satelites - diseño de redes de comunicaciones - en español

Diseño de Redes de Comunicación por Satelite para Nuevos Servicios de Banda

Ancha

FIME - UANLMonterrey, N.L. 13 - 17 de Agosto, 2001

Expositor: Roberto Conte Galván

Introducción a Sistemas de Comunicaciones por Satélite

Contenido del curso:

• Introducción a sistemas de comunicaciones por satélite.• Tecnología de satélites para distintas aplicaciones.• Aplicaciones de satélites de alta potencia.• Diseño y planificación de redes VSAT.• Comunicaciones móviles via satélite.• Tendencias en el desarrollo de nuevas tecnologías.


Introducción a sistemas de comunicación por satélite:

• Introducción.• Bandas de frecuencia.• Elementos de un sistema via satélite.• Cálculo de enlaces via satélite.• Efectos atmosféricos en señales de radio.

• Enlaces en bandas de frecuencia milimétricas.


Introducción:

1947.- Arthur C. Clarke propone el uso de satélites artificiales como repetidores de comunicaciones geosíncronos.

1957.- La URSS coloca el primer satélite artificial (Sputnik) en órbita.

1962.- La empresa AT&T experimenta conTelstar I y II (MEOS).1963.- Primer satélite GEO militar (Syncom II).1965.- Comunicación comercial internacional a través del Intelsat I

(pájaro madrugador) para servicio civil.


Primeros satélites de comunicaciones:

Sputnik Telstar Syncom II Intelsat I

Introducción a Sistemas de Comunicaciones por Satelite

• Los sistemas de satélites pueden dividirse en base a su tipo de estabilización:

Axial (por giro, spin) Triaxial (giróscopos)


• Los sistemas de satélites pueden ser en base a su cobertura:

– Globales.– Regionales.– Domésticos.


Cobertura Global (Inmarsat):


• Los sistemas de satélites se pueden dividir en base a sus servicios:

Comunicaciones:– Telefonía, video/TV, datos.

Gobierno:– Comunicaciones, militares, espionaje, posicionamiento.

Científicos:– Percepción remota, atmosféricos, nuevas tecnologías.


• Los sistemas de satélites se pueden dividir en base a su altura:

Baja: – LEOS (Low Earth Orbit Satellite).Media: – MEOS (Medium Earth Orbit Satellite).Geosíncrona: – GEOS (Geosyncronous Earth Orbit Satellite).


LEO

MEO

HEO

Orbita baja640-1,600 Kms

Orbita mediamás de 9,600 Kms

Orbita geoestacionaria36,000 Kms del Ecuador

Orbita elíptica

GEO


• Los sistemas de satélites pueden dividirse en base a su tamaño y peso en:

– Microsatélites (<250 Kg)

– Minisatélites (entre 250 y 500 Kg)

– Satélites (mayor de 500 Kg, hasta 3 ton.)


Microsatélite

Minisatélite

Satélite


• Los sistemas de satélites de comunicaciones utilizan las siguientes bandas de frecuencia:– Banda L (↑ 1.6 / ↓ 1.5 GHz)– Banda S (↑ 2.5 / ↓ 2.2 GHz)– Banda C (↑ 6 / ↓ 5 GHz)– Banda Ku (↑ 14 / ↓ 11 GHz)– Banda Ka (↑ 30 / ↓ 20 GHz)– Banda V (↑ 60 / ↓ 40 GHz)


• Los satélites de comunicaciones llegan a su posición orbital mediante el uso de lanzadores:

Los lanzadores pueden ser:• Desechables.- Se usan una sola vez en su vida.

• Reutilizables.- Se pueden utilizar múltiples veces durante un período de vida útil l argo (STS > 20 años).

Introducción a Sistemas de Comunicaciones por Satelite

Elementos de un Sistema de Comunicaciones via Satélite

Mecánica Orbital:• Los satélites en órbita se deben mantener en la misma

trayectoria orbital para mantener su posición.

Esto se logra mediante la utilización de:• Ley de Gravitación Universal de Newton:

– Describe la fuerza y velocidad necesarias para lograr lo anterior.

• Las 3 Leyes de Kepler: – Describen la geometría y trayectoria de un cuerpo alrededor de

otro.


