Balance de enlace - UPM · • El contenido de oxígeno es constante a lo largo del año. Para...

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Comunicaciones por Satélite (5º curso)Dpto. de Señales, Sistemas y Radiocomunicaciones

ETSI de Telecomunicación.Universidad Politécnica de Madrid

Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo

CSAT 1

Comunicaciones por SatComunicaciones por SatééliteliteCurso 2008Curso 2008--0909


Balance de enlaceBalance de enlacePrimera partePrimera parte

Miguel Calvo RamónRamón Martínez Rodríguez-Osorio

CSAT 2Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo

ObjetivosObjetivos

• 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

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• 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

ÍÍndicendice


Cadena del Cadena del radioenlaceradioenlace

3





Potencia

Ruido

Uplink Downlink

ET ETSatélite

Perfil de potenciaPerfil de potencia--ruidoruido


Potencia

Ruido

ET ETSatélite

ParParáámetros caractermetros caracteríísticossticos

4





Potencia

ET ETSatélite

Perfil de potenciaPerfil de potencia


ET ETSatélite

Potencia

Ruido

Puntos crPuntos crííticos del ticos del radioenlaceradioenlace

5





Representación de la intensidad de radiación en cada dirección.

Una antena isótropa radia una onda esférica con una potencia uniformePt/4π en cualquier dirección (θ , ϕ) del espacio.

Pt es la potencia entregada a la antena.

Una antena direccional radia una potencia P(θ,ϕ) en la dirección (θ,ϕ).

GANANCIA

θ = ϕ = 0θ

ϕ

(θ,ϕ)

πPmáx

P

Pt/4π

π

ϕθϕθ

4

4

),(),(

maxmax

t

t

PPG

PPG

=

=

En decibelios: G = 10 log10(G) dBi

Diagrama y GananciaDiagrama y Ganancia


θ = ϕ = 0

Diámetro D

La antena capta la potencia contenida en su Área de Apertura Efectiva Ae.

Si la antena fuera perfecta y sin pérdidas Ae = A = πD2/4 . En la práctica:

2

22max44

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ⋅

===

⋅=

λπη

λπη

λπ

η

DAAG

AA

e

e

Donde η es la eficiencia . Valorestípicos son entre 0.6 y 0.8.

η η ηηη

= ⋅≡≡

s a

s

a

Eficiencia de spillover Eficiencia de apertura

Apertura EfectivaApertura Efectiva

6





0

50

FdB ( )θ

250 θ

-3 dB

θ3dB/2 HPBW = θ3dB

SLLCP

XP

•Ancho de haz a 3 dB (HPBW=θ3dB)•Nivel de lóbulos secundarios (SLL)•Nivel de polarización cruzada (XP)

CaracterCaracteríísticas del Diagramasticas del Diagrama


El ancho de haz se relaciona con las dimensiones eléctricas de apertura mediante:

La Ganancia en función del ancho de haz y de la eficiencia es:

En las proximidades del máximo la variación de la ganancia se puede aproximar como:

(grados) 70 3 DdBλθ ≈

23

48360

dB

Gθ

η=

[ ] [ ]2

3

12 ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

dBmaxG)(G

θαα

Ancho de Haz y GananciaAncho de Haz y Ganancia

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P F AR e= ⋅

Transmisor con antena isotrópica y potencia transmitida PT. El flujo de potencia a distancia R será:

Si el transmisor tiene una antena con ganancia GT en la dirección del receptor a distancia R el flujo de potencia que llega es:

El producto PT×GT se llama PIRE (Potencia Isotrópica Radiada Equivalente).

FPR

Wm

T=4 2 2π

F G PR

T T=4 2π

Si el área efectiva de apertura de la antena es Ae la potencia recibida es:

Ecuaciones de EnlaceEcuaciones de Enlace

Distancia R

PT PR

GRGT

AReff


Teniendo en cuenta la relación entre ganancia y apertura: A Ge

R=λ

π

2

4

La potencia recibida será: P PIRE GRR R= ⋅ ⋅ ⎡

⎣⎢⎤⎦⎥

λπ4

2

La expresión anterior es la fórmula de transmisión de Friis.

