ITU-R P 680-3 SPANISH-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 RECOMENDACIN UIT-R P.680-3 DATOS DE PROPAGACIN NECESARIOS PARA EL DISEO DE SISTEMAS DE TELECOMUNICACIN MVILES MARTIMOS TIERRA-ESPACIO (Cuestin UIT-R 207/3) (1990-1992-1997-1999) Rec. UIT-R P.680-3 La Asamblea de Radiocomunicaciones de la UIT, considerando a) que para la planifi

2、cacin adecuada de los sistemas de telecomunicacin mviles martimos Tierra-espacio es necesario disponer de datos de propagacin y mtodos de prediccin apropiados; b) que se recomiendan los mtodos de la Recomendacin UIT-R P.618 para la planificacin de los sistemas de telecomunicacin Tierra-espacio; c) q

3、ue es necesario desarrollar an ms los mtodos de prediccin para la aplicacin especfica a los sistemas mviles martimos por satlite con el fin de ofrecer una precisin adecuada para todas las condiciones de explotacin; d) que, sin embargo, se dispone de mtodos que permiten obtener una precisin suficient

4、e para muchas aplicaciones, recomienda 1 que se adopten los mtodos actuales contenidos en el Anexo 1 para la planificacin de los sistemas de teleco-municacin mviles martimos Tierra-espacio, adems de los mtodos indicados en la Recomendacin UIT-R P.618. ANEXO 1 1 Introduccin Las telecomunicaciones por

5、 enlaces Tierra-espacio para los sistemas del servicio mvil martimo por satlite (SMMS) conducen a problemas de propagacin que son sustancialmente diferentes de los que se plantean en el servicio fijo por satlite (SFS). Por ejemplo, los efectos de las reflexiones y de la dispersin producidas por la s

6、uperficie del mar pueden ser muy importantes; en particular cuando se utilizan antenas con anchuras de haz grandes. Adems, los sistemas del SMMS pueden trabajar en un mbito mundial incluyendo trayectos con ngulos de elevacin pequeos. En este Anexo se consideran los datos y modelos especficamente nec

7、esarios para caracterizar las degradaciones del trayecto mar-espacio, que comprenden: efectos troposfricos, incluida la atenuacin debida a la lluvia, la absorcin por los gases, la refraccin, el centelleo, y la propagacin anmala que se produce con ngulos de elevacin pequeos; efectos ionosfricos, como

8、 centelleo y rotacin de Faraday; efectos de reflexin en la superficie (trayectos mltiples debidos a trayectos secundarios como consecuencia de la reflexin de las ondas radioelctricas en la superficie del mar); efectos del entorno local (movimiento del barco y condiciones del mar); efectos de interfe

9、rencia ocasionados por el desvanecimiento diferencial entre la seal deseada y la seal interferente, ambas afectadas por desvanecimiento multitrayecto. 2 Rec. UIT-R P.680-3 2 Efectos troposfricos 2.1 Atenuacin Las prdidas de la seal en la troposfera se deben a los gases atmosfricos, la lluvia, la nie

10、bla y las nubes. Excepto para ngulos de elevacin bajos, la atenuacin troposfrica es insignificante en frecuencias inferiores a 1 GHz aproxima-damente, y normalmente es reducida en frecuencias de unos 10 GHz. Por encima de 10 GHz, la atenuacin puede ser grande durante porcentajes de tiempo considerab

11、les en muchos trayectos. Se dispone de mtodos de prediccin para estimar la absorcin por los gases (vase la Recomendacin UIT-R P.676) y la atenuacin debida a la lluvia (vase la Recomendacin UIT-R P.618). La atenuacin a causa de la niebla y de las nubes es generalmente insignificante en frecuencias de

12、 hasta 10 GHz. 2.2 Centelleo Las variaciones irregulares del nivel de la seal recibida y del ngulo de llegada se deben a la turbulencia troposfrica y a la propagacin por trayectos mltiples atmosfricos. Estos efectos son de mayor magnitud al aumentar la frecuencia y al disminuir el ngulo de elevacin

13、del trayecto, salvo que las fluctuaciones del ngulo de llegada debidas a la turbulencia son independientes de la frecuencia. La anchura del haz de la antena influye tambin en la magnitud de tales centelleos. Se ha observado que estos efectos alcanzan su mximo en el verano. En la Recomendacin UIT-R P

