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INFLUENCIA DE LA TROPOSFERA EN LA PROPAGACIÓN DE ONDAS 93

7. ATENUACIÓN POR NUBES• La influencia de las nubes en la propagación es mayor al aumentar la

frecuencia.• En cambio el efecto de la capa fundente es máximo (proporcionalmente a otros

efectos) en el margen de 10 a 20 GHz.• El estudio teórico del efecto de las nubes se basa en el scattering en partículas.

Es suficiente con considerar scattering simple hasta frecuencias de 100 GHz.• La dificultad para aplicarlo en la práctica está en la adecuada caracterización

de las nubes en cuanto a estructura macrofísica, distribución de partículas en su interior a diferentes alturas, probabilidad de aparición de los distintos tipos de nubes, etc...

• Para nubosidad uniforme se ha medido que la atenuación es proporcional a la longitud del trayecto recorrido por la señal en el seno de la nube. Esto puede modelarse con la cosecante del ángulo de elevación


PRINCIPALES CARACTERISTICAS

Tipo de nube Densidad (g/m3) Altura mínima (m) Altura máxima (m)Niebla espesa 1 0.37 0 150Niebla espesa 2 0.19 0 150Niebla moderada 1 0.06 0 75Niebla moderada 2 0.02 0 75Cumulus 1.00 660 2700Altostratus 0.41 2400 2900Stratocumulus 0.55 660 1320Nimbostratus 0.61 160 1000Stratus 0.42 160 660Stratus 0.29 330 1000Stratus-stratocumulus 0.15 660 2000Stratocumulus 0.30 160 660Nimbostratus 0.65 660 2700Cumulus-cumulus congestus 0.57 660 3400


MÉTODOS PARA EL CALCULO DE ATENUACIONHay varios métodos, cada uno con sus limitaciones. Se presentarán:• Método de Liebe: Basado en la teoría de scattering, incluye parámetros

difíciles de conocer en la práctica.

• Método de Guissard.:Basado en experimentos. Está poco contrastado en cuanto a rango de aplicación.

• Método de Altshuler: Intenta modelar la atenuación por nubes en base a la humedad superficial. No está claro que sea un parámetro suficiente.

• Método de DAH: Se basa en la probabilidad de aparición de diversos tipos de nubes, y sus características típicas.

• Métodos de la UIT y de Salonen: Son similares y se basan en el contenido de agua líquida de las nubes.


MÉTODO DE LIEBE

• Se modela el índice de refracción complejo de la nube. Como ya se ha visto, a partir de ahí es inmediato calcular la atenuación específica α (dB/km), que multiplicada por la longitud del trayecto en el interior dela nube nos daría la atenuación.

• ρ: Contenido de masa por unidad de volumen• ρw,i: Densidad específica del agua (1000 Kg/m3) y hielo (916 Kg/m3)

21

23

10)1()('')('

,

,

,,

60

+−

⋅=

⋅−=−+=

irw

irw

iwiwN

nfjNfNNN

εε

ρρ


MÉTODO DE GUISSARD

• En este método se calcula directamente la atenuación específica (dB/km) de las nubes, con diferencia si son de agua o de hielo:

• ρ: Contenido de masa por unidad de volumen• u: Factor de forma• s(T,λ): Corrección por temperatura y frecuencia• Existen tablas que dan u y s (T,λ)

HieloukmdB

AguaTskmdB

λρα

λρλα

=

⋅⋅=

)/(

),(438,0)/( 2


MÉTODO DE ALTSHULER

• Este método relaciona la atenuación con la humedad absoluta en superficie:

• ρ: Humedad absoluta en superficie (g/m3)• ε: Angulo de elevación• λ: Longitud de onda en mm.

º8)(cos)(

)()3,11()403,000075,00242,0()( 15,1

>=

+⋅++−=

εεε

ερλ

λ

ecD

DdBA


MÉTODOS DE NIEBLA Y CAPA FUNDENTE• Un método empírico para la atenuación por niebla es:

• ρ: Contenido de masa por unidad de volumen. Entre 0.02 y 0.37 g/m3

• La atenuación de la niebla suele ser reducida en enlaces por satélite. El espesor de la capa es del orden de 75-150 m.

• La capa fundente es difícil de modelar. Se ha propuesto relacionar la atenuación específica con la reflectividad (radar) de la misma:

• b y c son parámetros que dependen de la frecuencia y/o polarización

)022,0/180372,0347,1()/( TkmdB −++−⋅= λλρα

cZb ⋅=α


MÉTODO DAH (ALNUTT, HAIDARA Y DISSANAYAKE)

• Se intenta estimar la distribución acumulada de probabilidad de superar determinados umbrales de atenuación por nubes. Se basa en las propiedades medias de cuatro tipos de nubes (los más característicos) y la probabilidad de que el cielo esté cubierto por cada uno de esos tipos (dato meteorológico)

Tipo de nube Ext. VerticalHc (km.)