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=⎥⎦

⎤⎢⎣⎡=

λπ

λπ RRLp

4log20410

2

Por tanto, en decibelios:

[ ] [ ] [ ] [ ]P PIRE G LR R p= + − (dBW)

El inverso del último término son las pérdidas de espacio libre:

Ecuaciones de EnlaceEcuaciones de Enlace

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Si R es la distancia estación-satélite y Ro es la distancia del punto subsatéliteal satélite GEO (Ro = 35 786 km) será:

L R R RR

L RRp p= ⎡

⎣⎢⎤⎦⎥

= ⎡⎣⎢

⎤⎦⎥

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟ =

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

4 420

2

0

2

00

2πλ

πλ

( ) ( )( )osoeae LLLRR

−−=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛coscos295.01

2

0

donde: 0 a 1.52 dB

0.1 1 10 100160

180

200

220

Lp0( )f

f

PPéérdidas de Espacio Librerdidas de Espacio Libre


• Pérdidas entre el transmisor y antena (filtros, multiplexores, cables,guías, etc.) (→ LFTX) y entre la antena y el receptor (→ LFRX )

• Pérdidas por desacoplo de polarización entre las antenas del Tx ydel Rx → LPOL

• Pérdidas por desapuntamiento entre las antenas Tx y Rx → LPOINT

• Pérdidas por absorción de los gases de la atmósfera (oxígeno y vapor de agua) → LAG

• Pérdidas por la atenuación de la lluvia → LRAIN

Por tanto, las pérdidas adicionales totales LA serán:

[ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ]L L L L L L LA FTX FRX POL POINT AG RAIN= + + + + +

PPéérdidas adicionalesrdidas adicionales

9





PPéérdidas adicionalesrdidas adicionales

LFTX LFRX RxTx

PT

GT GR

PRLP

PérdidasAlimentador

PérdidasAlimentador

LAG , LRAIN

LPOINT LPOINT

GT GR

αT αR

Desapuntamiento

2

3

2

3

1212 ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

dB

R

dB

TPOINTL

θα

θα


PPéérdidas atmosfrdidas atmosfééricasricas• 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:

• La altura equivalente en km (de un medio vertical uniforme) es:

• 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 ρw:

• La altura equivalente:

32220 10

9805754

36017

−⋅⋅⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+−

++

= f.)f(

..f

.γ (dB/km)

422

1037322

30670 −⋅⋅⋅⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+−

+≅ f.).f(

. ww ργ (dB/km)

3322322

2 +−+=

).f(.hw (km)

60 =h (km)

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Densidad de vapor de agua en la superficie terrestreDensidad de vapor de agua en la superficie terrestre

Fuente: ITU-R P.836-3


Si la altura de la estación terrena es hs y el ángulo de elevación es θ, la atenuación por gases Ag es:

PPéérdidas Atmosfrdidas Atmosfééricasricas

A h e hg

o o

hh

w w

s

o

=+

−γ γ

θsin(dB)

Vapor de agua

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Esta banda en 57 GHz se usa para enlaces entre satélites, puesto que estálibre de interferencias terrenas

AtenuaciAtenuacióón Atmosfn Atmosféérica (Frecuencias > 50 rica (Frecuencias > 50 GHzGHz))

Oxígeno


Opacidad atmosfOpacidad atmosféérica debida a los gasesrica debida a los gases

ATMOSPHERIC OPACITY IN FREQUENCY RANGE 1-275 GHz

1.E-07

1.E-06

1.E-05

1.E-04

1.E-03

1.E-02

1.E-01

1.E+00

1.E+01

1.E+02

1.E+03

1 26 51 76 101 126 151 176 201 226 251

Frequency (GHz)

Vert

ical

opa

city

(dB

)

Minor constituents

OxygenWater vapour tropical

Water vapour sub-arctic

Fuente: Rochard, 2004

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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 laslluvias.

La atenuación específica γR (en dB/Km) se relaciona con la intensidad delluvia R (en mm/h):

⎪⎩

⎪⎨⎧

≤≤⋅×

≤≤⋅×=

−

−

GHzff

GHzffk

18054,1009.4

549.2,1021.4699.02

42.25

⎪⎩

⎪⎨⎧

≤≤⋅≤≤⋅= −

−

GHzffGHzff

16425,63.2255.8,41.1

272.0

0779.0α

γ αR kR=

PPéérdidas por Lluviardidas por Lluvia

(dB/km)


Intensidad de lluviaIntensidad de lluvia

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Mapa de Zonas ClimMapa de Zonas Climááticas (antiguo)ticas (antiguo)


Zonas ClimZonas Climááticas del CCIR (antiguo)ticas del CCIR (antiguo)

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La atenuación neta en un trayecto será:A x d xR R

L

= ∫ γ ( )0

Se recurre a utilizar una longitud de trayecto equivalente Le (km) tal que:

A kR LR e= α

El método de predicción del CCIR se basa en la predicción de la atenuaciónesperada para un porcentaje anual del 0.01%.

