ITU-R P 680-3 FRENCH-1999 PROPAGATION DATA REQUIRED FOR THE DESIGN OF EARTH-SPACE MARITIME MOBILE TELECOMMUNICATION SYSTEMS《地对空海上移动通信系统设计所需求的传播数据》.pdf

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1、 Rec. UIT-R P.680-3 1 RECOMMANDATION UIT-R P.680-3 DONNES DE PROPAGATION NCESSAIRES POUR LA CONCEPTION DE SYSTMES DE TLCOMMUNICATION MOBILES MARITIMES TERRE-ESPACE (Question UIT-R 207/3) (1990-1992-1997-1999) Rec. UIT-R P.680-3 LAssemble des radiocommunications de lUIT, considrant a) que, pour plani

2、fier convenablement les systmes de tlcommunication mobiles maritimes Terre-espace, il est ncessaire de disposer de donnes de propagation et de mthodes de prvision appropries; b) que les mthodes de la Recommandation UIT-R P.618 sont recommandes pour la planification de systmes de tlcommunication Terr

3、e-espace; c) que de nouveaux dveloppements des mthodes de prvision pour des applications spcifiques aux systmes mobiles maritimes par satellite sont ncessaires pour donner une prcision adquate dans toutes les conditions dexploitation; d) quil existe toutefois des mthodes donnant une prcision suffisa

4、nte dans de nombreuses applications, recommande 1 que lon adopte les mthodes actuelles exposes dans lAnnexe 1 pour la planification des systmes de tlcommunication mobiles maritimes Terre-espace, ces mthodes sajoutant celles qui sont prconises dans la Recommandation UIT-R P.618. ANNEXE 1 1 Introducti

5、on Les tlcommunications sur des liaisons Terre-espace pour les systmes satellites du service mobile maritime conduisent des problmes de propagation qui diffrent sensiblement des problmes qui se posent dans le service fixe par satellite. Par exemple, les effets des rflexions et de la diffusion dues l

6、a surface de la mer sur les signaux reus se font srieusement ressentir, en particulier dans les cas o lon utilise des antennes ayant un faisceau grande ouverture. De plus, les systmes mobiles maritimes satellites peuvent fonctionner sur une base mondiale, y compris sur des trajets dont les angles dl

7、vation sont peu levs. La prsente Annexe tudie les donnes et les modles spcifiquement ncessaires pour caractriser les diffrentes dgradations sur les trajets mer-espace, savoir: effets troposphriques, y compris affaiblissement d la pluie, absorption par les gaz, rfraction, scintillation et propagation

8、 anormale se produisant pour de faibles angles dlvation; effets ionosphriques tels que scintillation et rotation de Faraday; effets de la rflexion due la surface (propagation par trajets multiples en raison de trajets secondaires dus la rflexion des ondes radiolectriques sur la surface de la mer); e

9、ffets de lenvironnement local (mouvements des navires et tat de la mer); effets du brouillage dus lvanouissement slectif entre un signal utile et un signal brouilleur, affects tous deux par des vanouissements par trajets multiples. 2 Rec. UIT-R P.680-3 2 Effets troposphriques 2.1 Affaiblissement Les

10、 affaiblissements du signal dans la troposphre sont causs par les gaz atmosphriques, la pluie, le brouillard et les nuages. Exception faite du cas o les angles dlvation sont peu levs, laffaiblissement troposphrique est ngligeable aux frquences infrieures environ 1 GHz et il est gnralement faible jus

11、qu environ 10 GHz. Au-dessus de 10 GHz, laffaiblissement peut tre fort pendant des pourcentages importants du temps sur de nombreux trajets. On dispose de mthodes de prvision pour valuer labsorption par les gaz (voir la Recommandation UIT-R P.676) et laffaiblissement d aux prcipitations (voir la Rec

12、ommandation UIT-R P.618). Laffaiblissement par le brouillard et les nuages est normalement ngligeable pour des frquences allant jusqu 10 GHz. 2.2 Scintillation Les variations irrgulires du niveau du signal la rception et de langle darrive sont occasionnes par la turbulence troposphrique et par les v