• Ley de Gravitación Universalde Newton:

• FG = Fuerza de atracción G = Cte. gravitación universal• ME = Masa de la Tierra MS = Masa del satélite• R = Distancia entre ambos cuerpos celestes.

G ME = µ = Constante de proporcionalidad para la Tierra.µ = 3.986004418×105 km3/seg2.

S

SEG R

mGMF −=

r


• Un satélite artificial necesita entre 29,000 y 40,000 km/h para entrar en órbita alrededor de la tierra (8 km/s).

• Debe existir balance de fuerzas gravitacional y centrífuga para que el satélite se mantenga en su órbita determinada.

rS = Radio del satéliterE = Radio de la TierrahS = Altura del satélite.

rE = 6,378.137 km en el ecuador.

rE

rS

hS

rS = rE + hS


• Leyes de Kepler1a. Ley: La órbita de un planeta es una elipse, donde el sol es uno

de sus focos. La órbita circular es un caso especial de la elipse donde ambos focos están en el mismo sitio.

F2F1

Sol

Planeta


• Leyes de Kepler2a. Ley: La línea que une al planeta con el foco barre áreas

iguales en períodos iguales.

Si t4 - t3 = t2 - t1, entonces A2 = A1

t2

t1

t3

t4

A1A2


• Leyes de Kepler3a. Ley: El cuadrado del período orbital de un planeta es

proporcional al cubo de su distancia media al sol.

T = Período orbital, a = Distancia media del planeta.µ = G ME = Constante de proporcionalidad para la Tierra.µ = 3.986004418×105 km3/seg2.

µπ 3

2 4 aT =


Derivación de la 3a Ley de Kepler:

• Para órbita circular:rva

2

=

Trπ2v =Como , a = r, GM = µ

2

2

rGM

rv

=

rGM

Tr

=

22π Por lo tantor

GMv =2

µπ 3

2 4 aT =r

GMT

r=2

24πr

GMv =


Alturas y órbitas típicas:• Avión comercial (jet) 11 km (33,000 pies)• Ionósfera 50 - 250 km• Transbordador (Shuttle) 150 - 300 km• Satélite LEO 600 - 1600 km• 1a banda de radiación Van Allen 3,000 - 5,000 km• Satélite MEO 12,000 - 20,000 km• 2a banda de radiación Van Allen 18,000 - 24,000 km • Satélite GEO 36,000 km• Luna 384,000 km• Sol 149,700,000 km


Cinturones de radiación de Van Allen:


Cobertura de satélites por su altura:

LEO

MEO

GEO


Área de cobertura de satélites por su altura:

Angulo de cobertura del satélite

θ

Area de cobertura del satélite


Geometría del enlace satelital:

Punto subsatelital

dS

rE

rS

hS

rS = rE + hS

El

LEO


Localización del satélite:

Punto subsatelital

dSrE El

rSCentro de la Tierra

Estación terrena

γ

γ = Angulo central entre la estación terrena y el satélite desde el centro de la tiera


Pasos para encontrar los ángulos de orientación del satélite (1):

• Definir el punto subsatelital (solo longitud para GEOS).• Definir coordenadas de estación terrena (Lat, Long).• Calcular el ángulo γ desde el centro de la tierra:• cos γ = cos LatET · cos (longS - longET)• Calcular el ángulo de elevación (para GEOS):

γγ

γ−

−= −

senEl cos610715.6tan 1



• Calcular el ángulo de azimut:

• (1) Az = 180° + α, Sat al SO de ET• (2) Az = 180° - α, Sat al SE de ET• (3) Az = α , Sat al SO de ET• (4) Az = 360° - α, Sat al SO de ET

−= −

γα

sentan

tan 1 ETS longlong

ET(2)

ET(3)

ET(4)

ET(1)

SAT ecuador

longS



• Calcular la distancia al satélite desde la estación terrena:

rS = 42,164.2 km desde el centro de la Tierra.

• Como rE = 6,378.137 km en el ecuador, en el punto subsatelital el satélite se encuentra a 35,786 km de la superficie de la Tierra.

γcos301596.002274.1 −= SS rd


Un sistema de comunicaciones por satélite consta de tres segmentos:

• Estación terrena transmisora.• Satélite de comunicaciones.• Estación terrena receptora.


La Estación Terrena transmisora (ET Tx) cuenta con:• Antena de mediano a gran tamaño.• Amplificador de Alta Potencia (HPA).• Modulador.

