ITU-R P 1814 SPANISH-2007 Prediction methods required for the design of terrestrial free-space optical links《设计地面自由空间光链路所需要的预测方法》.pdf

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1、 Rec. UIT-R P.1814 1 RECOMENDACIN UIT-R P.1814*Mtodos de prediccin necesarios para disear enlaces pticos terrenales en espacio libre (Cuestin UIT-R 228/3) (2007) Cometido En esta Recomendacin se describen mtodos de prediccin de la propagacin adecuados para la planificacin de sistemas pticos terrenal

2、es en espacio libre. Se incluyen mtodos para calcular la atenuacin en aire despejado, niebla y con precipitaciones de lluvia o nieve. Abarca adems centelleo y degradaciones producidos por la luz solar. La Asamblea de Radiocomunicaciones de la UIT, considerando a) que se dispone del espectro ptico vi

3、sible y del espectro infrarrojo para las radiocomunicaciones en los entornos terrestres; b) que para la adecuada planificacin de los sistemas de radiocomunicaciones pticas en el espacio libre (FSO, free-space optical) que funcionan en el espectro ptico visible y el espectro infrarrojo, es indispensa

4、ble disponer de los datos de propagacin pertinentes; c) que se han elaborado mtodos de clculo de los parmetros de propagacin ms importantes necesarios para la planificacin de los sistemas pticos en el espacio libre que funcionan en el espectro ptico visible y el espectro infrarrojo; d) que estos mto

5、dos se han contrastado con datos disponibles y han demostrado tener una precisin compatible con la variabilidad natural de los fenmenos de propagacin, y adecuada para la mayora de las aplicaciones actuales en la planificacin de los sistemas que funcionan en el espectro ptico visible y el espectro in

6、frarrojo, reconociendo a) que en el nmero 78 del artculo 12 de la Constitucin de la UIT se establece que una de las funciones del Sector de Radiocomunicaciones incluye, . realizar estudios sin limitacin de gamas de frecuencias y adoptar Recomendaciones ., recomienda 1 que en la planificacin de los s

7、istemas pticos en el espacio libre se utilicen los mtodos de prediccin de los parmetros de propagacin que figuran en el Anexo 1, de acuerdo con los correspondientes lmites de validez all indicados. NOTA 1 En la Recomendacin UIT-R P.1817 Datos de propagacin necesarios para disear enlaces pticos terre

8、nales en espacio libre, figura informacin complementaria sobre los mtodos de prediccin de la propagacin en el espectro ptico visible y el espectro infrarrojo. *Esta Recomendacin debe sealarse a la atencin de las Comisiones de Estudio 1 y 9 de Radiocomunicaciones. 2 Rec. UIT-R P.1814 Anexo 1 1 Introd

9、uccin Durante el diseo de los enlaces FSO es indispensable considerar diversos efectos, entre otros, las prdidas provocadas por absorcin atmosfrica, la dispersin y la turbulencia, el medio ambiente en los microclimas y los efectos locales, la distancia y el desalineamiento del enlace. Adems, se debe

10、 tener en cuenta la seleccin de la longitud de onda, la velocidad de transmisin de los datos, las cuestiones relativas a la seguridad de los ojos y la radiacin solar ambiente. El funcionamiento del sistema FSO exige la condicin de visibilidad directa (LoS, line-of-sight). Cuando se realizan pruebas

11、de LoS, como los sistemas FSO utilizan expansin de haz y un haz de rayos paralelos luminosos, el despejamiento necesario entre el centro del haz y cualquier obstculo es esencialmente igual al radio del haz. En el caso de los sistemas de radiofrecuencia (RF) la situacin es diferente, ya que se requie

12、re el despejamiento de la zona de Fresnel. El inconveniente principal de los sistemas FSO es su vulnerabilidad a los efectos atmosfricos, tales como la atenuacin y el centelleo, que pueden reducir la disponibilidad del enlace. La utilizacin de un haz estrecho hace que el alineamiento del terminal de