13、anouissements atmosphriques dus des trajets multiples. Ces effets deviennent plus importants mesure que la frquence augmente et que langle dlvation du trajet diminue, mais les fluctuations de langle darrive imputables la turbulence sont indpendantes de la frquence. Louverture de lantenne influe auss

14、i sur lamplitude de ces scintillations. Cest lt que lon constate le niveau maximum de ces effets. La Recomman-dation UIT-R P.618 prsente une mthode de prvision. 3 Effets ionosphriques Les effets ionosphriques (voir la Recommandation UIT-R P.531) peuvent tre importants, notamment aux frquences infrie

15、ures 1 GHz. Par commodit, ces effets ont t calculs pour les frquences de 0,1; 0,25; 0,5; 1; 3 et 10 GHz; ils sont prsents dans le Tableau 1 pour les valeurs leves du contenu lectronique total (CET) indiques. 3.1 Scintillation ionosphrique Les htrognits de la densit lectronique de lionosphre provoque

16、nt, par rfraction, une focalisation ou une dfocalisation des ondes radiolectriques, conduisant des fluctuations damplitude appeles scintillations. La scintillation ionosphrique est maximale au voisinage de lquateur magntique et minimale aux latitudes moyennes. Les zones aurorales sont aussi des rgio

17、ns forte scintillation. Dans le cas des fortes scintillations, les amplitudes obissent la loi de distribution de Rayleigh; pour les scintillations plus faibles, la loi de distribution est sensiblement du type log-normal. Ces fluctuations diminuent quand la frquence augmente; elles dpendent de la gom

18、trie du trajet, de lemplacement, de la saison, de lactivit solaire et de lheure locale. Le Tableau 2 donne des valeurs de la profondeur des vanouissements dans les gammes des ondes mtriques et dcimtriques aux latitudes moyennes, daprs les donnes de la Recommandation UIT-R P.531. La fluctuation dampl

19、itude est accompagne dune fluctuation de phase. La densit spectrale de la fluctuation de phase est proportionnelle 1/3, o est la frquence de Fourier de la fluctuation. Cette caractristique spectrale, semblable celle produite par le papillotement de frquence dans les oscillateurs, peut dgrader trs se

20、nsiblement la qualit de fonctionnement des rcepteurs. 3.2 Rotation de Faraday Lorsquelle se propage dans lionosphre, une onde polarisation rectiligne y subit une rotation progressive dans le plan de la polarisation. Les effets sont rsums au Tableau 1. Le rapport axial dune onde incidente polarisatio

21、n elliptique peut augmenter ou diminuer aprs rflexion (notamment pour de faibles angles dincidence) puisque la rotation de Faraday modifie lorientation de laxe principal de polarisation de londe incidente. Ce fait rsulte de la diffrence des coefficients de rflexion entre les composantes verticale et

22、 horizontale laquelle on peut sattendre dans la plupart des cas de trajets multiples. La rotation de Faraday peut avoir des effets notables sur les performances des systmes large bande. On ne peut pas corriger entirement les effets de rotation diffrentielle pour les ondes mtriques en agissant sur lo

23、rientation de laxe de lantenne lorsquelle est polarisation rectiligne. Si lantenne est polarisation circulaire, leffet se manifeste sous forme de dphasages diffrentiels des composantes du signal dans toute la bande. Par suite, les composantes du signal de frquences diffrentes seront probablement suj

24、ettes une distorsion slective en frquence et en phase. Rec. UIT-R P.680-3 3 TABLEAU 1 Valeurs estimes*des effets ionosphriques pour un angle dlvation denviron 30 dans le cas dune propagation dans un seul sens*(daprs la Recommandation UIT-R P.531) Effet Variation en fonction de la frquence 0,1 GHz 0,

25、25 GHz 0,5 GHz 1 GHz 3 GHz 10 GHz Rotation de Faraday 1/ 230 tours 4,8 tours 1,2 tours 108 12 1,1 Temps de propagation 1/ 225 m s 4 m s 1 m s 0,25 m s 0,028 m s 0,0025 m s Rfraction 1/ 220 dB crte-crte 10 dB crte-crte 4 dB crte-crte *Ces estimations sont fondes sur un contenu lectronique total CET d