HPA TWTA

Filtro Pasa

Banda

OL RF

Filtro Pasa

Banda

OL FI ET Tx

Modulador

Proc.Banda Base

Inf.


Estación Terrena Transmisora


Antena de una Estación Terrena transmisora


Un satélite artificial se divide en dos partes principales:

• La plataforma (bus):El conjunto de subsistemas de apoyo para la operación remota del satélite.

• La carga útil (payload):El servicio específico que presta al usuario.


Diagrama básico de un satélite de comunicaciones:

Transpondedor (Repetidor de

comunicaciones)

Fuente de Poder

Subsistemade TT&C

Banco de

Baterías

Páneles solares

Sol

Subsistemas plataforma


Un satélite de comunicaciones tiene un transpondedor (transponder) que realiza las siguientes funciones:

• Recibe la señales transmitidas desde la Estación Terrena Tx.• Amplifica las señales débiles en recepción (Rx).• Cambia la frecuencia de operación para su transmisión en el

descenso (Convertidor de frecuencia• Transmite las señales de nuevo a las estaciones terrenas

receptoras (Tx).• Recibe y transmite parámetros de control para su operación

remota mediante el sistema de telemetría y comando (TT&C).


Diagrama básico de un transpondedor de satélite:

Filtro Pasa

Banda

OL RF

Convertidor de frecuencia

LNA HPA


La Estación Terrena receptora (ET Rx) cuenta con:

• Antena de pequeño a mediano tamaño.• Amplificador de Bajo Ruido (LNA) y convertidor de frecuencia.• Demodulador.

Filtro Pasa

Banda

OL FI

Demodulador

Inf.

ET Rx

LNA

Convertidor de frecuencia

Filtro Pasa

Banda

OL RF


Estación Terrena receptora

Cálculo de Enlaces de Comunicaciones Via Satélite

• El diseño correcto de un enlace de radio asegura la recepción de una señal de buena calidad, evitando el desperdicio de recursos técnicos y económicos, y optimizando la capacidad del satélite y estaciones terrenas.


• El cálculo de enlaces vía satélite es necesario para hacer un balance de las ganancias y pérdidas en potencia de la señal propagada.

• Todo elemento de un sistema de comunicaciones tiene un efecto positivo o negativo en la amplitud de la señal de comunicaciones.

• Los elementos que agregan pérdidas a la señal útil son generalmente de tipo pasivo o divisores.

• Los elementos que proporcionan ganancias son generalmente activos, aunque también los hay pasivos.


Ruido en sistemas de comunicaciones:El ruido es cualquier disturbio eléctrico no deseado que afecte a la

señal de información:• Ruido térmico: Colisión de electrones.• Ruido de impulso: Inducción de OEM por arcos, rayos, etc.• Interferencia: Otros sistemas, propio sistema.

El que afecta mayormente a sistemas por satélite es el Térmico:PN = K T B


Tx

HPA

Rx

LNA


TxPTX GTX GRX PRX

HPA

Rx

LNA

PIRE G/T C/N

ΣL TSYS


TxPTX GTX GRX PRX

HPA

Rx

LNA

PIRE G/T C/N

ΣL TSYS

PRX (dBW) = PTX + GTX - ΣL + GRX PN (dBW) = K + TSYS + BN


TxPTX GTX GRX PRX

HPA

Rx

LNA

PIRE G/T C/N

ΣL TSYS

C/N (dB) = PTX + GTX - ΣL + GRX - K - TSYS - BN

PRX (dBW) = PTX + GTX - ΣL + GRX PN (dBW) = K + TSYS + BN

C/N (dB) = PRX - PN


PIRE = Potencia isotrópica radiada efectiva en W, dBW.

PIRE = PTX + GTX en dBW.

G/T = Figura de mérito del receptor en K-1, dB/K.

G/T = GRX - TSYS en dB/K.C/N = Relación portadora a ruido en la salida del receptor en dB.

C/N = PRX - PN

PRX = Potencia a la entrada del receptor (LNA) en W, dBW.

PN = Potencia de ruido en el receptor en W, dBW.


PTX = Potencia del transmisor (HPA) en W, dBW.

GTX = Ganancia de antena en transmisión en dBi.

ΣL = Suma de pérdidas durante propagación en dB.

GRX = Ganancia de antena en recepción en dBi.

