UNIVERSIDAD DE CARABOBOFACULTAD DE INGENIERA ESCUELA DE INGENIERA EN TELECOMUNICACIONESDEPARTAMENTO DE ELECTROMAGNETISMO Y RADIACININGENIERA DE LAS COMUNICACIONES II

INFLUENCIA DE LOS HIDROMETEOROS EN LOS RADIO ENLACES DE MICROONDAS

Elaborado por:Penagos C., Luz M. C.I. 17800974Jimnez S., Wilder D. C.I. 20180922

Brbula, 26 de Noviembre de 2013ndiceI. Introduccin.3II. Interacciones atmosfricas...3III. Casos de precipitaciones..6IV. Medidas de lluvia.7V. Formas de la gota de lluvia..8VI. Atenuacin por lluvia...8VII. No-disponibilidad por lluvia9VIII. Comportamiento de la precipitacin para establecer modelos de propagacin. Rec. UIT-R PN-837.12IX. Calculo de la atenuacin por lluvia. Rec. UIT-R P-530..14X. Estadsticas sobre la duracin de los sucesos y su nmero.15XI. Calculo de cobertura de un sistema real..16XII. PathLoss..17XIII. Desvanecimiento plano19XIV. Bibliografa..19

I. Introduccin.Los factores climticos son factores adicionales que afectan la propagacin de ondas electromagnticas. Factores como el viento, temperatura del aire o contenido de agua en la atmsfera se pueden combinar en muchas formas. Ciertas combinaciones pueden ser positivas, ya que pueden causar que estas seales puedan transportarse a travs de miles de kilmetros. Sin embargo, otras diferentes combinaciones pueden causar ciertas atenuaciones que afectan las capacidades y el ptimo funcionamiento de estos sistemas de comunicacin.En este caso, se profundizar ms en el caso de la influencia de hidrometeoros en los radioenlaces de microondas, las diversas interacciones atmosfricas que tienen con respecto a estos sistemas. Los clculos de los efectos climticos sobre la propagacin de ondas, resultaran mucho ms fcil si no hubiese agua o vapor de agua en la atmsfera. Sin embargo como podemos saber, existen y en distintos estados (gaseoso, lquido o slido), y siempre esta presente en todas partes del planeta, en algunos claramente mas que en otros.

II. Interacciones Atmosfricas.La existencia del agua en la atmsfera crea diversas consecuencias sobre los sistemas de comunicaciones, que posteriormente deben ser tomados en cuenta para optimizar y poder tener estos sistemas en funcionamiento correcto. La entidad de estos factores dependen del trayecto recorrido, de la longitud de onda con respecto a la frecuencia de trabajo y por supuesto de las condiciones climticas presentes durante todo el trayecto, y generalmente intervienen dos mecanismos principales: la dispersin y la absorcin.En el caso de la dispersin, se trata de una difusin de la radiacin producida por partculas de la atmsfera y se pueden considerar tres mecanismos principales: dispersin de Rayleigh, dispersin de Mie y dispersin no selectiva. La dispersin de Rayleigh es consecuencia de la interaccin de la radiacin con molculas de los gases atmosfricos y con otras partculas pequeas de dimetro mucho menor que la longitud de onda de la frecuencia con la que interaccionan. Este efecto es inversamente proporcional a la 4ta potencia de la longitud de onda, tal como se representa en la siguiente figura.

Figura 1. Energa vs Longitud de ondaEn consecuencia existir mayor tendencia a dispersar las longitudes de onda ms cortas. El azul del cielo se debe a este efecto: en ausencia de este efecto, el cielo aparecera negro, pero como la atmsfera dispersa sobretodo las cortas longitudes de onda (como el azul en el rango de espectro visible) el cielo nos aparece azul. La dispersin de Rayleigh es una de las causas primarias de nebulosidad en muchas imgenes que ven as reducida su nitidez o contraste. La dispersin de Mie se produce cuando los dimetros de las partculas atmosfricas son esencialmente iguales a la longitud de onda de la radiacin (vapor de agua, polvo fino, etc.) y tiende a influenciar la radiacin de longitudes de onda mayores que las afectadas por la dispersin de Rayleigh. La dispersin no selectiva constituye un fenmeno mucho ms molesto que los anteriores y se produce cuando los dimetros de las partculas que producen la dispersin son mucho mayores que las longitudes de onda con que interaccionan. Un ejemplo tpico lo constituyen pequeas gotas de agua con dimetros comprendidos entre 5 y 100 mm que dispersan en igual forma todas las radiaciones en las regiones visible e IR cercano y medio. Al ser su dispersin no selectiva respecto a la longitud de onda ocurrir que en el espectro visible se dispersan en igual proporcin las radiaciones azules, verdes y rojas, con la consecuencia de que las nubes y la niebla aparecen blancas.Para el caso de la absorcin, contrariamente a lo que ocurre en la dispersin, se produce una transferencia de energa de la radiacin a los constituyentes atmosfricos. Este mecanismo implica absorcin de energa de determinada o determinadas longitudes de onda. Desde este punto de vista los absorbentes ms eficaces de radiacin solar son las molculas de agua, de dixido de carbono y ozono. La absorcin selectiva de ciertas longitudes de onda por estas molculas hace que la atmsfera constituya un medio opaco para ciertos rangos espectrales, mientras que ofrezca ventanas libres de absorcin para otros rangos. A travs de dichas ventanas deben mirar los satlites de observacin. En la figura 2 se observan los efectos combinados que diversos componentes atmosfricos ejercen sobre la radiacin electromagntica solar en el rango de 0.1 a 3mm a travs de la absorcin, dispersin y eventual reflexin en nubes.