13、 comunicaciones lser sea una etapa ms crtica de lo que es habitual en los sistemas de RF. La consideracin del balance de potencia supone un parmetro esencial para disear los enlaces FSO. El margen del enlace, Menlace(dB), que representa la potencia disponible por encima de la sensibilidad del recept

14、or, est dado por la ecuacin (1): Menlace= Pe Sr Ageo Aatmo Acentelleo Asistema(1) siendo: Pe(dBm): potencia total del transmisor Sr(dBm): sensibilidad del receptor que depende tambin de la anchura de banda (velocidad de transmisin de datos) Ageo(dB): atenuacin geomtrica del enlace provocada por la d

15、ispersin del haz de transmisin que se produce al aumentar el alcance Aatmo(dB): atenuacin atmosfrica debida a la absorcin y la dispersin Acentelleo(dB): atenuacin provocada por las turbulencias atmosfricas Asistema(dB): representa las dems prdidas dependientes del sistema, entre otras, el desalineam

16、iento de la direccin del haz, las prdidas pticas del receptor, las prdidas por fluctuacin lenta del haz, la reduccin de la sensibilidad debida a la luz ambiente (radiacin solar), etc. En los siguientes puntos se expone la definicin y el clculo de estos trminos, as como las consideraciones iniciales

17、para planificar un enlace FSO. 2 Consideraciones iniciales en el diseo de un enlace FSO La eleccin de un emplazamiento adecuado para el enlace supone una cuestin importante a la hora de lograr el funcionamiento satisfactorio de un sistema FSO. En la instalacin de enlaces FSO es necesario tener en cu

18、enta las condiciones meteorolgicas predominantes, los obstculos fsicos y los Rec. UIT-R P.1814 3 tipos de superficie en el trayecto, as como las disposiciones de montaje del transceptor a fin de asegurar una calidad de funcionamiento ptima del enlace. 2.1 Condiciones meteorolgicas Las condiciones me

19、teorolgicas, y en particular el clima local, en las proximidades inmediatas del trayecto del enlace seleccionado influirn en las repercusiones de la nieve, la lluvia, la niebla y la llovizna, la neblina, los aerosoles, el polvo y la arena que propiciarn la absorcin y dispersin de la seal transmitida

20、. 2.2 Caractersticas del trayecto Es evidente que se deben evitar los obstculos fsicos en el trayecto entre transmisor y receptor. Cabe sealar que los rboles maduros pueden aumentar su altura entre 0,5 y 1 m por ao y variar la densidad de su follaje en funcin de la temporada. En el caso de enlaces e

21、ntre edificios deben tenerse en cuenta los vientos ascendentes o trmicos que producen aire caliente a lo largo del trayecto. La turbulencia resultante puede provocar un centelleo significativo en el receptor. La topografa y el tipo de superficie por debajo del trayecto de visibilidad directa del FSO

22、 pueden repercutir considerablemente en la calidad de funcionamiento del enlace. Los enlaces FSO que atraviesan valles fluviales o zonas de mar abierto, se ven expuestos a menudo al fenmeno de la niebla. Las estructuras de los edificios por debajo del enlace pueden causar actividad trmica adicional

23、en el aire que se encuentra por encima de ellas, lo que puede provocar un aumento del centelleo en la seal recibida. 2.3 Montaje del transceptor La mayora de los sistemas FSO emplean anchos de haz estrechos, y, en consecuencia, el alineamiento preciso entre transmisor y receptor se vuelve crtico; cu

24、alquier desalineamiento puede conducir a una prdida significativa de la seal. El montaje del telescopio debe mantenerse estable, y para lograr una calidad de funcionamiento fiable durante un determinado perodo de tiempo se considera esencial realizar un montaje directo en un muro slido o en la parte

