Balance de enlace Primera parte

Transcripción

1 Comunicaciones por Satélite Curso Balance de enlace Primera parte Miguel Calvo amón amón Martínez odríguez-osorio CSAT 1 Objetivos Conocer la cadena de un radioenlace tierra-satélite-tierra Conocer los principales fenómenos que afectan a la propagación de un enlace vía satélite Calcular los parámetros que determinan la calidad de un enlace vía satélite Evaluar las pérdidas de propagación Calcular el ruido en un enlace por satélite Saber calcular e interpretar un balance de enlace CSAT 1

2 Índice Cadena del radioenlace Tierra-Satélite-Tierra Cálculo de la potencia recibida (fórmula de Friis) Modelos de atenuación atmosférica y de lluvia Cálculo de la potencia de ruido. Temperatura de ruido de antena Combinación de enlace ascendente y descendente Calidad de estaciones terrenas Objetivos de calidad y disponibilidad. Ejemplos de cálculo de balances de enlace Amplificación no-lineal. Intermodulación. Optimización del punto de trabajo Coordinación CSAT 3 Cadena del radioenlace CSAT 4

3 Perfil de potencia-ruido ET Satélite ET Uplink Downlink Potencia uido CSAT 5 Parámetros característicos ET Satélite ET Potencia uido CSAT 6 3

4 Perfil de potencia ET Satélite ET Potencia CSAT 7 Puntos críticos del radioenlace ET Satélite ET Potencia uido CSAT 8 4

5 Diagrama y Ganancia epresentación de la intensidad de radiación en cada dirección. Una antena isótropa radia una onda esférica con una potencia uniforme P t /4π en cualquier dirección (θ, ϕ) del espacio. P t es la potencia entregada a la antena. Una antena direccional radia una potencia P(θ,ϕ) en la dirección (θ,ϕ). P(θ,ϕ) GANANCIA θ P ( θ, ϕ ) θ ϕ 0 G ( θ, ϕ ) P ϕ t 4 π P máx Pmax P t /4π G max Pt 4 π En decibelios: G log (G) dbi CSAT 9 Apertura Efectiva La antena capta la potencia contenida en su Área de Apertura Efectiva A e. Si la antena fuera perfecta y sin pérdidas A e A πd /4. En la práctica: θ ϕ 0 Ae η A 4πA 4πηA π D Gmax e η λ λ λ Diámetro D Donde η es la eficiencia. Valores típicos son entre 0.6 y 0.8. η ηs ηa ηs Eficiencia de spillover η Eficiencia de apertura a CSAT 5

6 Características del Diagrama Ancho de haz a 3 db (HPBWθ 3dB ) Nivel de lóbulos secundarios (SLL) Nivel de polarización cruzada (XP) -3 db 0 CP SLL FdB ( θ ) 50 0 θ θ 3dB / XP HPBW θ 3dB 5 CSAT 11 Ancho de Haz y Ganancia El ancho de haz se relaciona con las dimensiones eléctricas de apertura mediante: θ 3 db 70 λ D (grados) La Ganancia en función del ancho de haz y de la eficiencia es: G η θ 3 db En las proximidades del máximo la variación de la ganancia se puede aproximar como: [ G( α )] [ ] G max 1 α θ 3dB CSAT 1 6

7 Ecuaciones de Enlace Transmisor con antena isotrópica y potencia PT transmitida P T. El flujo de potencia a distancia será: F W 4 m π Si el transmisor tiene una antena con ganancia G T en la dirección del receptor a distancia el flujo de potencia que llega es: GTPT F 4 π El producto P T G T se llama PIE (Potencia Isotrópica adiada Equivalente). Si el área efectiva de apertura de la antena es A e la potencia recibida es: Distancia P F A e P T P A eff G T G CSAT 13 Ecuaciones de Enlace Teniendo en cuenta la relación entre ganancia y apertura: La potencia recibida será: P PIE G λ 4π A e G λ 4π La expresión anterior es la fórmula de transmisión de Friis. El inverso del último término son las pérdidas de espacio libre: Por tanto, en decibelios: 4π 4π L p 0log λ λ [ P ] [ PIE ] + [ G ] [ L ] (dbw) p CSAT 14 7

