Presupuesto de enlace satelital: lluvia, absorción y disponibilidad

Por qué los enlaces satelitales son diferentes

Hay algo que la mayoría de la gente no se da cuenta hasta que no ha desplegado un sistema satelital: un enlace terrestre de microondas entre dos torres fijas es casi aburrido una vez que se ha calculado la pérdida de trayectoria. Añada unos cuantos dB de margen de lluvia, tal vez rellénelo un poco si es cauteloso, y ya está. ¿Enlaces satelitales por encima de 10 GHz? Bestia completamente diferente.

La atenuación de la lluvia a 20 GHz puede provocar una pérdida de más de 20 dB durante un aguacero tropical, no una lluvia, sino una verdadera tormenta. Mientras tanto, la absorción gaseosa del oxígeno y el vapor de agua se queda ahí sin hacer ruido, añadiendo entre 0,5 y 3 dB, según el ángulo de elevación. El agua líquida de las nubes emite entre 1 y 2 dB más cuando miras hacia arriba desde ángulos altos. Y a pesar de todo esto, su sistema tiene que alcanzar un objetivo de disponibilidad específico, por ejemplo, el 99,9% del año, lo que suena muy bien hasta que se da cuenta de que todavía hay que tener en cuenta que todavía hay que tener en cuenta que siguen siendo 8,76 horas de interrupción al año.

El UIT-R ha publicado un conjunto de modelos de propagación que permiten traducir las estadísticas sobre la tasa de lluvia en probabilidades de superación de la atenuación con un significado físico real. El analizador presupuestario Satellite Link los implementa directamente: el P.618-13 para la lluvia y el centelleo, el P.676-13 para la absorción de gases y el P.840-8 para la atenuación de las nubes. Sin dependencias de bibliotecas externas, sin cálculos complejos. La herramienta combina estos modelos con una simulación de Montecarlo que varía la tasa de lluvia, la pérdida de puntos, el EIRP y el G/T para generar curvas de disponibilidad anuales que reflejen realmente la complicada realidad de los sistemas implementados.

El ejemplo: enlace descendente de transmisión directa en banda Ka

Analicemos un escenario real que aclare las diferencias. Estamos ante un enlace descendente de transmisión directa por satélite en banda Ka, específicamente la banda de 19,7 a 20,2 GHz, que alimenta una antena parabólica de 60 cm en algún lugar de clima marítimo templado. Esto nos sitúa en la zona pluviométrica K de la UIT-R, donde la tasa de lluvia supera el 0,01% del año (R) es de 30 mm/h. No es la peor zona de ninguna manera, pero tampoco es benigna.

Estos son los parámetros de enlace con los que estamos trabajando:

Ese requisito de Eb/N0 proviene de la codificación DVB-S2 8PSK 3/4, un esquema de modulación bastante agresivo que reduce la eficiencia espectral del ancho de banda disponible. Podría optar por el QPSK 1/2 para obtener más solidez, pero sacrificaría el rendimiento.

Cómo calcular el presupuesto nominal de Clear-Sky

Comience con lo básico. La pérdida de trayectoria en el espacio libre a 20 GHz a lo largo de una distancia GEO es sustancial:

Es un número grande, pero es determinista. La geometría no cambia (mucho, ya veremos).

La herramienta calcula la relación entre la densidad portadora y el ruido recibida partiendo de unos principios básicos:

donde k = −228,6 dBw/k/Hz es la constante de Boltzmann. Aquí es donde entra en juego la física atmosférica. Con un ángulo de elevación de 35°, el modelo de absorción gaseosa P.676 proporciona aproximadamente 0,8 dB de absorción combinada de oxígeno y vapor de agua. Este número varía considerablemente en función de la humedad y la temperatura de la superficie: la herramienta utiliza la atmósfera de referencia estándar de la UIT-R, pero en un despliegue real es conveniente comprobar las condiciones locales. El modelo de nubes P.840 añade otros 0,3 dB, suponiendo una trayectoria de agua líquida de 10 g/m², lo que es típico de las nubes que no llueven en latitudes medias.

Introduzca los números: cielo despejado C/N0 = 52 − 209,5 − 0,8 − 0,3 + 12,8 + 228,6 = 82,8 dBHz.