Ext. HorizontalLc (km.)

Contenido de agua(g/m3)

Cumulonimbos 3.0 4.0 1.0Cúmulos 2.0 3.0 0.6

Nimbostratos 0.8 10.0 1.0Stratos 0.6 10.0 0.4


PASOS DEL MÉTODO DAH

1. Cálculo de la atenuación específica para cada uno de los cuatro tipos de nubes:

• ρ:Densidad de vapor de agua. Depende de T, para atmósfera saturada• υ: Contenido de agua líquida (g/m3)• λ: Longitud de onda• Tanto ε como ρ dependen de T, pero su efecto se considera de segundo orden.

Por ello se toma T = 0ºC

εε

λρπυα

+−

⋅⋅=21Im

3234343,0)/( kmdB


PASOS DEL MÉTODO DAH (2)

2. Calculo de la atenuación cenital y para el trayecto inclinado:

• La atenuación cenital es el producto de la atenuación específica (dB/km) por la altura de la nube.

Az = αc Hc

• El cálculo para el trayecto inclinado se hace modelando la nube como un cilindro vertical de dimensiones horizontal y vertical las indicadas en la tabla.

• Esto nos dará cuatro valores de atenuación para cuatro tipos de nubes.


PASOS DEL MÉTODO DAH (3)3. Los cuatro valores de atenuación se corresponden con cuatro probabilidades,

que son las de presencia de esos cuatro tipos de nubes. Son datos que pueden obtenerse de los organismos meteorológicos. Se tiene cuatro parejas (A, P)

4. Se realiza un ajuste para obtener la función lognormal que mejor se aproxima a los cuatro puntos citados. Esta es la función de distribución de la atenuación por nubes.

Como se ha visto el método es sencillo de aplicar, y se basa en parámetros asequibles. Falta contrastar su validez para los diferentes climas.


METODO DEL UIT-R

• Según la Rec. P.840-3, la atenuación por nubes se calcula mediante la expresión:

• Donde θ es el ángulo de elevación, Kl es el coeficiente de atenuación específica (dB/km)/(g/m3), es decir, la atenuación por unidad de longitud dividida por la densidad volumétrica de agua líquida en la nube. L es el contenido total de agua líquida en la columna de 1 m2 de superficie.

• El valor de Kl depende de la frecuencia y la temperatura según la figura de la siguiente transparencia. Para calcular la atenuación por nubes debe utilizarse la curva de 0º C. El valor de L se da en forma de mapas para diferentes porcentajes de tiempo. En España es aproximadamente 0,1 para el 80%, 0,2 para el 90% y entre 0,4 y 0,8 para el 99%.

• El método de Salonen es muy similar. La principal diferencia es que L se obtiene a partir de sondeos meteorológicos.

θsenlKLA ⋅

=


METODO DEL UIT-R(2)

0840-01

5 10 20 50 100 200

0° C

20° C10° C

– 8° C

Frecuencia (GHz)

FIGURA 1Atenuación específica de las pequeñas gotas de agua a diversas

temperaturas en función de la frecuencia

Coe

ficie

nte

de a

tenu

ació

n es

pecí

fica,

Kl

((dB

/km

) / (g

/m³))

0,01

0,02

0,05

0,1

0,2

0,5

1

2

5

10


METODO DE SALONEN

Perfiles verticales de humedad y humedad crítica (detección de nubes)

Pasos:1. Detección de nubes2. Contenido de agua líquida3. Atenuación específica, como la Rec. UIT-R 840.4. Integración en trayecto.

Resultados:- Contenido integrado de agua líquida- Atenuación cenital.- Se aplica la ley de cosecante para trayecto inclinado.

0

2

4

6

8

10

0 20 40 60 80 100

Relative Humidity (%)

Hei

ght a

bove

sea

leve

l (Km

)

Critical humidity function Relative humidity

0.0 0.1 0.2 0.3

Liquid water content

Liquid water content (g/m3)


COMPARACIÓN DE RESULTADOS

50 GHz40º elevaciónanualMadrid© IET


8. CENTELLEO TROPOSFERICO• En los enlaces por satélite, las variaciones a pequeña escala del índice de

refracción producen dispersiones, con efectos de enfoque/desenfoque. Puede verse también como un caso particular de multitrayecto, en que en el receptor se suman varias componentes cuyas amplitudes y fases relativas van cambiando.