K = Constante de Boltzman = 1.38×10-23 J/K = -228.6 dB/K.

TSYS = Temperatura de ruido del sistema receptor en K, dB-K.

BN = Ancho de banda de ruido de la señal modulada en HZ, dB-Hz.


Ecuaciones básicas para el cálculo de enlaces:Nota: Hacer operaciones en valor numérico, no usar dB.

G = Ganancia de antena, adimensional.D = Diámetro de antena parabólica en metros.R = Distancia entre Tx y Rx en metros.Lp = Pérdidas por propagación en espacio libre,

adimensional.θ3dB = Ancho de haz de 3 dB de antena en grados.λ = Longitud de onda en metros.


Parámetros de antenas:• Frecuencia de operación.• Ganancia de antena.• Eficiencia de conversión.• Ancho de banda de antena.• Directividad del haz.• Ancho de haz.• Polarización de la señal.• Resistencia de antena.• Reciprocidad.

fc

=λ

DdBλ

θ75

3 =

( )23

2 000,30

dBAntena

DGθλ

πη =

=


Alimentación focal Alimentación fuera de foco


Alimentación fuera de foco


Alimentación Cassegrain


Pérdidas por propagación:• Son aquellas que se consideran por la disminución de la

densidad de potencia radiada a medida que aumenta la distancia entre transmisor y receptor.

• Depende directamente de la distancia entre terminales.• Depende del inverso de la longitud de onda de la señal

utilizada.24

=λπRLpropag


Ejemplo:Encontrar pérdidas por propagación para un enlace con 38,500 km de distancia a 12 GHz. Nota: usar unidades básicas.

mHz

smfc 025.0

1012/103

9

8

=××

==λ

20262

10745.3025.0

105.3844×=

×=

=

mmRLpropag

πλπ

dBLpropag 73.20510745.3log10 20 =×=


Ruido:

El nivel ruido (N) del receptor define el umbral de recepción y la calidad final del sistema de comunicaciones.

La Figura de Ruido (NF) se usa para conocer el ruido generado dentro de un dispositivo (usar valor numérico):

( )1290 −= NFKTN NSYS BKTN =

S/N)Ent S/N)SalNF))Sal

Ent

NS

NS

NF =


Fuentes de ruido y ganancia dentro de un sistema receptor:

ET Rx

LNA

TCIELO GLNA GMEZC

TLNA TMEZC

FI

GFPB

TFI

RF

PRX


Modelo de ruido:

GLNA

TLNA

+ GMEZC

TM

+ GFI+

TFI

PRX

TENTRSin ruido

Fuenteruido

Sin ruido Sin ruido

Fuenteruido

Fuenteruido

PN

MEZCLNA

FI

LNA

MEZCLNAENTRSYS GG

TGTTTT +++=


Temperatura de ruido del sistema:• Dado que PRX es pequeña, se debe reducir PN al máximo.

Maneras de reducir la potencia de ruido del receptor:

• Reducir BN lo suficiente para aceptar solo toda la potencia de la señal recibida C, PRX

• Reducir TSYS tanto como sea posible:

↓ TENTR ↓ TLNA ↑ GLNA

NSYSN BKTP =


Temperatura de ruido del sistema:

• Se puede reducir BN utilizando técnicas de modulación eficienteen espectro (QPSK, M-QAM).

• Reducir TENTR con antenas directivas, ángulos de elevación altos.

• Reducir TLNA con transistores de bajo ruido (GaAsFET, HEMT).

• Aumentar GLNA en las primeras etapas del LNA.

NSYSN BKTP =


• Ejemplo: Calcular TSYS para un receptor a 12 GHz con:

TENTR = 50 KTLNA = 100 K GLNA = 23 dBTMEZC = 500 K GMEZC = 0 dBTFI = 1000 K GFI = 30 dB

MEZCLNA

FI

LNA

MEZCLNAENTRSYS GG

TGTTTT +++=

5.1571200

100020050010050 =

×+++=SYST


Efectos negativos de elementos con pérdidas:

• Los conductores (cables, guías de onda) con pérdidas altas antes del LNA tienen un efecto doblemente negativo en la calidad de la señal recibida.

Modelo del dispositivo con pérdidas:

La potencia C disminuye. El dispositivo genera ruido térmico, N aumenta.

