiempo resulta A0.01=γR⋅LS⋅r0.01. La dependencia con 1/sinθ es la que hace que la elevación sea un parámetro de diseño de primer orden: bajar de 40° a 20° de elevación casi duplica el trayecto dentro de la lluvia. Es exactamente el argumento que justifica las máscaras de elevación mínima que viste en Redes Satelitales, Módulo 5, y que en las constelaciones NGSO se traduce en cuántos satélites hacen falta para garantizar siempre un enlace de alta elevación.
Ejemplo resuelto: la misma tormenta en Ku y en Ka
Una estación terrena en la costa del Golfo de México, a hS=0.1km sobre el nivel del mar, apunta con elevación θ=40°. La altura de lluvia es hR=4.5km y la intensidad excedida el 0.01 % del tiempo es R0.01=60mm/h, valor representativo de un clima tropical húmedo. Comparamos 12 GHz (Ku) con 20 GHz (Ka).
Paso 1 — geometría del trayecto. Es común a ambas bandas:
La misma tormenta, sobre la misma estación, en el mismo instante: 12.7 dB en Ku y 27.9 dB en Ka, una razón de 27.9/12.7≈2.2. Y ese factor de 2.2 hay que sumarlo a los 4.4 dB de pérdida adicional en espacio libre calculados antes: el enlace Ka necesita casi 20 dB más de margen que el Ku para sobrevivir al mismo evento. Veinte decibelios son un factor 100 en potencia. Ahí está, en una cifra, todo el compromiso de la lección 2: Ka ofrece el doble de espectro y cobra dos órdenes de magnitud de potencia cuando llueve.
Disponibilidad: qué compras con cada nueve
Ningún enlace se diseña para no fallar nunca; se diseña para fallar un porcentaje acordado del tiempo. Ese porcentaje se escribe como disponibilidad y se negocia en el contrato de servicio:
Disponibilidad
Porcentaje no disponible
Tiempo fuera al año
Uso típico
99 %
1 %
87.6 h
Enlaces de consumo tolerantes
99.5 %
0.5 %
43.8 h
Banda ancha residencial
99.9 %
0.1 %
8.8 h
VSAT empresarial
99.99 %
0.01 %
52.6 min
Backhaul celular, servicios críticos
99.999 %
0.001 %
5.3 min
Gateways y enlaces alimentadores
P.618 permite extrapolar desde A0.01 a otros porcentajes con
A0.01Ap=0.12p−(0.546+0.043log10p)
Para p=0.1% el factor vale 0.382, y para p=0.001% vale 2.14. Aplicado a nuestro ejemplo en banda Ka:
Disponibilidad 99.9 %: A=0.382×27.9=10.7dB de margen.
Disponibilidad 99.99 %: A=27.9dB.
Disponibilidad 99.999 %: A=2.14×27.9=59.7dB.
Lee la última cifra despacio. Pasar de 99.99 % a 99.999 % — de 53 minutos de corte al año a 5 minutos — exige casi 60 dB de margen en un solo enlace. Es físicamente inalcanzable: ningún amplificador ni ninguna antena razonable cubre eso. La consecuencia es de las que reordenan una arquitectura: por encima de cierta disponibilidad, el margen deja de ser una solución y hay que cambiar de estrategia.
Diversidad de sitio: comprar disponibilidad con geografía
La estrategia se llama diversidad de sitio y explota una propiedad de la meteorología: las celdas de lluvia intensa son pequeñas y se desplazan. Si construyes dos gateways separados 20 o 30 kilómetros y conectados por fibra, la probabilidad de que ambos estén bajo la misma celda convectiva es mucho menor que la de que lo esté uno solo. El sistema conmuta al emplazamiento despejado y el enlace sobrevive.
La ganancia no es el producto ingenuo de probabilidades — los eventos están correlacionados, sobre todo en lluvias estratiformes extensas — pero P.618 la modela y, en banda Ka con separaciones del orden de 30 km, la ganancia de diversidad ronda los 10–15dB para p=0.01%. Con eso, el objetivo de 99.999 % pasa de imposible a caro pero factible, que es exactamente el tipo de transición que define una arquitectura viable.
La decisión de dónde separar los sitios no es trivial: demasiado cerca y las celdas los cubren juntos; demasiado lejos y el coste de fibra, latencia y coordinación se dispara, además de que la geometría de apuntamiento empieza a diferir. La regla práctica del sector sitúa el óptimo entre 10 y 40 km, con la orientación de la línea base perpendicular a la dirección dominante de avance de las tormentas.