14、.618 se ofrece un mtodo de prediccin. 3 Efectos ionosfricos Los efectos ionosfricos (vase la Recomendacin UIT-R P.531) pueden ser importantes, particularmente en frecuencias inferiores a 1 GHz. Para mayor comodidad se han calculado en el Cuadro 1 para las frecuencias de 0,1, 0,25, 0,5, 1, 3 y 10 GHz

15、 y para un valor elevado del contenido total de electrones. 3.1 Centelleo ionosfrico Las irregularidades en la densidad electrnica de la ionosfera producen un enfoque o desenfoque refractivo de las ondas radioelctricas y conducen a fluctuaciones de amplitud denominadas centelleos. El centelleo ionos

16、frico es mximo en las proximidades del ecuador geomagntico y mnimo en las regiones de latitud media. Las zonas aurorales son tambin zonas de gran centelleo. El fuerte centelleo presenta una distribucin de Rayleigh en amplitud; el centelleo dbil tiene aproximadamente una distribucin log-normal. Estas

17、 fluctuaciones disminuyen al aumentar la frecuencia y dependen de la geometra del trayecto, la ubicacin de la estacin, la actividad solar y la hora local. El Cuadro 2 presenta datos sobre la profundidad de desvanecimiento en frecuencias de ondas mtricas y ondas decimtricas en latitudes medias, basad

18、os en la informacin de la Recomendacin UIT-R P.531. Junto con la fluctuacin de amplitud existe tambin una fluctuacin de fase. La densidad espectral de la fluctuacin de fase es proporcional a 1/f 3, donde f es la frecuencia de Fourier de la fluctuacin. Esta caracterstica espectral es similar a la que

19、 aparece en la fluctuacin de frecuencia de los osciladores y puede provocar una degradacin significativa de las caractersticas en un equipo de recepcin. 3.2 Rotacin de Faraday Una seal con polarizacin lineal, que se propaga a travs de la ionosfera, sufre una rotacin progresiva en el plano de polariz

20、acin. Los efectos se resumen en el Cuadro 1. La relacin axial de una onda incidente polarizada elpticamente puede aumentar o disminuir en la reflexin (en particular para ngulos pequeos), puesto que la rotacin de Faraday vara la orientacin del eje principal de polarizacin de la onda incidente. Esto e

21、s debido a la diferencia esperada en el coeficiente de reflexin para componentes horizontal y vertical, en la mayora de las situaciones de propagacin por trayectos mltiples. La rotacin de Faraday puede producir efectos notables en el funcionamiento de los sistemas de banda ancha. En ondas mtricas, n

22、o se pueden corregir completamente los efectos de rotacin diferencial actuando sobre la orientacin del eje de la antena cuando se trata de polarizacin lineal. Con una antena con polarizacin circular, el efecto se manifiesta en forma de desplazamientos de fase diferenciales de las componentes de la s

23、eal en toda la banda. Por lo tanto, las componentes de la seal de frecuencias diferentes pueden probablemente producir una distorsin selectiva en frecuencia y en fase. Rec. UIT-R P.680-3 3 CUADRO 1 Efectos estimados*de la ionosfera, para un trayecto unidireccional con un ngulo de elevacin de unos 30

24、 *(derivados de la Recomendacin UIT-R P.531) Efecto Dependencia de la frecuencia 0,1 GHz 0,25 GHz 0,5 GHz 1 GHz 3 GHz 10 GHz Rotacin de Faraday 1/ 230 vueltas 4,8 vueltas 1,2 vueltas 108 12 1,1 Retardo de propagacin 1/ 225 m s 4 m s 1 m s 0,25 m s 0,028 m s 0,0025 m s Refraccin 1/ 220 dB cresta a cr

25、esta 10 dB cresta a cresta 4 dB cresta a cresta *Esta estimacin se basa en un contenido total de electrones de 1018electrones/m2, valor elevado que se verifica en bajas latitudes en horas diurnas con alta actividad solar. *Los efectos ionosfricos por encima de 10 GHz son despreciables. (1)Valores ob