Pérdidas dBC, PRX C’,P’RX

N, PN


Ejemplo: Calcular efectos en calidad por uso de cable defectuoso con 2 dB de pérdidas si TENTR = 50 K:

En este caso las pérdidas se pueden considerar como LC = 2 dB, GC = -2dB = 1/1.58 = 0.63 = NF

• TC = 290 K (NF - 1) = 290 (1 - 0.63) = 107.3 K

• TSYS = TENTR GC + TC = 50 (0.63) + 107.3 = 138.8 K

• TSYS sin cable = 50 K → 17 dB-K

• TSYS con cable = 138.8 K → 21.4 dB-K

∆TSYS = 21.4 - 17 = 4.4 dB


Pérdidas dBC, PRX C’,P’RX

N, PN

• El cable introduce pérdidas LC = 2 dB • Incrementa la temperatura de ruido ∆TSYS = 4.4 dB

Por lo tanto, el cable reduce C en 2 dB y aumenta N en 4.4 dB.

Conclusión: el cable reduce en 6.4 dB la calidad de C/N


Para el cálculo de enlaces punto a punto por satélite:• Calcular primero el Enlace Ascendente:

C/N)ASC = PIRE)ET - LP - Lg - Lr - GSAT - K - TSYS - BN

• Calcular después el Enlace Descendente:

C/N)DESC = PIRE)SAT - LP - Lg - Lr - GET - K - TSYS - BN

• Obtener finalmente el Enlace Total:

)) ) ICNCNC

NC

DESCASC

TOT 1111

++=


• Ejemplo:

• Calcular enlace completo con los siguientes datos.Parámetros de Estaciones Terrenas: Parámetros del Transponder:Potencia Tx en saturación PTx = 10 dBW G/T del Satélite G/T = 3 dBBack-off de salida BOS = 2 dB Potencia Tx en saturación EIRP = 45 dBWDiámetro de antenas DAnt = 4 m Back-off de salida BOS = 2 dBEficiencia de antenas η = 0.6 Parámetros del Sistema:Frecuencia ascendente fasc = 6.0 GHz Pérdidas propag. ascend. LPasc = 199.5 dBFrecuencia descendente fdesc = 4.0 GHz Pérdidas propag. descend. LPdesc = 196.0dBTemp. de sistema Rx TSis = 21.7 dB-K Ancho de Banda B = 10 MHz


• Enlace Ascendente:

Nota: no se consideran pérdidas por gases atmosféricos Lg ni por lluvias Lr.

mHz

smfc

ASCASC 05.0

106/103

9

8

=××

==λ

dBm

mDGASC

TX 78.4528.899,3705.046.0

22

→=

=

=

πλπ

η

( ) ( ) HzdBHzdBBN −=×=− 701010log10 6


• Enlace Ascendente:

C/N)ASC = [PIRE)ET - BO] - LP - GSAT - K - TSYS - BN

= [(PTX - BO) + GTX] - Lp + G/T)SAT - K - BN

= [(10 dBW - 2) + 45.78 - 199.5 + 3 - (-228.6) - 70

C/N)ASC = 15.88 dB → 38.72


• Enlace Descendente:

Nota: no se consideran pérdidas por gases atmosféricos Lg ni por lluvias Lr.

mHz

smf

c

DESCDESC 075.0

104/103

9

8

=××

==λ

dBm

mDGDESC

RX 26.4212.844,16075.046.0

22

→=

=

=

πλπ

η

( ) ( ) HzdBHzdBBN −=×=− 701010log10 6


• Enlace Descendente:

C/N)DESC = [PIRE)SAT - BOS] - LP - GRX - K - TSYS - BN

= [45 dBW - 2] - 196 + 42.26 - (-228.6) - 21.7 - 70

C/N)DESC = 26.16 dB → 413.047


• Enlace Total:

C/N)ASC = 15.88 dB → 38.72, C/N)DESC = 26.16 dB → 413.047

)) )

dB

NCNC

NC

DESCASC

TOT 49.1543.35

047.4131

72.381

111

1→=

+=

+=


Modulación Digital:• Es la variación de los parámetros de una señal analógica

sinusoidal de acuerdo a las características de un tren de pulsosbinario. Se usa en canales analógicos solamente.

Workstation

Modem Modem

Terminal


Modulación Digital.