Con una velocidad de símbolos de 45 Mbps, el ancho de banda del ruido es de 10·log( 45×10) = 76,5 dBHz. Así que nuestro Eb/N0 = 82,8 − 76,5 = 6,3 dB. Espera, necesitamos 7,2 dB para que el decodificador DVB-S2 se bloquee de forma fiable. Nos faltan 0,9 dB incluso en cielo despejado.

De hecho, permítanme recalcularlo con más cuidado con el G/T exacto. Con una antena parabólica de 0,60 m con una eficiencia del 65%, la ganancia de recepción es de aproximadamente 10·log( τ· (π · d·F/C) ²) = 10·log( 0,65· (π · 0,6·20×107/3 × 10°) ²) ≈ 41,6 dBi. La temperatura del sistema es de 150 K (21,8 dBK), por lo que G/T = 41,6 − 21,8 = 19,8 dB/K. Permítanme corregir el valor de la tabla: los 12,8 dB/K eran demasiado pesimistas.

Con el G/T corregido: C/N0 = 52 − 209,5 − 0,8 − 0,3 + 19,8 + 228,6 = 89,8 dBHz. Eb/N0 = 89,8 − 76,5 = 13,3 dB. Ahora tenemos un margen de 13,3 − 7,2 = 6,1 dB de cielo despejado. Mucho mejor. Pero espera, todo ese margen se lo va a tragar la lluvia.

ITU-R P.618 Atenuación por lluvia

El modelo de atenuación por lluvia P.618-13 es donde las cosas se ponen interesantes. Calcula la atenuación superada durante el p% del año en función de la zona de lluvia y la geometría. La secuencia de cálculo:

1. Atenuación específica por lluvia: γ_R = k × r.^α. Con una polarización horizontal de 20 GHz, los coeficientes P.838 son k ≈ 0,0751 y α ≈ 1,099. Con R = 30 mm/h, γ_R = 0,0751 × 30^1,099 ≈ 2,85 dB/km.

1. Trayectoria inclinada efectiva a través de la lluvia: L_S = (H_r − H_s) /sin (θ), donde H_r es la altura de la lluvia (unos 3,5 km en latitudes medias según los datos de la isoterma de 0 °C), H_s es la altura de la estación (suponiendo el nivel del mar) y θ = 35° de elevación. Así que L_S = 3,5/sin (35°) ≈ 6,1 km.

1. Factor de reducción horizontal: La trayectoria real a través de la lluvia es más corta que la trayectoria inclinada geométrica porque las células de lluvia tienen una extensión horizontal finita. En el P.618 se aplica un factor de reducción r, que depende de la latitud y la frecuencia. A 45 °N y a 20 GHz, r = 0.36.

1. La atenuación superó el 0,01% del año: A.= γ_R × L_S × r.= 2,85 × 6,1 × 0,36 ≈ 6,3 dB. Esta es la profundidad de atenuación que se supera aproximadamente en 52 minutos al año.

1. Escala a otros percentajes: La ecuación 6 de P.618 proporciona una escala basada en la ley de potencias. Durante el 0,1% del año (disponibilidad del 99,9%), la atenuación es aproximadamente de A ± 0,4 ≈ A ± 0,12 ≈ 0,76 dB. Espera, eso no coincide con lo que dije antes. Permítanme recalcular usando la fórmula exacta del P.618, que es más compleja que una simple ley de potencia e incluye la dependencia de la latitud y la frecuencia.

En realidad, el modelo P.618 usa: A_p = A.× (p/0.01) ^ [− (0.655 + 0.033·ln (p) − 0.045·ln (A.) − β· (1−p) ·sin (θ))] donde β es una función de la latitud. Para p = 0,1% y nuestra geometría, esto da como resultado A0,4 ≈ 3,2 dB.

Por lo tanto, con un margen de 6,1 dB en cielo despejado y 3,2 dB de atenuación por lluvia con una disponibilidad del 99,9%, tenemos un margen residual de 6,1 − 3,2 = 2,9 dB. Eso es cerrar las puertas, pero técnicamente cierra el enlace.

Montecarlo: curvas de disponibilidad con incertidumbre

Este es el problema del cálculo nominal: se parte del supuesto de que todo se encuentra exactamente en su valor central de diseño. En el mundo real, el EIRP de un satélite oscila ± 1 dB a lo largo de la vida útil de la nave espacial: estás en el centro del haz cuando el satélite está fresco, pero a medida que envejece y el transpondedor se degrada, es posible que bajes 0,8 dB. La pérdida de puntería varía de ± 0,5 dB debido a la carga de viento sobre la antena parabólica, a la expansión térmica de la montura e incluso al peso de la acumulación de hielo en invierno. ¿Y los límites de las zonas de lluvia de la UIT-R? Se trata de ajustes estadísticos para datos escasos de pluviómetros. Su ubicación real podría ser un 20% más húmeda que el promedio de la zona.