25、 superior de una columna. Debe minimizarse el movimiento resultante de un aumento trmico diferencial o de las sacudidas provocadas por el viento. 3 Atenuacin geomtrica Aun en condiciones de tiempo despejado, el haz diverge y, por consiguiente, el detector recibe menos potencia de la seal. La atenuac

26、in provocada por la dispersin del haz de transmisin cuando aumenta el alcance se denomina atenuacin geomtrica y se expresa mediante la ecuacin (2): =capturadgeoSSA10log10)dB( (2) siendo: Scaptura: superficie de captura del receptor (m2) Sd: superficie del haz de transmisin a la distancia d, que se a

27、proxima mediante: 2)(4= dSdsiendo: 4 Rec. UIT-R P.1814 : divergencia del haz (mrad) d: distancia entre transmisor y receptor (km). En los enlaces cortos puede suceder que la zona de captura sea mayor que la zona del haz. En estos casos, el valor de Ageodebe fijarse a cero ya que se recoge toda la en

28、erga del haz. 4 Atenuacin atmosfrica especfica atmodebida a la absorcin y la dispersin La atenuacin atmosfrica especfica atmo(dB/km) puede expresarse como una suma de dos trminos: atmo= tiempo_despejado+ exceso(3) siendo: tiempo_despejado: atenuacin especfica en condiciones de tiempo despejado (debi

29、da a la presencia de molculas gaseosas) exceso: atenuacin provocada por la presencia ocasional de niebla, bruma, neblina, llovizna, lluvia, nieve, granizo, etc. La atmsfera es un medio de transmisin que vara en el tiempo y, en consecuencia, atmoes un proceso estocstico. No obstante, con arreglo a la

30、 ecuacin (1), cuando se establecen lmites para la disponibilidad del sistema y sus efectos, stos se tratan, por lo general, estadsticamente. El margen del enlace, Menlace, representa la cantidad de atenuacin que puede tolerar un sistema a una distancia determinada. 4.1 Atenuacin especfica en tiempo

31、despejado tiempo_despejado La atenuacin en condiciones de tiempo despejado es esencialmente la atenuacin debida a la absorcin provocada por molculas gaseosas. La interaccin entre los fotones y los tomos o las molculas (N2, O2, H2, H2O, CO2, O2, etc.) genera absorcin atmosfrica a longitudes de onda p

32、ticas especficas, que da lugar a la absorcin del fotn incidente y a una elevacin de la temperatura. El coeficiente de absorcin depende: del tipo de molculas de gas; y de su concentracin. La absorcin molecular es un fenmeno selectivo en cuanto a longitud de onda que ofrece ventanas de transmisin atmo

33、sfrica y regiones de absorcin atmosfrica. Las molculas atmosfricas importantes que se caracterizan por una gran absorcin en la banda del infrarrojo (IR) son, entre otras, el agua, el CO2, el O3y el O2. Como el tamao de las molculas gaseosas es mucho ms pequeo que la longitud de onda, la atenuacin po

34、r dispersin provocada por dichas molculas es despreciable. Normalmente, las longitudes de onda del lser se seleccionan de modo que caigan dentro de las ventanas de transmisin atmosfrica, a fin de que el valor de tiempo_despejadosea despreciable. Por lo general, las longitudes de onda que se emplean

35、en los sistemas FSO estn prximas a 690, 780, 850 y 1 550 nm. No obstante, en comparacin con emplazamientos suburbanos con escasa contaminacin, las aplicaciones en zonas urbanas densas con alto contenido de aerosol podran tener ms ventajas con una longitud de onda diferente. 4.2 Atenuacin en exceso e

36、specfica Se trata de la atenuacin causada por la presencia ocasional de partculas de niebla, bruma, neblina, llovizna, lluvia y nieve. La aparicin de estas partculas provoca una redistribucin angular del flujo Rec. UIT-R P.1814 5 incidente, conocida como dispersin, y reduce la propagacin de flujo en