• Se pueden variar:• Amplitud (A): ASK, OOK• Frecuencia (ω, f): FSK• Fase (ϕ): BPSK, QPSK θ(t) = (ωt + ϕ) • Combinaciones: M-QAM ω = 2π f

( ) ( )ϕω += tAts cos

( ) ( )tAts θcos=


Modulación Digital.La modulación digital más común por satélite es:• BPSK - Binary Phase Shift Keying (cambio de fase cada bit).• QPSK - Quaternary Phase Shift Keying (cambio cada 2 bits).

BPSK usa doble ancho de banda que QPSK pero solo la mitad de la potencia.

• BPSK es eficiente en potencia, poco eficiente en espectro.• QPSK es eficiente en espectro, poco eficiente en potencia.

La decisión depende de la aplicación, ancho de banda y presupuesto disponible.


Modulación Digital.BPSK es bifásico, tiene dos fases (0° y 180°).

ηBPSK = 1 bps/HzQPSK es cuadrifásico, tiene cuatro fases (0°, 90°, 180° y 270°).

ηQPSK = 2 bps/Hz90°

A0°180° θ

1 0

BPSK

180° θA

0°

270°

QPSK


Modulación Digital.QPSK puede tener variantes, dependiendo de las características del

sistema de comunicaciones.

180° θA

0°

270°

90°

10

11

01

00

QPSK

0°, 90°, 180° y 270°

180° θA

0°

270°

90°

1011

01 00

QPSK

45°, 135°, 225° y 315°


Ancho de Banda:El ancho de banda de una señal modulada depende del tipo de

modulación digital empleado.• Debe contener la mayor parte de la potencia de la señal dentro

de un espacio determinado (3 dB debajo de la max. potencia).

Existen dos tipo de ancho de banda en comunicaciones por satélite:• Ancho de banda de ruido (BN).• Ancho de banda ocupado (BOC)


Ancho de Banda:Ancho de banda de ruido (BN):• Es donde se contiene toda la

información relevante, igual a la velocidad de transmisión Rb.

Ancho de banda ocupado (BOC):• Es el espacio que ocupa la señal

modulada en el transpondedor, limitada por la caida de los filtros utilizados en el transmisor.

ModN

RbRsBη

==

BN

fC

f

BOC

fC-Rb/2 fC+Rb/2

)1( α+= RbBOC


Ancho de Banda:Ancho de banda de ruido (BN): Contiene la información digital.Ancho de banda ocupado (BOC): Espacio ocupado por el canal

digital en el transponder.

f

BN

BOC

f1 f2

BN

BOC

f3

BN

BOC


Tasa de Errores de Bit• La calidad de un enlace de comunicaciones digital se mide de

acuerdo al número de bits equivocados recibidos en el extremofinal del enlace.

• La figura de mérito para conocer el desempeño de un enlace de comunicaciones digital se conoce como BER (Bit Error Rate), y su probabilidad de ocurrencia es Pe (Probabilidad de error).

• BER: Medición real de bits equivocados en un sistema funcional.

• Pe: Probabilidad de que lleguen bits equivocados durante el diseño.


Tasa de Errores de Bit• Para medir la calidad del enlace digital es necesario conocer la energía

del bit después de la demodulación, y compararla contra la densidad de potencia de ruido del receptor.

• Eb = Energía de bit = C× Tb = C/Rb

• No = Densidad de ruido = N/BN

Tb Rb = 1/Tb

1 Hz

NNo

BN

b

N

Toto

b

RB

NC

NE

=


Tasa de Errores de Bit:

• Eb = Energía de bit = C× Tb = C/Rb

• No = Densidad de ruido = N/BN

Tb Rb = 1/Tb

t

1 Hz

NNo

BN

f

b

N

Toto

b

RB

NC

NE

= ( ) bN

Toto

b RBNCdB

NE

−+=


Tasa de Errores de Bit• BER = Medición de bits equivocados vs. total de bits transmitidos.

= bits equivocados/total de bits

• Pe: Probabilidad de que lleguen bits equivocados durante el diseño.Pe(b) = Q(x), donde:

Aproximación:

( ) ∫∞

−=x

dexQ λπ

λ 22

21

2

2

21 x

ex

Pe−

=π

Efectos Atmosféricos en la Señal de Radio

Atenuación atmosférica:

• La atenuación atmosférica se debe principalmente a efectos negativos de las moléculas de la atmósfera sobre la señal de radio que la atraviesa.