La relación entre el porcentaje anual p y el del mes peor pw es:

p p w≈ 0 2 9 1 1 5. .

AtenuaciAtenuacióón por lluvia (simplificado)n por lluvia (simplificado)

(dB)


La altura de lluvia para el 0.01% es

)]log(..)[(h)(

pR 2527

10115215−

+⋅−=φ

φρ

Donde φ es la latitud geográfica de la estación y ρp(φ) es un factor empírico de reducción de altura:

404020

20

012002060

60

≥<≤

<

⎪⎩

⎪⎨

⎧−+=

φφ

φφφρ ,

,

.)(..

.)(p

La longitud del trayecto a través de la lluvia es:θsin

)hh(L sRs

−=

Y para tener en cuenta la inhomogeneidad de la lluvia se aplica un factor:

θcosLr

sp 490

90+

=

Altura de lluvia y trayecto (simplificado)Altura de lluvia y trayecto (simplificado)

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Tipos de lluviaTipos de lluvia

Lluvia estratiforme

Lluvia convectiva


Altura de Lluvia y TrayectoAltura de Lluvia y Trayecto

hR

hs

Ls hR hs-

θ

Isoterma a 0ºC

Lluvia

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Altura de lluviaAltura de lluvia


El valor de la atenuación excedida el 0.01% será:

psrLkRA α=01.0

El valor de la atenuación excedida para otro porcentaje p será:

β−⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

01.001.0pAA p

0.11.01.001.001.0001.0

para 50.041.033.0

≤≤≤≤≤≤

⎪⎩

⎪⎨

⎧=

ppp

β

AtenuaciAtenuacióón n vsvs %%

(dB)

(dB)

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Los valores típicos de atenuación para Madrid a 12 GHz, en función de la elevación, y para porcentajes del 0.01, 0.1 y 1, son los de la figura:

0 10 20 30 40 50 60 70 80 900

5

10

15

20

25

30

Ap( ),,,,,El 40 0.7 32 12 0.01

Ap( ),,,,,El 40 0.7 32 12 0.1

Ap( ),,,,,El 40 0.7 32 12 1

El

p=0.01 %

p=0.1 %

p=1 %

AtenuaciAtenuacióón Tn Tíípica para Madridpica 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:

8 9 10 11 12 13 14 15 16 170

5

10

15

20

25

30

Ap( ),,,,,35 40 0.7 32 f 0.01

Ap( ),,,,,35 40 0.7 32 f 0.1

Ap( ),,,,,35 40 0.7 32 f 1

f

p=0.01 %

p=0.1 %

p=1 %

AtenuaciAtenuacióón Tn Tíípica para Madridpica para Madrid

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PPéérdidas por lluviardidas por lluvia--Rec. ITURec. ITU--R P.618R P.618--88

Objetivo: CALCULAReRRAIN LA γ= (dB)



Paso 1). Cálculo de la altura efectiva de lluvia– Si no se dispone de información específica, hR se aproxima con

la altura media de la isoterma a 0 grados h0 (km) dada por:

– 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)

(km)

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Altura de la isoterma a 0 gradosAltura de la isoterma a 0 gradosFuente: ITU-R P.839



Paso 2). Cálculo de la longitud de trayecto oblicuo LS en el espacio correspondiente a la altura de lluvia

– Si la elevación θ ≥ 5º:

– Si la elevación θ < 5º :

Paso 3). Se determina la proyección horizontal, LG, de la longitud del trayecto oblicuo:

( )θsenhh

L sRS

−=

( )( )

θθ senR

hhsen

hhL /

e

sR

sRS

+⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛ −⋅+

−⋅= 21

22

2(km)

(km)

θcosLL SG = (km)

20






Paso 4). Se obtiene la intensidad de lluvia, R0.01, 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 Rec. ITU-R P.837.