• Como consecuencia se producen variaciones rápidas de amplitud y fase de la señal recibida.

• La causa más importante de centelleo en comunicaciones por satélite son las turbulencias en la troposfera. Existe también centelleo ionosférico, pero su efecto es inapreciable por encima de 4 GHz.

• Suele diferenciarse el centelleo seco, que se da en ausencia de lluvia, y el centelleo húmedo, producido por la lluvia. Este último está mucho menos caracterizado, pero su efecto es inferior al de los desvanecimientos por lluvia.

• En enlaces horizontales, en lugar de centelleo debe hacerse el estudio del multitrayecto troposférico.


SISTEMAS A LOS QUE AFECTA ESPECIALMENTE• Sistemas con alta frecuencia y/o baja elevación, en que la amplitud de las

fluctuaciones de amplitud es grande (varios dB).

• Sistemas con margen reducido.

• Refuerzo de señal en transpondedores con multiportadora, que puede causar problemas de intermodulación.

• Sistemas VSAT. Debido al reducido tamaño de la antena se incrementa la amplitud de las fluctuaciones.

• Sistemas de baja disponibilidad.

• Sistemas en regiones secas, en que la probabilidad de lluvia sea muy reducida.


BASES FÍSICAS DEL ESTUDIO

• La base del estudio teórico del centelleo es la propagación de ondas en un medio turbulento. En este sentido parte de la mecánica de fluidos, y otros problemas físicos relacionados, como la propagación de la luz o el sonido en la atmósfera o en agua.

• El modelo básico de turbulencias se basa en la tasa en que se aporta energía al medio turbulento comparada con la tasa en que se disipa en forma de calor.

• El aporte de energía se produce en este caso debido al encuentro de masas de aire con diferentes características. Esto produce remolinos con una cierta dimensión. En función de la dimensión se consideran dos rangos:

– Rango inercial: La disipación es muy pequeña comparada con el aporte de energía por lo que los remolinos se mantienen y producen a su vez otros de dimensión progresivamente más pequeña hasta llegar al:

– Rango de disipación: La energía cinética se disipa rápidamente en forma de calor.


MODELO FISICO DE TURBULENCIAS

• En la troposfera el rango de disipación se produce para dimensiones del orden de 1 mm. o inferiores, por tanto inferiores a la longitud de onda. En cambio el aporte de energía se produce en una escala de decenas de metros a kilómetros, por tanto superior al radio de la primera zona de Fresnel. Existen remolinos en todas las longitudes intermedias.

• La caracterización de los mismos se basa en su función de estructura:

[ ]

<<<<<<−=

DisipacionRlrrInercialRLrlr

rF

vrvrF

v

v

..

)(

)0()()(

02

003/2

2

p


APLICACIÓN A PROPAGACION

• De forma paralela puede definirse la función de estructura del índice de refracción:

• La constante de estructura Cn2 puede estimarse a partir de parámetros

meteorológicos, o incluso medirse. Su valor es del orden de 10-15 a 10-12 m-2/3

• A partir de ahí puede evaluarse la amplitud del centelleo y su espectro, que serepresenta en la siguiente transparencia

[ ]

<<⋅⋅<<<<⋅

=

−=

DisipacionRlrrlCInercialRLrlrC

rF

nrnrF

n

nn

n

..

)(

)0()()(

023/2

02

003/22

2


ESPECTRO DEL CENTELLEO


EFECTO SOBRE LA SEÑAL RECIBIDA

• El fenómeno de centelleo tiene media nula, y por tanto suele caracterizarse mediante su varianza. Para un trayecto de longitud L en el interior de la turbulencia:

• Donde n es la pendiente del espectro en el rango inercial El valor más característico es 11/3.

• El resultado es la varianza, en dB2 , de las fluctuaciones de la amplitud de la señal recibida, medidas en dB. En corto tiempo, en que el fenómeno es estacionario, normalmente la distribución es lognormal.