26、servados cerca del ecuador geomagntico durante las primeras horas de la noche (hora local) en el equinoccio en condiciones de un nmero de manchas solares elevado. CUADRO 2 Distribucin de la intensidad de los desvanecimientos debidos al centelleo ionosfrico (dB) Porcentaje de tiempo Frecuencia (GHz)

27、(%) 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. UIT-R P.680-3 4 Desvanecimiento debido a la reflexin en el mar 4.1 Profundidad del desvanecimiento El siguiente mtodo sencillo proporciona una estimacin aproximada de la potencia de la seal pro

28、pagada por trayectos mltiples o de la profundidad del desvanecimiento, adecuada para muchas aplicaciones en ingeniera. Condiciones aplicables: Gama de frecuencias: 0,8-8 GHz ngulo de elevacin: 5 qi 20 donde G(q ) es el diagrama de radiacin del lbulo principal de la antena y viene dado por la expresi

29、n: G (q ) = 4 10 4(10Gm/ 10 1) q2dBi (1) donde: Gm: valor de la ganancia mxima de antena (dBi) q : ngulo medido a partir de la direccin de puntera (grados) Polarizacin: circular Estado del mar: olas de altura entre 1 y 3 m (componente incoherente totalmente desarrollada). Paso 1: Hallar la ganancia

30、relativa de la antena, G, en la direccin del punto especular de reflexin. La ganancia de antena relativa viene dada por la ecuacin (1) de forma aproximada, donde q = 2 qi(grados). Paso 2: Aplicar frmulas de Fresnel para calcular el coeficiente de reflexin del mar para polarizacin circular, RC : RC=

31、RH+ RV2(polarizacin circular) (2a) donde: RH= sen qi h cos2 qisen qi+ h cos2 qi(polarizacin horizontal) (2b) RV= sen qi (h cos2 qi) / h2sen qi+ (h cos2 qi) / h2(polarizacin vertical) (2c) y h = er( f ) j 60 l s ( f ) donde: er() : permitividad relativa de la superficie, a la frecuencia f (segn la Re

32、comendacin UIT-R P.527) s () : conductividad (S/m) de la superficie, a la frecuencia f (segn la Recomendacin UIT-R P.527) l : longitud de onda en el espacio libre (m). En la Fig. 1 se representa un conjunto de curvas sobre la magnitud del coeficiente de reflexin de Fresnel en el mar, para una polari

33、zacin circular y para cinco frecuencias comprendidas entre 0,8 GHz y 8 GHz. Las curvas se han obtenido a partir de la ecuacin (2) con los parmetros elctricos correspondientes al agua de mar con un ndice de salinidad medio. Paso 3: Hallar el coeficiente difuso normalizado (relacin entre el componente

34、 difuso de reflexin y el coeficiente de reflexin para un estado del mar en calma), hI (dB), a partir de la Fig. 2. Rec. UIT-R P.680-3 5 0680-0111090358FIGURA 1Magnitud del coeficiente de reflexin de Fresnel, RC,en un mar de salinidad media y para la polarizacin circular0,10,00,10,20,30,40,50,60,70,8

35、0,91,0ngulo de elevacin (grados)MagnitudFrecuencia (GHz) = 0,81,5FIGURE 10680-01 6 Rec. UIT-R P.680-3 0680-0256789101121314151617181920Gm= 18 17 16 151413121190hI(dB)ngulo de elevacin (grados)6,05,04,03,02,01,00,0 1,0 2,0FIGURA 2Valor medio de los coeficientes difusos normalizados en la banda 0,8-8

36、GHzFIGURE 20680-02 Paso 4: La potencia incoherente media de las ondas reflejadas en el mar con respecto a la onda directa, Pr, se expresa mediante la ecuacin: Pr= G + R + hIdB (3) donde: R = 20 log RC dB (3a) con RCobtenido de la ecuacin (2). Paso 5: Suponiendo la distribucin de Nakagami-Rice, se ca

37、lcula la profundidad del desvanecimiento aplicando la expresin: A + 10 log 1 + 10Pr/ 10(4) donde A es la amplitud (dB), leda en el eje de ordenadas de la Fig. 3. Rec. UIT-R P.680-3 7 0680-031100 10 20 30 40 50110 50 8090 995 9858 5 8850,050,0750,1250,150,10,20,30,40,599,9 99,99 99,9990,0010,010,1a =