Mapas de lluviaMapas de lluvia--Rec. ITURec. ITU--R P.837R P.837--44

0837-02

55

1015

20

25

5

10

15

15

20

20

202015

20

25

35

35

3025

25

30

35

35

10

10

10

10

10

10

10

15

2020

2525

2525

2025

2040

100 80120

100

80

60 100

120 120120

100

100

80

80

10

10

5

10

15

20

25

30

35

80

80

100

120120100

120

100

120

100120

60

5

15

10

120

15

510

20

3025

40

30

30

25

100

100

100

80

50

2525

15

50

60

1510

100

30

25

10

25

10

10

120100

40

30

30

30

10

5

15

20

25

20

10

15

15

30

30

40

5

10

10

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

300 320 340 0 20 40 60 80

Latit

ud

Longitud

Intensidad de lluvia (mm/h) sobrepasada durante el 0,01% del año medio

Madrid ~20 mm/h

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Paso 5). Calcular la atenuación específica γR empleando los coeficientes dependientes de la frecuencia, k y α, de la Rec. ITU-R P.838 y el índice R0.01, aplicando las expresiones:

αγ 010.R kR=

(dB/km)


PPéérdidas por lluviardidas por lluvia--Rec. ITURec. ITU--R P.618R P.618--88Paso 6). Cálculo del factor de reducción horizontal, r0.01, para el

0.01 % del tiempo. (Rec. ITU-R P.618-8):

Paso 7). Cálculo del factor de reducción vertical, v0.01, para el 0.01 % del tiempo. (Rec. ITU-R P.618-8):

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛ −= −

010

1

.G

sR

rLhh

tgζ

Si la latitud cumple que |ϕ| < 36º:

ϕχ −= 36

Si no, χ=0 grados.

(º)(º)θcos

rLL .G

R010=

( )θsenhh

L sRR

−=

Si ζ>θ:

Si no:

(km)

(km)

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PPéérdidas por lluviardidas por lluvia--Rec. ITURec. ITU--R P.618R P.618--88Paso 8). Cálculo de la longitud de trayecto efectiva:

Paso 9). Cálculo de la atenuación A0.01 excedida el 0.01 % de un año medio :

ER. LA γ=010

010.RE vLL = (km)

(dB)


PPéérdidas por lluviardidas por lluvia--Rec. ITURec. ITU--R P.618R P.618--88Paso 10). Interpolación (ó extrapolación) a otros porcentajes de

tiempo, p, en el margen del 0.001% al 5%

( ) ( ) ( )( )θβ senpAln.pln..

.p

.

.pAA

−−−+−

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

1045003306550

010

010

010(dB)

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Otras medidas sobre la atenuaciOtras medidas sobre la atenuacióón por lluvian por lluvia

Nivel de correlación en función de la distancia para diferentes niveles de precipitación [García, 2002]

Distribución estadística de la duración del fading (en segundos) por lluvia [Fiser, 2005]


Otras medidas sobre la atenuaciOtras medidas sobre la atenuacióón por lluvian por lluvia

Atenuación por lluvia a lo largo del tiempo para diferentes frecuencias [Fiser, 2005]

ITALSAT OLYMPUS

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Otros efectos sobre la propagaciOtros efectos sobre la propagacióónn• Multitrayecto

– Reflexiones 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 (20

%), respectivamente


Otros efectos sobre la propagaciOtros efectos sobre la propagacióónn

• 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/f2

– Centelleo troposférico: • Importante en Ka y EHF, despreciable en L, C y Ku

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Otros efectos sobre la propagaciOtros efectos sobre la propagacióónn

• Rotación de Faraday– Rotación del vector de polarización lineal por la

ionización de la ionosfera– Es proporcional a 1/f2

– Importante por debajo de la banda C

– Atenuación: Despolarización:

– La polarización circular apenas se ve afectada– Se puede combatir empleando diversidad de emplazamientos

γEcop

Excop

E

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

EE

L copFaraday 10log20 ( )( )γcotlog20log20 1010 =⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

xcop

copEE

XPD


Sistemas no GEOSistemas no GEO• Cuando la elevación no es constante, la disponibilidad del enlace

puede calcularse como (Rec. ITU-R 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 100, 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.

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