26、e 1018lectrons/m2, qui est une valeur leve du CET observe de jour aux basses latitudes en priode de forte activit solaire. *Les effets ionosphriques au-dessus de 10 GHz sont ngligeables. (1)Valeurs observes prs de lquateur gomagntique pendant les premires heures de la nuit (heure locale) lquinoxe, p

27、our un nombre lev de taches solaires. TABLEAU 2 Distribution de la profondeur des vanouissements dus la scintillation ionosphrique aux latitudes moyennes (dB) Pourcentage du temps Frquence (GHz) (%) 0,1 0,2 0,5 1 1,0 5,9 1,5 0,2 0,1 0,5 9,3 2,3 0,4 0,1 0,2 16,6 4,2 0,7 0,2 0,1 25,0 6,2 1,0 0,3 4 Rec

28、. UIT-R P.680-3 4 Evanouissement d la rflexion sur la surface de la mer 4.1 Profondeur dvanouissement La mthode simple dcrite ci-aprs fournit des estimations approximatives de la puissance lie la propagation par trajets multiples ou de la profondeur dvanouissement, appropries pour de nombreuses appl

29、ications techniques. Conditions dapplication: Gamme de frquences: 0,8-8 GHz Angle dlvation: 5 qi 20 o G(q ) est le diagramme de rayonnement du lobe principal de lantenne, dcrit par: G (q ) = 4 10 4(10Gm/ 10 1) q2dBi (1) o: Gm: valeur maximale du gain dantenne (dBi) q : angle mesur partir de la ligne

30、 de vise (degrs) Polarisation: circulaire Etat de la mer: vagues de 1 3 m (la composante incohrente est totalement dveloppe). Etape 1: Dterminer le gain relatif dantenne G dans la direction du point spculaire de rflexion. Le gain relatif dantenne se calcule approximativement par lquation (1) dans la

31、quelle q = 2 qi(degrs). Etape 2: Calculer le coefficient de rflexion de Fresnel de la mer pour la polarisation circulaire, RC : RC= RH+ RV2(polarisation circulaire) (2a) o:RH= sin qi h cos2 qisin qi+ h cos2 qi(polarisation horizontale) (2b) RV= sin qi (h cos2 qi) / h2sin qi+ (h cos2 qi) / h2(polaris

32、ation verticale) (2c) et h = er( f ) j 60 l s ( f ) o: er() : permittivit relative de la surface la frquence f (daprs la Recommandation UIT-R P.527) s () : conductivit (S/m) de la surface la frquence f (daprs la Recommandation UIT-R P.527) l : longueur donde en espace libre (m). Un ensemble de courb

33、es est donn dans la Fig. 1 et indique la valeur du coefficient de rflexion de Fresnel de la mer pour la polarisation circulaire concernant cinq frquences comprises entre 0,8 et 8 GHz. Les courbes sont obtenues au moyen de lquation (2) avec des paramtres lectriques correspondants de leau de mer dune

34、salinit moyenne. Etape 3: Dterminer le coefficient de diffusion normalis (rapport entre la composante de diffusion de la rflexion et le coefficient de rflexion par mer calme), hI(dB), laide de la Fig. 2. Rec. UIT-R P.680-3 5 0680-0111090358FIGURE 1Valeur du coefficient de rflexion de Fresnel, pour l

35、a polarisation circulaire, RC, de leau de mer dune salinit moyenne0,10,00,10,20,30,40,50,60,70,80,91,0Angle dlvation (degrs)Valeurdu coefficient derflexionFrquence (GHz) = 0,81,5FIGURE 10680-01 6 Rec. UIT-R P.680-3 0680-0256789101121314151617181920Gm= 18 17 16 151413121190hI(dB)FIGURE 2Coefficients

36、de diffusion normaliss moyens dans la gamme de frquences 0,8-8 GHzAngle dlvation (degrs)6,05,04,03,02,01,00,0 1,0 2,0FIGURE 20680-02 Etape 4: La puissance incohrente moyenne des ondes rflchies par la mer, relative celle de londe directe Pr,estdonne par lquation: Pr= G + R + hIdB (3) o: R = 20 log RC