• Este resultado es para un receptor puntual ficticio. El efecto de la apertura limitada de la antena reduce las fluctuaciones

−

⋅−Γ

⋅=

⋅−Γ⋅⋅⋅⋅⋅⋅= −

2)3(sen

4)1()(

)4/sen()2/()())log(20(

22

2/2/)6(0

222

nnCn

nnLkne

n

nn

ππ

α

ππασ χ


EFECTO DE D, f y ε

• La apertura limitada de la antena reduce las fluctuaciones de amplitud por centelleo, aportando un efecto de promediado. La reducción se hace en la cantidad:

• El efecto de la frecuencia ya está considerado en el modelo a través del parámetro k0 = 2π/λ. Igualmente la influencia del ángulo de elevación ε está a través de la longitud L. No obstante, resulta útil conocer la relación:

6/11

1

2

6/7

2

1

22

12

sensen

||

=

εε

σσ

χ

χ

ff

LkDx

xx

xD

02

6/5112/1122

2

0584.0

0835.71tg6

11sen)1(8637.3)0()(

⋅⋅=

⋅−

⋅+⋅= −

χ

χ

σσ


MÉTODOS DE PREDICCION: 1. UIT-R

• El estudio de los fenómenos puntuales puede hacerse con el método ya explicado, pero desde el punto de vista del sistema es más útil la obtención de promedios estadísticos.

• El método del UIT-R permite estimar el valor mensual medio de la desviación típica de las variaciones de amplitud debidas al centelleo, a partir del valor medio de la componente húmeda del coíndice de refracción Nwet:

wetref

refpre

N

xgf

⋅+⋅=

⋅⋅=

−− 43

2.112/7

10106.3)(sen)(

σε

σσ

LfD

x

xx

xxg

eff ⋅⋅=

⋅−

⋅+⋅= −

2

2/16/5112/112

22,1

08.71tg6

11sen)1(86.3)(


MÉTODOS DE PREDICCION: UIT-R (2)

• A partir de la σpre puede evaluarse la atenuación superada un determinado porcentaje de tiempo del mes por causa del centelleo. Para ello se asimila que la función de distribución para largo plazo es del tipo de la función gamma, que a su su vez se aproxima de forma que para porcentajes entre 0.01%y el 50% se tiene:

• El rango de validez del método del UIT-R es de 7 a 20 GHz, con limitaciones también en cuanto al diámetro de antena y elevación. Se han planteado recientemente otros métodos que cubren también frecuencias más elevadas.

3log71.1)(log072.0)(log061.0)()()(

23 +⋅−⋅+⋅−=⋅=

ppppapapA preσ


MÉTODOS DE PREDICCION: VASSEURLa varianza se calcula directamente integrando la constante de estructura.

Se parte de los perfiles verticales (de sondeos) de presión, temperatura, humedad, dirección y velocidad del viento.

Se obtienen valores medios y variabilidad de la constante. Con ello se obtiene la varianza y la atenuación.

0

2000

4000

6000

1E-18 1E-17 1E-16 1E-15 1E-14 1E-13 1E-12 1E-11 1E-10

Structure constant, Cn2(m-2/3)

Hei

ght a

bove

sea

leve

l (m

)

Profile 18-July-200000 UTCMedian profile for the complete year


9. DESPOLARIZACIÓN

• En los sistemas de comunicaciones por satélite es frecuente reutilizar las frecuencias mediante el uso de dos polarizaciones ortogonales (lineales H y V o circulares con sentido inverso de giro).

• Siempre existe una cierta interferencia entre los dos canales que utilizan polarizaciones ortogonales debido a:

– Imperfecciones de las antenas, que no generan (o reciben) polarizaciones absolutamente ortogonales.

– Despolarización en el trayecto de propagación

• Es necesario conocer la despolarización en el trayecto porque ello supone un decremento de la relación señal a interferencia en ciertos momentos, que puede comprometer la disponibilidad del sistema.


CAUSAS DE LA DESPOLARIZACION

• La causa de la despolarización es siempre la diferencia en las características de propagación (en atenuación o en desfase) de dos direcciones principales del medio, que no coinciden con las de los vectores de propagación.

• En comunicaciones por satélite la causa es siempre la presencia de hidrometeoros.

• Concretamente, la presencia de lluvia causa despolarización normalmente ligada a los fenómenos de atenuación.

• La presencia de partículas de hielo en las capas altas de las nubes y en la capa fundente puede causar despolarización sin atenuación significativa.


DESPOLARIZACIÓN POR CAUSA DE LA LLUVIA

• Las gotas de lluvia no son esféricas, sino que presentan un cierto achatamiento en la parte superior e inferior. Esta forma es tanto más marcada cuanto mayor es el tamaño de la gota. Los dos ejes de simetría de las gotas en el plano perpendicular a la dirección de propagación corresponden a las dos direcciones principales del medio. Para ellas no existe despolarización.(Teoría)

• La orientación de dichos ejes no coincide con la vertical y la horizontal, debido al efecto del viento, aunque la diferencia en cuanto al angulo de orientación promedio es pequeña (algunos grados como máximo).

