Orçamento de links de satélite com modelos de propagação ITU-R: chuva, absorção gasosa e disponibilidade de Monte Carlo

Por que os links de satélite são diferentes

Uma ligação terrestre de micro-ondas entre duas torres fixas tem uma perda de caminho previsível. Adicione alguns dB de margem de chuva e pronto. Links de satélite acima de 10 GHz são uma categoria diferente de problema: a atenuação da chuva a 20 GHz pode exceder 20 dB durante uma chuva tropical; a absorção gasosa de oxigênio e vapor d'água aumenta 0,5—3 dB dependendo do ângulo de elevação; a água líquida da nuvem contribui com mais 1—2 dB em ângulos de elevação elevados; e todo o sistema deve atingir uma disponibilidade especificada (por exemplo, 99,9% do ano — o que significa que as interrupções não excedem 8,76 horas por ano).

O ITU-R publicou modelos de propagação que traduzem estatísticas de taxa de chuva em probabilidades de excedência de atenuação. O Satellite Link Budget Analyzer implementa diretamente P.618-13 (chuva e cintilação), P.676-13 (absorção gasosa) e P.840-8 (atenuação de nuvem) diretamente — sem necessidade de biblioteca externa — e os associa a um Monte Carlo sobre a taxa de chuva, perda de pontuamento, variação EIRP e variação G/T para produzir curvas de disponibilidade anual.

O exemplo: Downlink de transmissão direta de banda Ka

O sistema alvo é um downlink de transmissão direta via satélite de banda Ka (19,7—20,2 GHz) para uma antena de consumo de 60 cm em um clima marítimo temperado (zona de chuva K da ITU-R, R.= 30 mm/h).

Insira os seguintes parâmetros de link:

Calculando o orçamento nominal do Clear-Sky

A perda de caminho de espaço livre a 20 GHz em relação à distância GEO é:

“BLOCO MATEMÁTICO_0"

A ferramenta calcula o C/N0 recebido dos primeiros princípios:

“BLOCO MATEMÁTICO_1"

onde k = −228,6 dBW/k/Hz (constante de Boltzmann). Em um ângulo de elevação de 35°, o modelo de absorção gasosa P.676 fornece aproximadamente 0,8 dB de absorção de oxigênio e vapor de água (isso varia significativamente com a umidade da superfície — a ferramenta usa a atmosfera de referência padrão). P.840 adiciona 0,3 dB de atenuação de nuvem para um caminho de água líquida de 10 g/m².

Céu claro C/N0 = 52 − 209,5 − 0,8 − 0,3 + 12,8 + 228,6 = 82,8 dBHz. Com uma taxa simbólica de 45 Msps (largura de banda de ruído de 75,5 dBHz), Eb/N0 = 82,8 − 75,5 = 7,3 dB. O link fecha com margem de 0,1 dB em céu claro — essencialmente sem margem de céu claro, o que significa que toda margem climática deve vir da especificação de disponibilidade.

Atenuação de chuva ITU-R P.618

O modelo de atenuação de chuva P.618-13 calcula a atenuação excedida em p% do ano em determinada zona de chuva. O cálculo:

1. Calcule a atenuação específica da chuva: γ_R = k × R․ .․ ^α onde, em 20 GHz, pol horizontal, k ≈ 0,0751, α ≈ 1,099
2. Calcule o caminho inclinado efetivo na chuva: L_S = H_r/sin (θ), onde H_r ≈ 3,5 km (altura da chuva em latitude média) e θ = elevação de 35°
3. Aplique o fator de redução horizontal r⇛ .⇛
4. Calcule A.= γ_R × L_S × r.2,000
5. Escale para outras porcentagens de disponibilidade usando a lei de potência P.618 Eq. 6

Em R.= 30 mm/h, a ferramenta calcula A․ .․ ≈ 12,8 dB — isto é, a atenuação da chuva excedeu 0,01% do ano (cerca de 52 minutos por ano). Para disponibilidade de 0,1% (disponibilidade de links de 99,9%), a escala fornece aproximadamente 6,4 dB de atenuação da chuva.

Com 0,1 dB de margem de céu claro e 6,4 dB de margem de chuva necessária, um total de 6,5 dB de margem de desvanecimento deve ser adicionado — seja por meio de EIRP maior (lado do satélite), antena maior ou Eb/N0 menor necessário (modulação mais robusta, como QPSK 1/2).

Monte Carlo: curvas de disponibilidade com incerteza

O cálculo da atenuação nominal da chuva pressupõe que tudo esteja em seu valor de projeto exato. Na prática, o EIRP do satélite varia ± 1 dB ao longo da vida útil do satélite (borda do feixe versus centro, envelhecimento do transponder), a perda de apontamento varia ± 0,5 dB (vento, deformação térmica) e a distribuição local da taxa de chuva é incerta (os limites da zona de chuva ITU-R são aproximados).

Execute Monte Carlo com 100.000 testes acima dessas tolerâncias. A saída da curva de disponibilidade mostra a disponibilidade anual mediana, do 10º percentil e do 90º percentil em função da margem de redução. Principais resultados:

Para garantir disponibilidade de 99,9% (a especificação) no décimo percentil do desempenho do sistema, são necessários 3 dB de margem de redução adicional. Isso significa aumentar o tamanho do prato de 60 cm para aproximadamente 75 cm (aumento de ganho de 3 dB) ou operar o transponder com maior potência.

Modo terrestre versus satélite

Mude o tipo de link para “terrestre” para modelar um link fixo de micro-ondas ponto a ponto usando o mesmo modelo de chuva (agora uma célula de chuva de camada única em vez de um caminho inclinado). Os coeficientes P.838 são idênticos; o comprimento do caminho através da chuva é fixado pela distância do link, em vez de ser calculado a partir da geometria orbital. Esse modo é útil para comparar um caminho de satélite com uma rota alternativa de backhaul terrestre.

O que os números significam operacionalmente

Para uma operadora de transmissão comercial, disponibilidade anual de 99,9% significa 8,76 horas de interrupção por ano, o que é aceitável para serviços de entretenimento não essenciais. Para segurança da aviação ou negociação financeira, são necessários 99,99% (52 minutos por ano) ou 99,999% (5 minutos por ano), cada um representando um investimento adicional de margem de 3 a 4 dB.

A saída de Monte Carlo oferece a margem necessária não apenas para um único sistema nominal, mas para toda a frota de terminais instalados e durante a vida orbital do satélite. Essa é a diferença entre um orçamento de links impressos e um intervalo de confiança de implantação.

[Analisador de orçamento de links via satélite] (/tools/sat-link-budget)