• La causa principal de atenuación es por lluvia, nieve, granizo y otros hidrometeoros.

• También se tiene atenuación en cielo despejado debida a losgases atmosféricos.

• Cielo despejado se define cuando no hay lluvia en el sitio de laestación terrena.


Propagación atmosférica:

• Las ondas de radio se propagan a través de la atmósfera durantesu trayecto hacia el satélite.

La atmósfera está compuesta por varias capas:• Tropósfera (0 - 11 km).• Estratósfera (11 - 110 km). • Ionósfera (110 - 800 km). • Exósfera (800 km - espacio exterior).


Propagación ionosférica de ondas de radio:• La ionósfera refleja señales de radio.

• Ionización de moléculas de la atmósfera por el sol.

• Ionización por períodos largos de tiempo.

• Variación de densidad de iones por condiciones climáticas.

• Creación de varias subcapas de ionización a distintas alturas.


Propagación atmosférica de ondas de radio :

• Propagación entre gases atmosféricos.

• Atenuación por moléculas de oxígeno (O2).

• Atenuación por moléculas de vapor de agua (H2O).

• Ventanas de frecuencia para propagación entre O2 y H2O.

• Climas diferentes en regiones distintas.


Ventanas de propagación atmosférica:

H2O

O2 O2

23 60 120f, GHz

0.18

100

1

H2O

180

80

2

0.05

4

Aten. atm.(dB/km)


Efectos atmosféricos en la señal de radio:

• LAtm = Absorción × distancia

• LAtm = AAtm × dCD

θEL

dCD

Nivel del suelo

Altura de atmósfera

hAtm( )EL

AtmCD sen

hdθ

=


Efectos atmosféricos en la señal de radio:

• La lluvia causa una disminución en la potencia de señales de radio a frecuencias mayores de 10 GHz.

• Causa efectos de reflexión, dispersión y depolarización.

La atenuación depende directamente de:• La longitud de onda de la señal.• La distancia recorrida bajo la isoterma (0° C).


Depolarización:• Cambios en la polaridad de la onda por lluvia, nieve, etc.

VH

Polarizada

V

HDepolarizada

V

H

x

z

y

OEM


Confiabilidad del sistema:• Cuando el enlace de comunicaciones requiere de operación

continua, se debe diseñar el sistema para determinadaconfiabilidad (% tiempo operacional al año).

• Se agrega un margen de potencia contra lluvia para evitar interrupciones menores de cierta intensidad.

• La confiabilidad depende de la región pluvial de la ET y del mínimo de interrupción aceptable.

• Disponibilidad + interrupción = 100 % tiempo anual


Confiabilidad del sistema:Confiabilidad anual = (365.25 dias/año)(24 hr/d) = 8766 hr/año

• Si 99.9% disponibilidad, 0.1% interrupción:(0.001)(8766 hr/año) = 8.776 hr/año = 8h 46m 33.6s

• Si 99.99% disponibilidad, 0.01% interrupción:(0.0001)(8766 hr/año) = 52.656 min/año = 52m 39.36s

Dado que se mejora disponibilidad aumentando el margen contra lluvia, la disponibilidad impacta en el costo del sistema de manera proporcional.


Cálculo de atenuación por lluvia:• Todo sitio geográfico tiene asignada una tasa de lluvia.• Conociendo la región pluvial de la ET y la disponibilidad

deseada se define el margen de atenuación por lluvia.

En México se tienen tres regiones pluviales predominantes:• Región F: Norte, Noroeste del país. Árido y seco.• Región D: Noreste, Centro, Occidente. Continental templado.• Región G: Sur, Sureste del país. Tropical moderado.


Tasas de atenuación por lluvia R (mm/h) en México:Porcentajeanual deinterrupción

RegiónD

RegiónF

RegiónG

Tiempointerrup.

0.001 108 66 185 5.26m

0.005 64 34 120 26.3m

0.01 49 23 94 52.6m

0.05 22 8.3 47 4h 23m

0.1 14 5.2 32 8h 46m

0.5 5.2 1.4 12 43h 50m =1d 19h 50m

1.0 3 0.7 8 87h 40m =3d 15h 40m


Cálculo de atenuación por lluvia:• La tasa de lluvia R se usa para determinar la atenuación por

lluvia en un enlace de comunicaciones.