• En comunicaciones por satélite, en que las polarizaciones H y V no coinciden necesariamente con la horizontal y la vertical locales, puede haber diferencias significativas entre las direcciones principales del medio y las direcciones de los vectores de polarización.


PROCESO CUALITATIVO

• Supuesto que se conocen las dos direcciones principales del medio de propagación, que vendrán dadas por la orientación media de las partículas de lluvia:

– Se descompone el vector de polarización de la señal en sus dos componentes en las direcciones principales del medio.

– Para cada una de ellas se calcula la atenuación y desfase que sufren al atravesar el medio.

– Se vuelven a componer. El vector de polarización en general ya no tendrá la dirección original.

– Se descompone de nuevo este vector en sus componentes en las direcciones ortogonales de polarización.

– A partir de ahí se puede evaluar la atenuación y la despolarización


DEFINICIONES

• Se suele denominar Eab al campo correspondiente a la señal transmitida con polarización a y recibido con polarización b.

• Dadas dos polarizaciones ortogonales x e y (pueden ser lineales o circulares) se define:

• Discriminación de polarización: XPD = 20 log (Exx/Exy)• Aislamiento de polarización: XPI = 20 log (Exx/Eyx)

• La primera hace referencia al fenómeno de propagación en sí: Se transmite una señal con polarización x y se compara la recepción en las direcciones x e y.

• La segunda es más relevante para sistemas. En definitiva tiene que ver con la relación C/I en una antena con polarización x, debido a la interferencia de la señal transmitida con polarización y.

• En la práctica, XPD ≈ XPI (si las potencias transmitidas coinciden)


CALCULOS DE DESPOLARIZACIÓN

• Tenemos dos polarizaciones lineales ortogonales x e y, que forman un ángulo θ con las direcciones principales del medio, que denotaremos como 1 y 2. Llamamos T1 y T2 a los coeficientes complejos que representan la transmisión para esas dos señales.

• Sea T la matriz de transmisión para las direcciones principales y T’ la matriz de transmisión para las direcciones x e y. R es la matriz necesaria para hacer el cambio de coordenadas. Se tiene:

=⋅⋅=

−=

=

−

yyxy

yxxx

TTTT

RTRT

R

TT

T

''''

'

cossensencos

00

1

2

1

θθθθ


REPRESENTACION GRAFICA

Campo incidente

Ey

Ex

E1

E2

Rotación de ejes

Gota típica

Zona de lluvia

E2r

E1r

Rotación inversa

Eyr

Exr

Camporesultante


RELACIONES DE PARAMETROS

• Conocida la matriz de transmisión T’ puede calcularse la despolarización como:

• Para polarización circular se tiene:

yx

yyy

xy

xxx

TT

XPD

TTXPD

''

log20

''log20

⋅=

⋅=

)º45(''log20

=

⋅=θyx

xxc T

TXPD


MODELOS

• Existen varios modelos para predecir el comportamiento de la XPD, tanto en enlaces por satélite como terrenales. En el caso de lluvia tanto los modelos empíricos como los teóricos llegan a expresiones del tipo:

XPD(dB) = U - V log AU(dB) = S + C log f

• Donde:– XPD(dB) y A(dB) son los valores de discriminación de polarización y atenuación

copolar excedidos el mismo porcentaje de tiempo.– U, V, S y C son parámetros que debe dar el modelo. U es del orden de 30a 50 dB y

V suele ser aproximadamente 20 dB, con una pequeña variación con la frecuencia.– f es la frecuencia en GHz.


DESPOLARIZACION POR PARTICULAS DE HIELO

• La presencia de partículas de hielo con gran asimetría, como es el caso de agujas y placas, puede provocar despolarización con poca atenuación. Esto ocurre en las capas altas de nubes, en particular de tormentas, y en la capa fundente.

• No existen métodos bien desarrollados para predecir este fenómeno. Si se conocen algunas cosas:

– La despolarización se produce si existe una dirección preferente en la orientación de las partículas.

– Las partículas más grandes (>50µm) suelen ser horizontales. Las más pequeñas tienen una alineación aleatoria.

– La presencia de campos electrostáticos fuertes puede determinar la alineación (horizontal o vertical) de las partículas.

– Asimismo el viento influye en la alineación dentro del plano horizontal.• En definitiva, dentro de un mismo fenómeno tormentoso pueden darse varias

situaciones diferentes. Por ejemplo, la descarga de un rayo suele modificar la alineación de las partículas.