37、 el sentido original. Sin embargo, no hay prdida de energa similar al caso de la absorcin. El tamao fsico de las fuentes de dispersin con respecto a la longitud de onda del lser de transmisin permite determinar el tipo de dispersin. En el Cuadro 1 figuran los tres diferentes regmenes de dispersin qu

38、e dependen del tamao de la fuente de dispersin y de la relacin aproximada entre la longitud de onda y el coeficiente de atenuacin de la fuente de dispersin (seccin transversal efectiva). El cuadro muestra, adems, el tipo de fuentes de dispersin de cada rgimen correspondiente a las longitudes de onda

39、 en el espectro visible e infrarrojo. CUADRO 1 Regmenes de dispersin en funcin del tamao de la fuente de dispersin r con relacin a la longitud de onda del lser de transmisin . Adems, se muestra la relacin aproximada entre la longitud de onda y el coeficiente de atenuacin de dicha fuente Q() Dispersi

40、n de Rayleigh Dispersin de Mie Dispersin no selectivao geomtrica r Q()0Tipo de fuente de dispersin Molculas de aire Neblina Neblina Niebla Aerosol Niebla Lluvia Nieve Granizo Debido a la relacin Q()4del rgimen de Rayleigh la contribucin de la dispersin por molculas de aire al coeficiente de atenuaci

41、n total se puede considerar despreciable. Si las partculas son mucho ms grandes que la longitud de onda, la dispersin puede describirse mediante la ptica geomtrica, es decir, de modo independiente de la longitud de onda del lser. Las gotas de lluvia, la nieve, el granizo, las gotitas que forman las

42、nubes y la niebla intensa dispersarn geomtricamente la luz del lser. En el caso de partculas con un tamao comparable a la longitud de onda del lser, podr aplicarse la teora de la dispersin de Mie. Las partculas de niebla y aerosol son los principales contribuyentes al proceso de dispersin de Mie. Pu

43、ede utilizarse un mtodo analtico que permite efectuar las predicciones de la atenuacin especfica basndose en las secciones transversales efectivas de las partculas atmosfricas, obtenidas tericamente, con distribuciones hipotticas del tamao de las partculas. No obstante, es difcil modelar y medir las

44、 distribuciones del tamao de las partculas del aerosol o la niebla, que es un parmetro esencial para determinar sus propiedades fsicas y pticas. 4.2.1 Clculo de la atenuacin especfica provocada por la niebla niebla(dispersin de Mie) Como a menudo no es prctico aplicar el mtodo analtico para calcular

45、 la atenuacin provocada por la dispersin de Mie, la comunidad FSO ha adoptado mtodos empricos, en los cuales el coeficiente de atenuacin debida a la dispersin de Mie est relacionado con la visibilidad. La definicin tcnica de visibilidad o gama visual es la distancia a la que la luz disminuye al 2% d

46、e la potencia original o, cualitativamente, la visibilidad es la distancia a la que es apenas posible distinguir un objeto oscuro contra el horizonte. El parmetro visibilidad puede medirse y almacenarse fcilmente en las bases de datos de las estaciones meteorolgicas o los aeropuertos, 6 Rec. UIT-R P

47、.1814 posibilitando una evaluacin de la calidad de funcionamiento geo-local de estos sistemas de telecomunicaciones mediante la distribucin de este parmetro. Sin embargo, puede que los datos de visibilidad recogidos en los aeropuertos no representen necesariamente las condiciones tpicas que aparecen

48、 en entornos urbanos o rurales, que pueden diferir considerablemente en trminos de topografa y proximidad al agua. A continuacin se presenta una frmula emprica simplificada que ha estado siendo utilizada por la comunidad FSO para calcular la atenuacin especfica provocada por la niebla, niebla() (dB/km): qnieblaV=nm55091,3)( (4) siendo: V: visibilidad (km) : longitud de onda (nm) q: coeficiente que depende de la distribucin del tamao de las partculas de la dispersin. Se determin a