8 Pérdidas de Espacio Libre Si es la distancia estación-satélite y o es la distancia del punto subsatélite al satélite GEO (o km) será: L p 4π L 4π 0 λ λ 0 p0 0 donde: 0 0 ( cos( L ) cos( L L )) ae oe os 0 a 1.5 db 00 Lp0( f) Comunicaciones por Satélite. Curso f amón Martínez, Miguel Calvo CSAT Pérdidas adicionales Pérdidas entre el transmisor y antena (filtros, multiplexores, cables, guías, etc.) ( L FTX ) y entre la antena y el receptor ( L FX ) Pérdidas por desacoplo de polarización entre las antenas del Tx y del x L POL Pérdidas por desapuntamiento entre las antenas Tx y x L POINT Pérdidas por absorción de los gases de la atmósfera (oxígeno y vapor de agua) L AG Pérdidas por la atenuación de la lluvia L AIN Por tanto, las pérdidas adicionales totales L A serán: [ L ] [ L ] + [ L ] + [ L ] + [ L ] + [ L ] + [ L ] A FTX FX POL POINT AG AIN CSAT 16 8

9 Pérdidas adicionales P T L P L AG, L AIN P Tx L FTX L FX x Pérdidas Alimentador G T L POINT G L POINT Pérdidas Alimentador α T α G T Desapuntamiento G L POINT αt 1 θ 3dB α + 1 θ3db CSAT 17 Pérdidas atmosféricas El contenido de oxígeno es constante a lo largo del año. Para frecuencias inferiores a 50 GHz la atenuación específica en db/km (f en GHz) es: γ 0 f ( f 57 ) f (db/km) La altura equivalente en km (de un medio vertical uniforme) es: h 6 0 (km) El contenido de vapor de agua varía y tiene poca correlación instantánea con la densidad en superficie. La correlación promedio en un mes o año permite una estimación a partir de la densidad promedio en superficie ρ w : γ w 3 ( f. 3) ρ f w (db/km) La altura equivalente: h w 3. + ( f. 3) + 3 (km) CSAT 18 9

10 Densidad de vapor de agua en la superficie terrestre Fuente: ITU- P CSAT 19 Pérdidas Atmosféricas Si la altura de la estación terrena es h s y el ángulo de elevación es θ, la atenuación por gases A g es: A g hs ho γ ohe o + γ wh sin θ w (db) Vapor de agua CSAT 0

11 Atenuación n Atmosférica (Frecuencias > 50 GHz) Oxígeno Esta banda en 57 GHz se usa para enlaces entre satélites, puesto que está libre de interferencias terrenas CSAT 1 Opacidad atmosférica debida a los gases ATMOSPHEIC OPACITY IN FEQUENCY ANGE 1-75 GHz 1.E+03 1.E+0 Oxygen Water vapour tropical 1.E+01 Water vapour sub-arctic 1.E+00 Vertical opacity (db) 1.E-01 1.E-0 1.E-03 1.E-04 Minor constituents 1.E-05 1.E-06 1.E Frequency (GHz) Fuente: ochard, 004 CSAT 11

12 Pérdidas por Lluvia La atenuación producida por nubes se considera implícita en la atenuación de lluvia. El modelo de atenuación por lluvia se basa en un modelo estadístico de las lluvias. La atenuación específica γ (en db/km) se relaciona con la intensidad de lluvia (en mm/h): γ k α (db/km) k f f ,,.9 54 f f 54 GHz 180 GHz α f f , 8.5 f 5 GHz, 5 f 164 GHz CSAT 3 Intensidad de lluvia CSAT 4 1

13 Mapa de Zonas Climáticas (antiguo) CSAT 5 Zonas Climáticas del CCI (antiguo) CSAT 6 13

14 Atenuación n por lluvia (simplificado) La atenuación neta en un trayecto será: A γ ( x ) dx L 0 Se recurre a utilizar una longitud de trayecto equivalente L e (km) tal que: A α k L e (db) El método de predicción del CCI se basa en la predicción de la atenuación esperada para un porcentaje anual del 0.01%. La relación entre el porcentaje anual p y el del mes peor p w es: p p w CSAT 7 Altura de lluvia y trayecto (simplificado) La altura de lluvia para el 0.01% es h ρ ( φ )[ log( 1 + p ( φ 7 ) 5 )] Donde φ es la latitud geográfica de la estación y ρ p (φ) es un factor empírico de reducción de altura: 0. 6, φ < 0 ρ p( φ ) ( φ 0), 0 φ < φ 40 La longitud del trayecto a través de la lluvia es: L s ( h hs sin θ ) Y para tener en cuenta la inhomogeneidad de la lluvia se aplica un factor: r p L cos θ s CSAT 8 14