MÉTODO DEL UIT-R PARA ENLACES HORIZONTALES

• La recomendación UIT-R 530-12 incluye el siguiente procedimiento para calcular la XPD asociada a un determinado nivel de atenuación copolar (CPA):

• XPD se asocia a la misma probabilidad que CPA. La ecuación general es: XPD (dB)= U - V(f) log CPA (dB)

• Los parámetros U y V se calculan como: U = U0 + 30 log f

V(f) = 12,8 f0,19 8 < f < 20 GHzV(f) = 22,6 20 < f < 35 GHz

• Para U0 se indica un valor medio de 15 dB, con un mínimo de 9 dB, para atenuación copolar superior a 15 dB.

• Dado que U y V tienen una gran variabilidad, se recomienda no distinguir entre polarización horizontal y vertical, y aplicar el método partiendo de la predicción de atenuación copolar correspondiente a polarización circular.


MÉTODO DEL UIT-R PARA ENLACES INCLINADOS

• Rec. P.618-9. Se calcula el término dependiente de la frecuencia:Cf = 30 log f 8 < f < 35 GHz

• Se calcula el término dependiente de la atenuación por lluvia:CA = V(f) log Ap

V(f) = 12,8 f0,19 8 < f < 20 GHzV(f) = 22,6 20 < f < 35 GHz

• Se calcula el factor de mejora de polarización:

Cτ = -10 log [1 - 0,484 (1 + cos 4τ)]τ es el ángulo que forma el vector de campo eléctrico con la horizontal. En

polarización circular se usa 45º.• Se calcula el término dependiente del ángulo de elevación:

Cθ = -40 log (cos θ)


MÉTODO DEL UIT-R (2)

• Se calcula el término dependiente del ángulo de inclinación de las gotas de lluvia:

Cσ = 0,0052 σ2 8 < f < 35 GHzσ es la desviación típica efectiva, con valores de 0º, 5º, 10º y 15º para porcentajes

del 1%, 0,1%, 0,01% y 0,001% del tiempo, respectivamente• Se calcula la XPD debida a la lluvia como:

XPDlluvia = Cf - CA + Cτ + Cθ + Cσ

• Se calcula el término dependiente de los cristales de hielo como:

Chielo = XPDlluvia (0,3 + 0,1 log p)/2• Se calcula la XPD no superada el p% del tiempo:

XPDπ = XPDlluvia - Chielo


10. EXPERIMENTOS Y TÉCNICAS DE MITIGACIÓN

• Los modelos de propagación están basados en la física del fenómeno y en mediciones realizadas en el curso de experimentos.

• Los experimentos tienen requisitos particulares que se repasarán brevemente, junto con algunos ejemplos de experimentos de carácter internacional.

• Los sistemas modernos empiezan a incorporar técnicas de mitigación, conocidas bajo las siglas:

– FMT (Fade Mitigation Techniques)– PIMT (Propagation Impairment Mitigation Techniques)

• Se repasarán brevemente las principales técnicas planteadas hoy en día.


EXPERIMENTOS DE PROPAGACIÓN

• En general los experimentos requieren para su realización de un sistema experimental, formado por transmisor y receptor (al menos) y con condiciones similares a las del sistema objetivo.

• En algunos casos puede utilizarse un sistema en operación. En otros no es posible, pues los requisitos de medida son diferentes.

• Un caso particular es la estimación de atenuación atmosférica mediante radiometría, que no precisa de un transmisor.

• El experimento debe caracterizar adecuadamente todas las condiciones de utilización del sistema objetivo.

• Si las medidas pretenden caracterizar la influencia de la troposfera, deben realizarse cubriendo adecuadamente la variabilidad diurna, estacional e interanual de estas condiciones.

• Por este motivo, se trata de experimentos de años de duración, con toma continua de medidas.


SISTEMAS TERRENALES vs. ESPACIALES

• La complejidad de los experimentos sobre sistemas terrenales es comparativamente más baja:

– “Cualquiera” puede instalar un radioenlace terrenal para realizar mediciones, incluso en frecuencias que aún no se utilizan comercialmente.

– Por otra parte los radioenlaces comerciales disponen frecuentemente de márgenes suficientes y posibilidades de medición, con lo que pueden recogerse datos de enlaces operativos.

• Los experimentos en trayecto inclinado son mucho más complejos:

– Debe situarse un terminal (normalmente el transmisor) en un satélite o una aeronave. La segunda opción es práctica para caracterizar el multitrayecto pero no para los efectos troposféricos.

– Los enlaces por satélite operativos suelen tener márgenes muy reducidos y por tanto no suelen ser útiles.


