Presupuesto de enlace por satélite con modelos de propagación del UIT-R: lluvia, absorción de gases y disponibilidad de Montecarlo

Por qué los enlaces satelitales son diferentes

Un enlace terrestre de microondas entre dos torres fijas tiene una pérdida de trayectoria predecible. Añada unos cuantos dB de margen de lluvia y termine. Los enlaces satelitales de más de 10 GHz son un problema diferente: la atenuación de la lluvia a 20 GHz puede superar los 20 dB durante un aguacero tropical; la absorción gaseosa del oxígeno y el vapor de agua añade entre 0,5 y 3 dB según el ángulo de elevación; el agua líquida de las nubes aporta entre 1 y 2 dB en ángulos de gran altitud; y todo el sistema debe alcanzar una disponibilidad específica (por ejemplo, el 99,9% del año, lo que significa que las interrupciones no superan las 8,76 horas al año).

El UIT-R ha publicado modelos de propagación que traducen las estadísticas de la tasa de lluvia en probabilidades de superación de la atenuación. El analizador presupuestario Satellite Link implementa directamente el P.618-13 (lluvia y centelleo), el P.676-13 (absorción de gases) y el P.840-8 (atenuación de nubes) (no se requiere una biblioteca externa) y los combina con una tasa de sobrelluvia de Montecarlo, una pérdida de puntería, una variación del EIRP y una variación G/T para producir curvas de disponibilidad anuales.

El ejemplo: enlace descendente de transmisión directa en banda Ka

El sistema objetivo es un enlace descendente de transmisión directa por satélite en banda Ka (19,7—20,2 GHz) a una antena parabólica de 60 cm en un clima marítimo templado (zona de lluvia K del UIT-R, R = 30 mm/hr).

Introduzca los siguientes parámetros de enlace:

Calcular el presupuesto nominal de cielo despejado

La pérdida de trayectoria en el espacio libre a 20 GHz sobre una distancia geográfica es:

La herramienta calcula que recibió el C/N0 a partir de los primeros principios:donde k = −228,6 dBw/k/Hz (constante de Boltzmann). Con un ángulo de elevación de 35°, el modelo de absorción gaseosa P.676 proporciona aproximadamente 0,8 dB de absorción de oxígeno y vapor de agua (esto varía significativamente con la humedad de la superficie; la herramienta utiliza la atmósfera de referencia estándar). La P.840 añade 0,3 dB de atenuación de las nubes para una trayectoria de agua líquida de 10 g/m².

Cielo despejado C/N0 = 52 − 209,5 − 0,8 − 0,3 + 12,8 + 228,6 = 82,8 dBHz. Con una frecuencia de símbolos de 45 Mbps (ancho de banda de ruido de 75,5 dBHz), Eb/N0 = 82,8 − 75,5 = 7,3 dB. El enlace se cierra con un margen de 0,1 dB en cielo despejado, es decir, sin margen de cielo despejado, lo que significa que todo margen meteorológico debe provenir de la especificación de disponibilidad.

ITU-R P.618 Atenuación de lluvia

El modelo de atenuación por lluvia P.618-13 calcula la atenuación superada un p% del año en una zona de lluvia determinada. El cálculo:

1. Calcula la atenuación específica de la lluvia: γ_R = k × r.^α, donde en un polo horizontal de 20 GHz, k ≈ 0,0751, α ≈ 1,099
2. Calcule la trayectoria inclinada efectiva en caso de lluvia: L_S = H_r/sin (θ), donde H_r ≈ 3,5 km (altura de la lluvia en latitudes medias) y θ = 35° de elevación
3. Aplica el factor de reducción horizontal r.
4. Calcula A.= γ_R × L_S × r.
5. Amplíe según otros porcentajes de disponibilidad utilizando la ley de potencia P.618 Eq. 6

Con un valor de 30 mm/h, la herramienta calcula un valor de A ± 12,8 dB, es decir, la atenuación por lluvia que supera el 0,01% durante todo el año (unos 52 minutos al año). Para una disponibilidad del 0,1% (disponibilidad de los enlaces del 99,9%), la escala proporciona aproximadamente 6,4 dB de atenuación por lluvia.

Con un margen de 0,1 dB en cielo despejado y un margen necesario de lluvia de 6,4 dB, hay que añadir un margen de atenuación total de 6,5 dB, ya sea mediante un EIRP (lado del satélite) más alto, una antena parabólica más grande o un Eb/N0 más bajo requerido (una modulación más sólida como la QPSK 1/2).

Montecarlo: curvas de disponibilidad con incertidumbre

El cálculo de la atenuación nominal de la lluvia asume que todo está en su valor de diseño exacto. En la práctica, el EIRP de los satélites varía ±1 dB a lo largo de su vida útil (borde del haz frente al centro, envejecimiento del transpondedor), la pérdida de puntería varía ±0,5 dB (viento, deformación térmica) y la distribución de la tasa de lluvia local es incierta (los límites de las zonas de lluvia de la UIT-R son aproximados).

Corre en Montecarlo con 100 000 pruebas que superen estas tolerancias. El resultado de la curva de disponibilidad muestra la disponibilidad anual mediana, del percentil 10 y del percentil 90 en función del margen de atenuación. Resultados clave:

Para garantizar una disponibilidad del 99,9% (la especificación) en el percentil 10 del rendimiento del sistema, se requieren 3 dB de margen de atenuación adicional. Esto implica aumentar el tamaño del disco de 60 cm a aproximadamente 75 cm (aumento de ganancia de 3 dB) o utilizar el transpondedor a una potencia mayor.

Modo terrestre frente a modo satélite

Cambie el tipo de enlace a «terrestre» para modelar un enlace fijo de microondas punto a punto utilizando el mismo modelo de lluvia (ahora una célula de lluvia de una sola capa en lugar de una trayectoria inclinada). Los coeficientes P.838 son idénticos; la longitud de la trayectoria en caso de lluvia se fija en función de la distancia del enlace, en lugar de calcularla a partir de la geometría orbital. Este modo es útil para comparar la trayectoria de un satélite con una ruta de retorno terrestre alternativa.

Qué significan los números desde el punto de vista operativo

Para un operador de transmisión comercial, una disponibilidad anual del 99,9% significa 8,76 horas de interrupción al año, lo que es aceptable para los servicios de entretenimiento no críticos. Para la seguridad aérea o las operaciones financieras, se requiere un 99,99% (52 minutos al año) o el 99,999% (5 minutos al año), cada uno de los cuales representa un margen de inversión adicional de 3 a 4 dB.

La salida de Montecarlo proporciona el margen necesario no solo para un único sistema nominal, sino también para toda la flota de terminales instaladas y durante toda la vida orbital del satélite. Esta es la diferencia entre un presupuesto en papel y un intervalo de confianza para la implementación.

[Analizador de presupuesto Satellite Link] (/tools/sat-link-budget)