Propagación y Radioenlace
ATENUACIÓN POR LLUVIA Y GASES PARA ENLACES SATELITALES Julio Carrión Castellanos
[email protected]
Miguel Ángel Solórzano
[email protected] Existen metodologías de predicción que son capaces de estimar la atenuación en cualquier punto del planeta, pero tienen falencias a la hora de realizar predicciones en climas tropicales debido principalmente a la poca diversidad de información existente de estos climas para el desarrollo de modelos.
RESUMEN:
El resumen deberá estar escrito en Arial, 9 Pts, cursiva y justificado en la columna del lado izquierdo como se muestra en este documento. Se debe de utilizar la palabra RESUMEN, como título en mayúsculas, Arial, 9 Pts, cursiva, negritas y espacio simple. La forma solicitada para los documentos está basada en parte en los formatos utilizados para los documentos de la IEEE. El resumen no debe de exceder de 150 palabras y debe establecer lo que fue hecho, como fue hecho, los resultados principales y su significado. No cite referencias en el resumen, ni borre el espacio sobre el resumen. Dejar dos espacios en blanco después del RESUMEN, para iniciar con el texto del artículo.
El principal parámetro físico que interviene en el cálculo de la atenuación por lluvia para un lugar dado es la intensidad de lluvia (mm/hr) Para cálculos de atenuación es preferible usar mediciones de lluvia obtenidas localmente. Si no están disponibles se puede usar los mapas de lluvia producidos por la Unión Internacional de Telecomunicaciones
PALABRAS CLAVE : Se sugiere no más de cuatro palabras o frases cortas en orden alfabético, separadas por comas, que representen su reporte. 1
Disponibilidad de un enlace por satélite : 99.9 % de disponibilidad (lluvia excedida durante 0.1 % del tiempo) 90 % de disponibilidad (atenuación debido a las nubes excedida durante 10 % del tiempo)
INTRODUCCIÓN 2.1.1 Atenuación por Hidrometeoros:
Esta guía incluye las descripciones completas de los tipos de letra, del espaciamiento, y la información relacionada para elaborar sus reportes, basada en los formatos utilizados por la IEEE.
2 ATENUACIÓN SATELITALES
PARA
Se le conoce como atenuación por hidrometeoros
Lr a cualquier meteoro compuesto de agua, ya sea
lluvia, granizo o nieve.
ENLACES
2.1 ATENUACIÓN POR LLUVIA La presencia de lluvia en el trayecto de trasmisión es la principal causa de degradación en enlaces que operan sobre los 10 [Ghz]. Las gotas de lluvia absorben y dispersan la onda, causando atenuación, reducción en el desempeño y la disponibilidad del sistema.
Figura1.Figura1.- Esquema de un enlace satelital afectado por lluvia.
Dependiendo de la región geográfica geográfica donde se encuentre la estación terrena, la atenuación atenuación por lluvia puede ser menor o mayor, esto se basa en las estadísticas de intensidad de lluvia, tamaño de gota y presión atmosférica.
Existen diversas metodologías para la predicción de la atenuación en trayectos de microondas. Aunque existen aproximaciones físicas al problema de la interacción entre la onda y la gota de agua que resultan en modelos de predicción de atenuación, otra forma de enfrentar el problema es desarrollar vía regresiones un conjunto de ecuaciones que asemejen el comportamiento observado. Para este fin se emplea bases de datos mundiales a los cuales contribuyen tanto las administraciones, agencias nacionales como universidades y compañías que desarrollan investigaciones particulares.
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T abla1.- Estadísticas de intensidad de lluvia.
2.1.3 Pérdidas por lluvia Estas pérdidas se presentan al viajar una onda electromagnética a través de una trayectoria afectada por lluvia. Se pueden calcular utilizando la siguiente ecuación.
Figura4.- Vista lateral de la trayectoria de propagación de una portadora a través de una región con lluvia.
Donde a y b son coeficientes dependientes de la frecuencia, L es la longitud de la trayectoria de la señal de RF en la lluvia [Km], H E es la altura de la atmósfera [Km],
Figura2 .- Mapa de América de acuerdo a las estadísticas de región de lluvia.