CAMPAÑAS EXPERIMENTALES

• Los experimentos en trayecto inclinado, en particular en las bandas con escasa o nula utilización, se organizan en campañas internacionales, fomentadas por la disponibilidad de un satélite experimental. Dicho satélite dispone de balizas en las frecuencias de interés, normalmente portadoras puras o con una modulación regular. Ejemplos:

– Satélites OTS y Sirio en banda Ku en Europa, en los años 70 y 80. – Satélite Olympus europeo, a principios de los 90, con balizas en 12,5; 20 y 30 GHz. – Satélite ACTS en Estados Unidos, en los años 90, con balizas en 20 y 30 GHz.– Satélite italiano Italsat, en los 90, con balizas en 20, 40 y 50 GHz. – Satélite francés Stentor, con balizas en 20 y 40 GHz, cuyo lanzamiento fracasó en

2002. – Satélites japoneses (20-50 GHz), experimento radiometría ESA, etc... – En la actualidad se plantea un nuevo satélite europeo en 2012? con balizas en 20 y

40 GHz (satélite Alphasat). Medidas en 20 GHz con HB-6 de Eutelsat.


REQUISITOS TÉCNICOS RECEPTORES

• Asegurada la disponibilidad de una baliza, pueden hacerse experimentos con receptores muy variados. Requisitos específicos:

– Margen dinámico tal que permita registrar desvanecimientos profundos causados por precipitaciones de alta intensidad. Por tanto capacidad para medir señales muy débiles.

– En algunos casos, capacidad de medir la señal transpolarizada, con nivel mucho más bajo que la copolar.

– Estaciones con varios receptores en diferentes bandas, con el fin de analizar el escalado en frecuencia de los efectos de propagación.

– Posibilidad de incorporar radiómetros.– Instalaciones meteorológicas “co-site”.

• Todo ello requiere costosas inversiones, pero muy inferiores a las que supone el segmento espacial.


EJEMPLO: SATÉLITE OLYMPUS


COMBINACIÓN LLUVIA-CENTELLEO (OLYMPUS)

Diferente espectro:- Frecuencias bajas: f-2

(lluvia)- Zona plana y frecuenciasaltas con f-8/3

(Centelleo)

No siempre es posible identificary separar contribuciones.

Otras técnicas: Wavelet. Separaciónen tiempo-frecuencia


RECEPTOR ACTS

Se construyó un número de receptores que se repartió por USA y Canadá

Medidas de radiometría en la misma bandaReceptor digitalAntena compartida 20/30 GHzFI en 70 MHz 455 KHz


EJEMPLO DE MEDIDAS ACTS (LLUVIA Y ATENUACIÓN


SERIE TEMPORAL CON ITALSAT (50 GHz) (APLICADO A UN ENLACE)


TÉCNICAS DE MITIGACIÓN

• De forma simplificada, un enlace digital presta servicio en tanto la relación Eb/No esté por encima de un umbral. En caso de que no lo esté se puede actuar sobre varios parámetros del enlace:

th

bbadbf N

EVk(G/T)LLPIRE

≥⋅−⋅−+−−

0

log10log10

Control deControl depotenciapotencia

AdaptaciAdaptacióón den develocidadvelocidad

Diversidad de rutaDiversidad de rutao de sato de satéélitelite

ModulaciModulacióón y codificacin y codificacióón n adaptativaadaptativa


USO DE TÉCNICAS DE MITIGACIÓN

• Todas ellas tienen sus ventajas e inconvenientes. • Se utilizan en otros sistemas, en particular los móviles pero también otros. Se

trata de aprovechar las posibilidades del canal en cada momento.• Características:

– Gran retardo de propagación (satélites)– Efectos troposféricos– Grandes velocidades de transmisión (posibles)– Necesidad de evaluación a nivel de sistema e incluso de servicio– Técnicas de medición, detección y decisión– Escalado en frecuencias– Necesidad de simulación– Caracterización dinámica del canal


CONTROL DE POTENCIA

• Se basa en incrementar la potencia de transmisión en presencia de desvanecimientos.

• Limitación: Disponibilidad de potencia, potencia máxima de amplificadores• Necesidad de compartir la potencia en satélites entre los diferentes haces.

Especialmente en sistemas multi-haz• Incremento de interferencia, por dos motivos:

– Directo, por el incremento de potencia transmitida– Indirecto: en presencia de lluvia, por scattering

• Principal ventaja: No se modifican los parámetros de servicio


CONTROL DE POTENCIA (2)

• En sistemas terrenales en general se dispone de márgenes muy amplios. El control de potencia puede utilizarse para ajustar la potencia de transmisión, con el objetivo de mantener constante la C/N, Eb/N0, etc.. en recepción. Esto permitiría transmitir, en condiciones normales, potencias mucho más bajas que los enlaces convencionales. Se ahorra energía y se reducen las interferencias.