Zonas de lluvia: por qué México no es un solo país, radioeléctricamente
La antigua clasificación de la UIT en zonas de lluvia (A a Q) fue sustituida por los mapas digitales de P.837, pero la idea se mantiene: la intensidad R0.01 varía enormemente con la geografía. Dentro de un mismo país las diferencias son dramáticas:
Región
R0.01 orientativo
Consecuencia de diseño
Península de Yucatán y costa del Golfo
90–110 mm/h
Ka exige diversidad de sitio incluso para 99.9 %
Altiplano central
40–55 mm/h
Ka viable con margen y ACM agresivo
Noroeste árido (Sonora, Baja California)
15–25 mm/h
Ka y hasta Q/V viables con márgenes moderados
Con los coeficientes de banda Ka del ejemplo, pasar de 25 a 100 mm/h multiplica la atenuación específica por
251.0991001.099=(25100)1.099=41.099=4.58
Casi cinco veces. Un gateway en Hermosillo y otro en Villahermosa, con antenas idénticas y el mismo satélite, viven en universos distintos. Por eso la selección de emplazamiento de gateways es una decisión de propagación antes que de logística, y por eso las constelaciones concentran sus estaciones alimentadoras en zonas áridas siempre que la topología de la red se lo permite.
La decisión de banda: física, regulación y costo
Con todo lo anterior sobre la mesa, elegir banda deja de ser una preferencia y se convierte en un problema de tres restricciones simultáneas:
Física: ¿cuánta atenuación soporta el enlace en el peor clima de mi zona de servicio, con la elevación mínima que garantiza mi constelación?
Regulación: ¿tengo atribución primaria en esa banda, en mi Región, para mi servicio? ¿Con quién debo coordinar y cuánto tardará?
Costo: ¿existen componentes de consumo a esa frecuencia? ¿Puedo permitirme diversidad de sitio? ¿Cuánto cuesta el margen que la física me exige?
Una banda que gana en las tres nunca existe: si ganara, ya estaría llena. El trabajo del arquitecto de sistema es encontrar la combinación menos mala para su caso concreto, y por eso los sistemas reales son híbridos — Ku o Ka para el usuario, Ka o Q/V para el gateway, banda S para telemando, UHF de respaldo — con cada banda haciendo aquello para lo que es menos mala.
Laboratorio
El simulador de atenuación por lluvia implementa la cadena P.838 → P.618 completa. Podrás fijar la frecuencia, la elevación, la intensidad R0.01 de tu zona y la disponibilidad objetivo, y ver en tiempo real la atenuación resultante junto con el desglose de cada paso intermedio: longitud oblicua, proyección horizontal, factor de reducción, atenuación específica y total.
Lo que interesa no es obtener un número sino desarrollar intuición sobre las sensibilidades. Verás que la frecuencia y la disponibilidad son los parámetros brutales — pequeños cambios producen saltos enormes — mientras que la elevación actúa con más suavidad hasta que baja de unos 20 grados, punto en el que el factor 1/sinθ se dispara. Esa asimetría es la que explica muchas decisiones aparentemente arbitrarias del sector.
Presta atención también al indicador de margen implementable: el panel marca en rojo cuando la atenuación requerida supera lo que un enlace real puede compensar con potencia y antena, y ese umbral es precisamente la frontera donde aparece la diversidad de sitio como única salida.
Tres retos concretos:
Encuentra el muro. Con R0.01=95mm/h y elevación 30°, localiza la frecuencia a la que la atenuación al 0.01 % supera los 30 dB. Anótala: es el techo práctico de tu zona sin diversidad de sitio.
Compra elevación. Fija 20 GHz y 60 mm/h, y determina cuántos grados de elevación adicionales necesitas para reducir la atenuación un 25 %. Después razona cuántos satélites más exigiría esa elevación mínima en una constelación LEO.
Compara dos ciudades. Configura el escenario árido (20 mm/h) y el tropical (100 mm/h) manteniendo todo lo demás igual, y calcula la diferencia de margen en decibelios. Convierte esa diferencia en un factor de potencia y comenta si compensa duplicar el gateway o mover el emplazamiento.
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Un operador quiere pasar un gateway en banda Ka de 99.99 % a 99.999 % de disponibilidad. ¿Cuál es la estrategia correcta?
Ya sabes qué bandas existen y qué cobra la naturaleza por cada una. Falta la otra mitad: quién decide quién puede usarlas. Esa es la lección 4.
Laboratorio: Atenuación por lluvia · Banda, elevación y disponibilidad