15 Tipos de lluvia Lluvia estratiforme Lluvia convectiva CSAT 9 Altura de Lluvia y Trayecto Isoterma a 0ºC Lluvia h L s h - h s θ h s CSAT

16 Altura de lluvia CSAT 31 Atenuación vs % El valor de la atenuación excedida el 0.01% será: A 0.01 k α L s r p (db) El valor de la atenuación excedida para otro porcentaje p será: A p A 0.33 β para p 0.01 β p p p 1.0 (db) CSAT 3 16

17 Atenuación n Típica T para Madrid Los valores típicos de atenuación para Madrid a 1 GHz, en función de la elevación, y para porcentajes del 0.01, 0.1 y 1, son los de la figura: 5 0 Ap( El, 40, 0.7, 3, 1, 0.01) Ap( El, 40, 0.7, 3, 1, 0.1) p0.01 % Ap( El, 40, 0.7, 3, 1, 1) p0.1 % 5 p1 % El CSAT 33 Atenuación n Típica T para Madrid Los valores típicos de atenuación para Madrid con 35º de elevación, en función de la de la frecuencia, y para porcentajes del 0.01, 0.1 y 1, son los de la figura: 5 0 Ap( 35, 40, 0.7, 3, f, 0.01) p0.01 % Ap( 35, 40, 0.7, 3, f, 0.1) Ap( 35, 40, 0.7, 3, f, 1) p0.1 % 5 p1 % f CSAT 34 17

18 Pérdidas por lluvia-ec. ITU- P Objetivo: CALCULA A AIN γ L (db) e CSAT 35 Pérdidas por lluvia-ec. ITU- P Paso 1). Cálculo de la altura efectiva de lluvia Si no se dispone de información específica, h se aproxima con la altura media de la isoterma a 0 grados h 0 (km) dada por: (km) Para América del Norte y Europa, al oeste de la longitud 60 E, se utiliza el siguiente modelo para la altura media de la isoterma de 0 C en condiciones de lluvia (en km), como una estimación del valor medio de la altura de la lluvia: (km) CSAT 36 18

19 Altura de la isoterma a 0 grados Fuente: ITU- P.839 CSAT 37 Pérdidas por lluvia-ec. ITU- P Paso ). Cálculo de la longitud de trayecto oblicuo L S en el espacio correspondiente a la altura de lluvia Si la elevación θ 5º: L S ( h hs ) senθ (km) Si la elevación θ < 5º : ( h h s ) 1 ( h h s ) sen θ + + senθ e L S / (km) Paso 3). Se determina la proyección horizontal, L G, de la longitud del trayecto oblicuo: L L cosθ G S (km) CSAT 38 19

20 Pérdidas por lluvia-ec. ITU- P Paso 4). Se obtiene la intensidad de lluvia, 0.01, rebasada durante el 0.01 % de un año medio (con un tiempo de integración de 1 minuto). Medidas locales de este dato, Si no, estimación en base a los mapas pluviométricos que aparecen en la ec. ITU- P.837. CSAT 39 Mapas de lluvia-ec. ITU- P Intensidad de lluvia (mm/h) sobrepasada durante el 0,01% del año medio 5 Madrid ~0 mm/h Latitud Comunicaciones por Satélite. Curso Longitud amón Martínez, Miguel Calvo CSAT 40 0