• En los sistemas espaciales los márgenes suelen ser mucho más reducidos, con lo que el interés principal no es reducir potencia sino aumentarla, con limitaciones, cuando se necesite:

– En enlace ascendente, no hay grandes limitaciones en la potencia disponible en la estación terrena transmisora. La principal limitación es la necesidad de mantener equilibradas las potencias recibidas desde diferentes estaciones terrenas en el satélite. El control de potencia realimentado puede utilizarse con ese fín, compensando además los desvanecimientos cuando se producen.

– En enlace descendente la potencia está muy limitada en el satélite, tanto por la disponibilidad de potencia DC como por las limitaciones de los amplificadores. Puede asignarse alguna potencia extra en presencia de desvanecimientos.


DIVERSIDAD DE RUTA O SATÉLITE

• Dos posibles implementaciones de la misma idea: Si un enlace está afectado por efectos de propagación, se utiliza otro.

• En diversidad de ruta se utiliza otra estación terrena con el mismo satélite. Ejemplo típico son las estaciones “gateway”. Puede ser muy efectivo si ambas estaciones están situadas a varios kilómetros de distancia.

• Hay estudios de propagación en curso para evaluar las posibilidades de esta técnica en función de la distancia entre las estaciones, y otros factores.

• En diversidad de satélite, el usuario tiene a la vista dos satélites y , si un enlace está muy afectado, conmuta a otro. Menos efectivo que el anterior, pero proporciona una ganancia neta considerable.

• Otra posibilidad es conmutar a una banda de frecuencias más baja. • Cualquier implementación supone la provisión de recursos adicionales que

tienen una utilización muy baja, por lo tanto es costosa.


ADAPTACIÓN DE VELOCIDAD

• Básicamente consiste en la adaptación de la velocidad a las condiciones de propagación, aumentándola cuando éstas son óptimas y reduciéndola en presencia de desvanecimientos.

• Puesto que la energía por bit es directamente proporcional a la duración del mismo, en unidades logarítmicas una mejora de 3 dB supone reducir a la mitad la velocidad binaria.

• La ventaja es que no se cambia de terminal ni de satélite ni se modifican las potencias de transmisión.

• El inconveniente es que el servicio se ve afectado en su velocidad de una manera muy importante. Algunos servicios de datos podrían tolerar reducciones de velocidad ocasionales. También se ha propuesto modificar la codificación de fuente en esas circunstancias, lo que puede ser efectivo enservicios de video, no tanto en servicios de voz.

• Exigente en cuanto a la implementación de transmisores y receptores.


MODULACIÓN Y CODIFICACIÓN ADAPTATIVAS

• Similar al anterior en el sentido de que las características de la señal se adaptan a las condiciones del canal. Si estas son óptimas, se utilizan combinaciones muy eficientes de modulación/codificación (eficiencia en b/s/Hz). En presencia de desvanecimientos se utilizan versiones más robustas.

• Permite una gradación fina, de manera que se recorran diferentes formatos de manera progresiva. Al mismo tiempo permite un rango muy grande de operación. Ejemplo: En DVB-S2 se tienen 28 combinaciones entre:

– 32 APSK 9/10, con 4,45 bits/símbolo y umbral Es/No = 16 dB– QPSK 1/4, con 0,49 bits/símbolo y umbral Es/No = -2,3 dB

• Ventajas e inconvenientes similares al anterior. De hecho no sonindependientes. Normalmente el cambio de modulación/codificación supone también cambio de velocidad. En determinados servicios de datos eso puede ser un inconveniente menor.


ASPECTOS DE IMPLEMENTACIÓN

• La técnica de detección de desvanecimientos y decisión sobre la decisión de aplicar la mitigación no es trivial. Algunos aspectos:

– Se considera que el centelleo no puede mitigarse (quizás sí su varianza). Filtrado para eliminarlo.

– Retardos de medición (filtrado), comunicación y decisión– Escalado en frecuencia si la medida es en un enlace diferente– Predicción si la medida antecede suficientemente a la aplicación– Umbrales, histéresis, simulaciones.

• Una cuestión a considerar es que la utilización de cualquiera de estas técnicas presenta ventajas también en el tiempo en que no hay desvanecimientos, bien porque se requieren potencias más bajas, bien porque pueden utilizarse combinaciones más eficientes de modulación/codificación.

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