2.1.2 Cálculo Teórico de provocada por la Lluvia
la
Atenuación
H O es
la elevación de la antena sobre el nivel del mar
[Km], H I es la altura de la isoterma, A LL
Figura3.- Gráfico del Cálculo Teórico.
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es la atenuación por lluvia.
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Parámetros P, M, M, a, b, c varían de lugar a lugar de acuerdo a las características meteorológicas
2.1.4 Probabilidad de Error en el Enlace
MC = promedio anual de lluvia de tipo convectivo MS = promedio anual de lluvia de tipo estratiforme P r6 = promedio anual de probabilidad de lluvia en
periodo de 6 horas
La intensidad de lluvia excedida durante un cierto porcentaje de tiempo p% de un año promedio, donde p P0, se obtiene analíticamente resolviendo la ecuación de Donde P e es la probabilidad de error del enlace,
Q ( x ) es la función de error complementario, X
Donde:
es el nivel de bit a ruido (adimensional).
2.1.5 Simplificación del Cálculo de Atenuación por Lluvia Existe una relación de tipo :
2.1.7 RECOMENDACIÓN UIT-R P.838-2 Modelo de la atenuación específica debida a la lluvia para los métodos de predicción.
Lo que permite expresar la atenuación a lo largo del trayecto como :
Procedimiento La atenuación específica K R (dB/km) se obtiene a partir de la intensidad de la lluvia R (mm/h) mediante la ley potencial :
2.1.6 RECOMENDACIÓN UIT-R P.837-5
En el siguiente grafico se indican los valores de k y E , que dependen de la frecuencia, para las polarizaciones lineales (horizontal : H, vertical: V) y para trayectos horizontales.
Modelo de Intensidad de Lluvia
Los coeficientes k y E , pueden calcularse, alternativamente, como una función de la frecuencia, a partir de las ecuaciones siguientes que se han obtenido a partir del ajuste de curvas a los coeficientes de baja potencia derivados de cálculos de dispersión :
Probabilidad que la intensidad de lluvia R sea excedida en un año
Porcentaje anual de lluvia
Donde:
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Mapas mundiales de los parámetros de entrada del modelo han sido generados utilizando la base de datos ECMWF (European Centre for Medium-range Weather Forecast)
Coeficientes que dependen de la frecuencia para estimar la atenuación específica.
Figura4.- Nivel de Intensidad de Lluvia Excedida durante 0.01% de un Año Promedio.
2.2 ATENUACIÓN ATMOSFÉRICOS
POR
GASES
La atenuación que se da entre una estación terrenal y una estación espacial (geoestacionaria o no geoestacionaria) es producto de la absorción de los gases atmosféricos, incluyendo el vapor de agua, son factores importantes para los estudios de propagación que se desarrollen al plantear o realizar una comunicación satelital, por lo que la atenuación en trayecto oblicuo depende de la distribución a lo largo del trayecto de parámetros meteorológicos tales como la temperatura, la presión y la humedad, y por tanto, varía con la ubicación geográfica del emplazamiento, el mes del año, la altura de una estación del servicio fijo sobre el nivel del mar y el ángulo de elevación del trayecto oblicuo, así como con la frecuencia de funcionamiento.
Para la polarización lineal y circular, y para cualquier geometría del trayecto, los coeficientes de la ecuación pueden calcularse mediante los valores.
El procedimiento para calcular la atenuación en trayecto oblicuo es el de raya por raya que figura en el Anexo 1 de la Recomendac ión UIT- R P.676 . En el cálculo detallado de la atenuación atmosférica puede utilizarse la información local del contenido medio de vapor de agua en el mes más seco y de otros parámetros meteorológicos junto con los modelos atmosféricos de la Recomendac ión UIT- R P.8 35 . Cuando no se dispone de esta información, los resultados indicados a continuación ofrecen un procedimiento sencillo para estimar la atenuación atmosférica.
Donde es el ángulo de elevación del trayecto y es el ángulo de inclinación de la polarización con respecto a la horizontal ( = 45° para la polarización circular).