21 Pérdidas por lluvia-ec. ITU- P Paso 5). Calcular la atenuación específica γ empleando los coeficientes dependientes de la frecuencia, k y α, de la ec. ITU- P.838 y el índice 0.01, aplicando las expresiones: α γ k 0. (db/km) 01 CSAT 41 Pérdidas por lluvia-ec. ITU- P Paso 6). Cálculo del factor de reducción horizontal, r 0.01, para el 0.01 % del tiempo. (ec. ITU- P.618-8): Paso 7). Cálculo del factor de reducción vertical, v 0.01, para el 0.01 % del tiempo. (ec. ITU- P.618-8): ζ tg 1 h L h r s G (º) LGr0. 01 Si ζ>θ: L cosθ ( h hs ) Si no: L senθ (km) Si la latitud cumple que ϕ < 36º: χ 36 ϕ (º) (km) Si no, χ0 grados. CSAT 4 1

22 Pérdidas por lluvia-ec. ITU- P Paso 8). Cálculo de la longitud de trayecto efectiva: L L v (km) E 0.01 Paso 9). Cálculo de la atenuación A 0.01 excedida el 0.01 % de un año medio : A γ L E (db) CSAT 43 Pérdidas por lluvia-ec. ITU- P Paso ). Interpolación (ó extrapolación) a otros porcentajes de tiempo, p, en el margen del 0.001% al 5% A p A p ( ln( p) ln( A ) β ( 1 p ) senθ ) (db) CSAT 44

23 Otras medidas sobre la atenuación n por lluvia Nivel de correlación en función de la distancia para diferentes niveles de precipitación [García, 00] Distribución estadística de la duración del fading (en segundos) por lluvia [Fiser, 005] CSAT 45 Otras medidas sobre la atenuación n por lluvia Atenuación por lluvia a lo largo del tiempo para diferentes frecuencias [Fiser, 005] ITALSAT OLYMPUS CSAT 46 3

24 Otros efectos sobre la propagación Multitrayecto eflexiones en Tierra o en obstáculos cercanos Apenas significativo si el haz de la ET es muy estrecho Despolarización Las gotas de lluvias (y las nubes de hielo) provocan una transferencia de energía entre polarizaciones ortogonales, lo que supone una atenuación adicional Su valor depende de la estadística de lluvia, elevación, frecuencia y ángulo de polarización Se da como XPD no excedida un % de tiempo Tormentas de arena Atenuación específica inversamente proporcional a visibilidad y humedad de las partículas A 14 GHz: 0.03 y 0.65 db/km para partículas secas y húmedas (0 %), respectivamente CSAT 47 Otros efectos sobre la propagación Centelleo (scintillation) Cambios en los índices de refracción en ionosfera y troposfera suponen variaciones en la amplitud y fase de la portadora Variaciones en la trayectoria y, por tanto, en el tiempo de propagación También conocido como multitrayecto atmosférico Centelleo ionosférico (el más importante): mayor si la frecuencia es baja y la ET está cerca del Ecuador Es proporcional a 1/f Centelleo troposférico: Importante en Ka y EHF, despreciable en L, C y Ku CSAT 48 4

25 Otros efectos sobre la propagación otación de Faraday otación del vector de polarización lineal por la ionización de la ionosfera Es proporcional a 1/f Importante por debajo de la banda C E γ E cop E xcop Atenuación: Despolarización: Ecop LFaraday log E E 0 Excop 0 log cop XPD 0log ( cot( γ )) La polarización circular apenas se ve afectada Se puede combatir empleando diversidad de emplazamientos CSAT 49 Sistemas no GEO Cuando la elevación no es constante, la disponibilidad del enlace puede calcularse como (ec. ITU- P.618-8): a) se determinan los ángulos de elevación mínimo y máximo a los que se prevé que funcione el sistema; b) se divide la gama operativa de ángulos, aplicando pequeños pasos incrementales (por ejemplo, de 5 ); c) se calcula el porcentaje de tiempo durante el cual el satélite es visible en función del ángulo de elevación, incrementado paso a paso; d) para un determinado nivel de degradación de la propagación, se calcula el porcentaje de tiempo durante el cual se sobrepasa dicho nivel para cada incremento del ángulo de elevación; e) para cada incremento del ángulo de elevación, se multiplican los resultados de c) y d) y se divide por 0, lo que da el porcentaje de tiempo durante el cual se sobrepasa el nivel de degradación al correspondiente ángulo de elevación; f) se suman los valores del porcentaje de tiempo obtenidos en e) para calcular el porcentaje de tiempo total del sistema durante el cual se sobrepasa el nivel de degradación. CSAT 50 5