37、 dB (3a) avec RCcalcul laide des formules (2). Etape 5: Dans lhypothse dune distribution de Nakagami-Rice, on estime la profondeur dvanouissement partir de lexpression: A + 10 log 1 + 10Pr/ 10(4) o A est lamplitude (dB) lue sur lordonne de la Fig. 3. Rec. UIT-R P.680-3 7 0680-031100 10 20 30 40 5011

38、0 50 8090 995 9858 5 88599,9 99,99 99,9990,050,0750,10,1250,150,20,30,40,50,0010,010,1a = 0,025Amplitude (dB)FIGURE 3Distribution de Nakagami-Rice pour une puissance totale constante avec le paramtre aa =puissance par trajets multiplespuissance totaleDans ce cas, a =Probabilit pour que la valeur en

39、ordonne soit dpasse10 Pr/101 + 10 Pr/10FIGURE 30680-03 = xx cm 4.2 Spectre de frquences et statistiques de la dure des vanouissements En gnral, la largeur de bande spectrale augmente avec la hauteur de la vague, de langle dlvation, de la vitesse de dplacement du navire et du mouvement relatif de lan

40、tenne place bord de celui-ci (roulis/tangage). Linfluence de la polarisation de lantenne sur la forme du spectre est faible et linfluence du gain de lantenne est peu leve pour des gains infrieurs 10 dB environ. 8 Rec. UIT-R P.680-3 La largeur de bande spectrale 10 dB, f 10, se dfinit comme la largeu

41、r de bande dans laquelle la densit de puissance dcrot 10 dB par rapport la densit de puissance de crte. La Fig. 4 indique le domaine probable de la largeur de la bande spectrale 10 dB pour des vanouissements par trajets multiples dans la bande des 1,5 GHz, obtenu en utilisant le modle thorique dvano

42、uissement en fonction de langle dlvation, pour des conditions habituelles dans les communications maritimes par satellite (hauteur des vagues de 1 5 m, vitesse du navire de 0 20 noeuds et roulis de 0 30 ). 0680-04510151100,1FIGURE 4Largeur de bande spectrale 10 dB en fonction de langle dlvation, 1,5

43、 GHz, pour des vanouissements par trajets multiplesdus la rflexion sur la surface de la merHauteur des vagues: 5 mVitesse du navire: 20 nudsRoulis: 30Hauteur des vagues: 1 mVitesse du navire: 0 nudRoulis: 0Angle dlvation (degrs)Largeurdebande spectrale,10(Hz)FIGURE 40680-04 = xx cm Des valeurs moyen

44、nes de la dure des vanouissements, , et de lintervalle entre vanouissements, , dfinis sur la Fig. 5, peuvent tre obtenues par les formules suivantes, en utilisant la largeur de bande spectrale 10 dB, f 10: = exp m( p)2/ 2 = ( 1 p / 100) o: = 3 / f 10m = 2,33 0,847 a 0,144 a2 0,0657 a3a = log (100 p)

45、 pour 70% p 99,9% Les valeurs prvues de et de pour 99% du temps et pour des angles dlvation compris entre 5 et 10 sont comprises entre 0,05 et 0,4 s pour et entre 5 et 40 s pour . Les fonctions de densit de probabilit de TDet de TIsont proches de la distribution exponentielle pour les pourcentages d

46、u temps compris entre 50% et 99%. Rec. UIT-R P.680-3 9 5 Brouillages provenant de systmes satellites adjacents 5.1 Gnralits Dans les systmes de tlcommunication mobiles satellites, lamplitude du signal utile provenant du satellite et celle dun signal brouilleur manant dun satellite adjacent subissent

47、 des fluctuations de niveau indpendantes en raison de lvanouissement par trajets multiples, ce qui exige, par rapport aux systmes fixes satellites, un traitement diffrent. Lun des points essentiels rside cet gard dans les statistiques dvanouissement diffrentiel, cest-dire la diffrence damplitude entre londe directe et londe brouilleuse, subissant toutes deux un vanouissement par trajets multiples. 0680-05TDTIRpFIGURE 5Dure des vanouissements et intervalle entre vanouiss