2.1.8 Información que se puede utilizar para derivar los parámetros de entrada del modelo
2.2.1 Estimación de la atenuación en trayecto oblicuo.
Idealmente una base de datos que cubra todo el mundo y con valores fiables en regiones tropicales.
A los efectos de esta estimación simplificada, se dice que una estación del servicio fijo pertenece a una
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de las tres zonas climáticas indicadas, dependiendo únicamente de la latitud (valor absoluto) de la estación : ± Latitudes bajas a menos de 22,5° del Ecuador; ± Latitudes medias superiores a 22,5°, pero inferiores a 45° respecto al Ecuador; ± Latitudes elevadas de 45° o más respecto al Ecuador. T abla2 .- Parámetros a nivel del mar para las zonas climáticas Zona climática
Latitud baja Latitud media Latitud elevada
Presión Temperatura[°K] Atmosférica[hPA]
Densidad de vapor de agua[g/ ]
300,4
1012,0
10,0
272,7
1018,9
3,5
257,4
1010,8
1,23
La anterior tabla muestra los parámetros climatológicos para cada una de estas zonas. Véase que la densidad de vapor de agua a nivel del mar para clima de latitud baja es inferior a la que prescribe la Recomendac ión UIT- R P.8 35 correspondiente a la estación seca. Los valores de atenuación para esta zona se han determinado en función del ángulo de elevación del trayecto real de transmisión desde la estación del servicio fijo a la posición de la estación espacial (geoestacionaria o no geoestacionaria). Figura2 .- Atenuación especifica debida a los gases específicos.
El ángulo real de elevación puede determinarse a partir del ángulo de elevación obtenido para condiciones de propagación en el espacio libre, utilizando el método de la Recomendac ión UIT- R F .1333. Para ángulos reales de elevación por debajo de 0°, debe utilizarse la atenuación correspondiente a 0°.
Las atenuaciones específicas debidas al aire seco y al vapor de agua, y consideradas a partir del nivel del mar hasta una altura de 5 km, pueden estimarse utilizando los siguientes algoritmos simplificados, que se basan en la adaptación de curvas al cálculo de raya por raya, y permiten los cálculos más exactos dentro de una media del 15% para frecuencias desplazadas de los centros con más rayas de absorción.
La diferencia absoluta entre los resultados obtenidos con estos algoritmos y con el cálculo raya por raya es generalmente menor de 0,1 dB/km y alcanza un máximo de 0,7 dB/km cerca de los 60 GHz. Para alturas superiores a 5 km, y en los casos en que se necesita una mayor precisión, se deberá utilizar el cálculo raya por raya. En resumen para microondas, y más críticamente en frecuencias superiores a unos 10 GHz, siempre está presente una cierta atenuación debida a la absorción del oxígeno y del vapor de agua, por las longitudes de onda comparables a las dimensiones de este tipo de componentes. La atenuación a lo largo de un trayecto de longitud D[km] viene dada por :
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Donde y son las atenuaciones específicas [dB/km] debidas al aire seco y el vapor de agua, respectivamente y donde D es la distancia del enlace, la atenuación específica se obtiene de la Recomendac ión UIT- R P.676 , donde se evalúan dos tipos de trayectos terrestres y oblicuos. En tal recomendación se establecen dos métodos de cálculo : método raya a raya (exacto y válido para frecuencias de hasta 1 000 GHz.) y método indirecto (estimado rápido para frecuencias de 1 a 350 GHz.). La diferencia absoluta entre los resultados obtenidos con ambos algoritmos es generalmente menor a 0.1 [dB/km], se selecciona el segundo método. Así tenemos : y
y
por el v a por de agua en T rayec t os O bli c uo s como T ierra - Espac i o
El método de cálculo de la atenuación en trayectos oblicuos causada por el vapor de agua, antes citado, se basa en el conocimiento de las características de la presión (o densidad) del vapor de agua a lo largo del trayecto. En los casos en que se conozca el contenido integrado del vapor de agua a lo largo del trayecto, , puede utilizarse un método sustitutivo. La atenuación total causada por el vapor de agua en la dirección cenital puede expresarse del siguiente modo :
por oxí geno.- En el caso de aire seco y frecuencias menores a 54 GHz, la atenuación [dB/km] viene dada por :
At enuac ión
por v a por de agua.- La atenuación [dB/km] viene dada por :
At enuac ión
2.2.2 ÁNGULOS DE ELEVACIÓN COMPRENDIDOS ENTRE 5° Y 90°
La atenuación por gases atmosféricos en este caso, Lg que se obtiene de calcular el índice de atenuación Abs de la curva que se muestra en la Figura1, la cual indica el índice en [dB/Km] frente a la frecuencia de transmisión.