Realice una simulación de Montecarlo con 100 000 ensayos, variando el EIRP (± 1 dB uniforme), la pérdida de puntería (de 0 a 1 dB), la G/T (± 0,5 dB) y la tasa de lluvia (± 20% respecto a lo normal). 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 agregado:

Mira esa columna del percentil 10. Para garantizar una disponibilidad del 99,9% (según sus especificaciones) en el décimo percentil del rendimiento del sistema (es decir, el 90% de los terminales que ha implementado cumplen con las especificaciones), necesita 3 dB de margen de atenuación adicional por encima del cálculo nominal.

¿Cómo se obtienen 3 dB? Aumente el tamaño del plato de 60 cm a aproximadamente 75 cm (eso es un aumento de ganancia de 3 dB con la apertura más grande). O utilice el transpondedor de satélite a una potencia mayor, si tiene el presupuesto de alimentación de corriente continua y el margen térmico. O cámbiese a una modulación más sólida (QPSK 1/2 en lugar de 8PSK 3/4), pero reducirá la velocidad de datos casi a la mitad.

La mayoría de los operadores lo subestiman. Diseñan pensando en la mediana de los casos y luego reciben llamadas enojadas cuando el 10% de su base de clientes pierde la atención durante las tormentas. El Monte Carlo te indica qué margen necesitas realmente para dormir por la noche.

Modo terrestre frente a modo satélite

Cambie el tipo de enlace a «terrestre» en la herramienta y estará modelando un enlace fijo de microondas punto a punto utilizando el mismo modelo de lluvia de la UIT-R, pero ahora es una célula de lluvia de una sola capa en lugar de una trayectoria inclinada a través de la atmósfera. Los coeficientes de atenuación específicos del P.838 son idénticos; la diferencia es que la longitud de la trayectoria en caso de lluvia es solo la distancia del enlace y no se calcula a partir de la geometría orbital y la altura de la lluvia.

Este modo es útil cuando comparas la ruta de un satélite con una ruta de retorno terrestre alternativa. Supongamos que estás intentando decidir entre un salto por satélite en banda Ka y un enlace terrestre de 23 GHz a lo largo de 15 km. Misma zona de lluvia, misma banda de frecuencia (aproximadamente), pero con geometrías de trayectoria muy diferentes. De hecho, la conexión terrestre podría tener una atenuación más grave debido a la lluvia, ya que la totalidad de la ruta de 15 km puede quedar sumergida en la lluvia, mientras que la trayectoria inclinada por satélite solo cruza 6 km de altura de lluvia a 35° de altitud.

Qué significan los números desde el punto de vista operativo

Para un operador de radiodifusión comercial, la disponibilidad anual del 99,9% se traduce en 8,76 horas de interrupción al año. Eso es aceptable para los servicios de entretenimiento: nadie te va a demandar porque se haya perdido la mitad de un partido de fútbol durante una tormenta eléctrica.

Para las comunicaciones de seguridad aérea o los enlaces comerciales financieros, se necesita un 99,99% (52 minutos al año) o incluso un 99,999% (5,2 minutos al año). Cada «nueve» adicional le cuesta aproximadamente entre 3 y 4 dB de margen, lo que se traduce directamente en la potencia del satélite, en el tamaño de la antena o en ambos factores. Un enlace del 99,999% puede necesitar una antena parabólica de 2 metros, mientras que un enlace del 99,9% podría funcionar con 60 cm.

La salida de Montecarlo le brinda el margen necesario no solo para que un único sistema nominal funcione en perfectas condiciones, sino también para toda su flota de terminales desplegadas y durante los 15 años de vida orbital del satélite. Esta es la diferencia entre un presupuesto en papel que se ve muy bien en PowerPoint y un intervalo de confianza para la implementación que realmente predice el rendimiento sobre el terreno. La mayoría de los ingenieros se saltan este paso y se arrepienten más adelante cuando compran vajillas más grandes para reacondicionar a clientes enfadados.

Analizador de presupuesto Satellite Link