• Lr (dB) = aRb dCD

donde R = tasa de lluvia en exceso (mm/h)a, b = Coeficientes relativos a la frecuencia del enlace.dCD = Longitud de trayectoria en la atmósfera (km)

Altura de atmósferadCD

Nivel del suelo

hAtm


Cálculo de atenuación por lluvia:Para obtener Lr (dB) = aRb dCD

R = tasa de lluvia, de tablas, dCD de ángulo elevación.

a = 4.21×10-5 f 2.42 , 2.9 ≤ f ≤ 54 GHza = 4.09×10-2 f 0.699 , 54 ≤ f ≤ 180 GHz

b = 1.41 f -0.0779 , 8.5 ≤ f ≤ 25 GHzb = 2.63 f -0.272 , 25 ≤ f ≤ 164 GHz


Cálculo de enlace con efectos atmosféricos:• Para incluir los efectos atmosféricos en la señal de radio, se

agrega su valor en dB a la ecuación del enlace (ΣL):

C/N) = PTX + GTX - LP - Lg - Lr - GRX - K - TSYS - BN

donde LP = Pérdidas por propagación (dB)Lg = Pérdidas por gases atmosféricos (dB)Lr = Pérdidas por lluvia (dB)

Enlaces en Bandas de Frecuencias Superiores


¿Porque se buscan frecuencias superiores?

Existen 5 sistemas satelitales con cobertura global de banda ancha propuestos para operar en Banda Ka (30/20 GHz) para principios del año 2004.

• Teledesic - 288 satélites LEO, para el año 2002.• Astrolink - 9 satélites GEO, para el año 2003.• Cyberstar - 3 satélites GEO, para el año 2001.• Spaceway - 16 satélites GEO, 20 MEO, para el año 2002.• iSky (Ka Star) - 2 satélites GEO, para el año 2001.


Ventajas de frecuencias superiores

• Nuevos sistemas satelitales: frecuencias únicas en sistemascon cobertura global.

• Saturación de frecuencias existentes en bandas C y Ku.

• Uso de satélites de alta potencia (DBS) en banda Ku.

• Mayor disponibilidad de espectro para banda ancha.

• Aumento de capacidad por reúso de frecuencia y hacespuntuales.



• Reducción en las dimensiones de los componentes.

• Antenas pequeñas, muy directivas y de gran ganancia.

• Mínima interferencia de sistemas terrestres.

• Posible interferencia con sistemas LMDS terrestres.

• Reúso de frecuencia de hasta 40 veces con haces puntuales urbanos mediante antenas pequeñas.



• Uso de señales con longitud de onda milimétrica.

• Satélites con mayor PIRE, directividad, calidad.

• Sistemas portátiles con componentes de RF miniaturizados.

• Antenas con diámetros de 25 a 60 cm.

• Incremento en PIRE y G/T de estaciones terrenas a menor costo.


Problemas en frecuencias superiores:

• El principal problema con las señales milimétricas es su alta degradación por fenómenos atmosféricos.

• Lluvia ligera, llovizna o nieve tumban completamente el enlace.

• Disponibilidad limitada de componentes en el mercado.

• Alto costo de componentes, sistemas y subsistemas.

• Tardanza en tiempo de entrega de componentes.



• El efecto de la atmósfera terrestre es un factor crítico en el diseño y rendimiento de un sistema.

• Al aumentar la frecuencia, aumentan las pérdidas atmosféricas

• La absorción atmosférica por lluvia puede superar margen previsto, generando la interrupción del servicio satelital.



• La depolarización y centelleo generados por lluvia o llovizna pueden causar variaciones en la amplitud, fase, polariización o ángulo de llegada de las ondas de radio.,

• Reducción de C/N → aumento de BER.

• Poca variedad de componentes en banda Ka.

• TWTAs < 200W, SSPA < 1W.


Estaciones Terrenas en frecuencias superiores:• Integración de subsistemas de IF/RF juntos en la antena.

• Mayor cuidado por tamaño y fragilidad de componentes.

• Problemas por generación de calor en HPAs.

• Diseño de circuitos de potencia milimétricos complicado por interacción entre líneas de transmisión, componentes y recintos/encapsulados.

• Reducción en costos al aumentar la demanda de componentes.

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