Para un ángulo, N , de elevación comprendida entre 5° y 90°, la atenuación en el trayecto se obtiene mediante la ley de la cosecante como sigue : Para la atenuación en el trayecto basado en los datos meteorológicos en la superficie
donde
La altura será considerada de 10 Km debido a que ésta es la altura de la atmósfera a nivel del mar.
y
2.2.3 APROXIMACIÓN PARA LA ATENUACIÓN POR GASES ATMOSFÉRICOS
T rayec t os T ierra- espac i o
Los valores para el contenido integrado de vapor de agua pueden obtenerse a partir de las características de radiosonda o por mediciones radiométricas. Las estadísticas de y figuran en la Recomendac ión UIT- R P.8 36 . En caso de ángulos de elevación distintos del cenit, la atenuación debe dividirse por sen donde es el ángulo de elevación, suponiendo una atmósfera uniforme y estratificada horizontalmente, bajo ángulos de elevación de unos 5°.
t = temperatura ( °C ), donde los valores medios de la temperatura pueden extraerse de los mapas que aparecen en la Recomendac ión UIT- R P.1510 , cuando no se disponga de datos adecuados sobre la temperatura.
Donde [kg/m2 o mm], V[g/m3] y [dB/km] son respectivamente el contenido integrado de vapor de agua en el porcentaje de tiempo requerido, el valor medio anual de densidad de vapor de agua en la superficie y la atenuación específica.
donde:
y
At enuac ión c au sada
y
;
Para la atenuación en el trayecto basado en el contenido integrado de vapor de agua :
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1. En general una referencia debe de contener el nombre del autor(es), el Nombre del articulo o libro en itálicas, Edición y editorial ó nombre de la revista, volumen y número, paginas y finalmente el mes y año o solo el año si es un libro o comunicado. 2. Observe el formato del encabezado : Nombre Institución. Apellido Autor1, Apellido Autor2, etc. Título abreviado del artículo. 3. Figura2 .- Diagrama esquemático de un enlace satelital.
La atenuación atmosférica por cielo claro (sin lluvia) se debe principalmente a efectos de absorción de energía de la onda de radio por efectos de resonancia en las moléculas de vapor de agua H 2O y de oxígeno O 2. La atenuación por cielo libre depende del ángulo de elevación de la antena, donde a ángulos bajos se generan mayores pérdidas y a ángulos altos menores pérdidas. El cálculo de las pérdidas por gases atmosféricos se obtiene con el producto de la curva del índice de atenuación por la trayectoria atmosférica.
ó
3 CONCLUSIONES RECOMENDACIONES
Y
4 REFERENCIAS [1] G. Obregón-Pulido, B. Castillo-Toledo and A. Loukianov, A globally convergent estimator for n frequencies´ , IEEE Trans. On Aut. Control. Vol. 47. No 5. pp 857-863. May 2002. [2] H. Khalil, ´Nonlinear Systems´ , 2nd. ed., Prentice Hall, NJ, pp. 50-56, 1996. [3] Francis. B. A. and W. M. Wonham, The internal model principle of control theory´ , Automatica. Vol. 12. pp. 457465. 1976. [4] E. H. Miller, A note on reflector arrays´ , IEEE Trans. Antennas Propagat., Aceptado para su publicación. [5] Control Toolbox (6.0), User´s Guide, The Math Works, 2001, pp. 2-10-2-35. [6] J. Jones. (2007, Febrero 6). Networks (2nd ed.) [En línea]. Disponi ble en: http://www.atm.com. ³
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Notas:
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