38、 0,025a =Potencia de multitrayectoPotencia totalFIGURA 3Distribucin de Nakagami-Rice para una potencia total constante con el par metro aAmplitud(dB)Probabilidad de que se exceda el valor de la ordenadaEn este caso, a =10 Pr/101 + 10 Pr/10FIGURE 30680-03 = xx cm 4.2 Espectro de frecuencia y estadsti

39、cas de la duracin de los desvanecimientos En general, la anchura de banda espectral aumenta al hacerlo la altura de las olas, el ngulo de elevacin, la velocidad del barco y el movimiento relativo de la antena a bordo del mismo (balanceo/cabeceo). La forma espectral depende poco de la polarizacin de

40、la antena, y la dependencia de la ganancia de la antena es reducida en el caso de ganancias inferiores a unos 10 dB. 8 Rec. UIT-R P.680-3 La anchura de banda espectral a 10 dB, f-10, es la anchura de banda en la cual la densidad de potencia disminuye a _10 dB con respecto a la densidad de potencia d

41、e cresta. La Fig. 4 muestra la gama probable de anchura de banda espectral a 10 dB del desvanecimiento debido a la propagacin por trayectos mltiples en la banda de 1,5 GHz obtenida por el modelo de desvanecimiento terico en funcin del ngulo de elevacin en las condiciones usuales de las comunicacione

42、s martimas por satlite (altura significativa de las olas de 1 a 5 m, velocidad del barco de 0 a 20 nudos y balanceo de 0 a 30 ). 0680-04510151100,1Altura de las olas: 1 mVelocidad del barco: 0 nudosBalanceo: 0Altura de las olas: 5 mVelocidad del barco: 20 nudosBalanceo: 30ngulo de elevacin (grados)

43、Anchura de bandaespectral,10(Hz)FIGURA 4Anchura de banda espectral a 10 dB del desvanecimiento por trayectos mltiples a 1,5 GHz debido a la reflexin en el mar en funcin del ngulo de elevacinFIGURE 40680-04 = xx cm Los valores medios de la duracin del desvanecimiento, , y el intervalo de ocurrencia d

44、e los desvanecimientos definidos en la Fig. 5 pueden obtenerse mediante el siguiente procedimiento utilizando la anchura de banda espectral a - 10 dB, f 10: = exp m( p)2/ 2 = ( 1 p / 100) donde: = 3 / f 10m = 2,33 0,847 a 0,144 a2 0,0657 a3a = log (100 p) para 70% p 99,9% Los valores previstos de y

45、durante el 99% del tiempo para ngulos de elevacin de 5 a 10 , van de 0,05 a 0,4 s para y de 5 a 40 s para . La funcin de densidad de probabilidad de TDy de TIen cualquier porcentaje de tiempo que vare del 50% al 99% se aproxima bien a la distribucin exponencial. Rec. UIT-R P.680-3 9 5 Interferencia

46、ocasionada por sistemas de satlite adyacentes 5.1 Generalidades En los sistemas de comunicaciones mviles por satlite, las amplitudes de la seal deseada del satlite y de una seal interferente producida por un satlite adyacente sufren fluctuaciones independientes, debido al desvanecimiento ocasionado

47、por la propagacin por trayectos mltiples, lo que exige un tratamiento diferente del que se aplica en los sistemas fijos por satlite. Un factor importante que hay que tener en cuenta son las estadsticas del desvanecimiento diferencial, es decir, de la diferencia de amplitud entre la onda directa y la

48、 onda interferente, sujetas ambas a desvanecimiento por trayectos mltiples. 0680-05TDTIRpFIGURA 5Duracin de los desvanecimientos e intervalo de ocurrenciade los desvanecimientosRp: nivel de seal para un porcentaje de tiempo dadoTiempoNivel de sealFIGURE 50680-05 = xx cm A continuacin se ofrece un mtodo prctico para predecir las estadsticas de la relacin seal/interferencia que tiene en cuenta el ruido trmico y la interferencia variable con el tiempo. 5.2 Mtodo de prediccin En general, se producen dos tipos de