Figura 2. Radiacin electromagntica solar vs Longitud de onda.

III. Casos de precipitaciones.Como se ha discutido anteriormente, se conoce que existen tres distintos estados del agua (Gaseoso, lquido y slido), por lo que cada tipo de precipitacin, sea lluvia, niebla, granizo o nieve, genera distintos tipos de efectos y consecuencias sobre los sistemas de comunicacin de radio enlaces de microondas. La atenuacin por lluvia, es la que mas genera consecuencias negativas sobre las comunicaciones que los dems tipos de precipitacin. Este efecto puede ser causado por absorcin, en el cual la gota, actuando como un dielctrico muy pobre, absorbe potencia de la onda electromagntica y la disipa por dispersin. En la figura 3, se puede apreciar grficamente el efecto. Se debe acotar, que las gotas causan mayor atenuacin por dispersin que por absorcin para frecuencias mayores de 2 GHz, y a medida que estas frecuencias van aumentando el efecto atenuante tambin aumenta, esto se profundizar mas adelante cuando se discuta acerca del clculo de atenuacin por lluvia.

Figura 3. Efecto de dispersin de una onda por una gota de lluvia.Para el caso de la niebla, como esta queda suspendida en la atmosfera, la atenuacin es calculada por la cantidad de agua por unidad de volumen que existe en el lugar, y por el tamao de las gotas. Esta atenuacin se considera de poca importancia para frecuencias menores a 2 GHz, mas toma mayor protagonismo a medida que la frecuencia aumenta.Para los casos de nieve y granizo, el efecto de dispersin es difcil de calcular gracias a los tamaos irregulares y las formas de los copos de nieve. Pero aunque la informacin de los efectos de atenuacin por nieve o granizo son limitados, cientficos asumen que la atenuacin por nieve es mucho menor que la atenuacin por lluvia. Esto se debe principalmente a que la densidad de la lluvia puede ser ocho veces mayor que la densidad de una nevada. Por ende, la lluvia precipitndose a 1 una pulgada por hora puede tener mayor cantidad de agua por pulgada cubica que la nieve precipitndose a la misma tasa.IV. Medidas de LluviaLas precipitaciones se miden en mm, y la intensidad de precipitacin se mide en mm por hora. Existen varios dispositivos para realizar estas mediciones (pluvimetros), como por ejemplo:

Figura 4. Medidores de lluvia tpicosEl tiempo de integracin es el tiempo entre lecturas de la precipitacin, por esto es un parmetro muy importante Valores tpicos para el tiempo de integracin son 1 min, 5 min, 10 min, 1 hora, 1 da. En clculos de enlace se debe utilizar un tiempo de integracin de 1 minuto.

Figura 5. ndice de lluvia y tiempo de integracin

V. Formas de la Gota de LluviaA medida que las gotas de lluvia crecen en tamao, se alejan de la forma esfrica. Esta desviacin de la forma esfrica provoca que las gotas de lluvia estn ms extendidas en la direccin horizontal y consecuentemente atenuarn ms las ondas polarizadas horizontalmente que las ondas polarizadas verticalmente. Esto significa que la polarizacin vertical es favorable a altas frecuencias, donde el corte debido a la lluvia es dominante.

Figura 6. Forma de la gota de lluvia

VI. Atenuacin por lluvia.Aunque la atenuacin causada por la lluvia puede despreciarse para frecuencias por debajo de 2 GHz, sta debe incluirse en los clculos de diseo a frecuencias superiores donde su importancia aumenta rpidamente. Para calcular el tiempo de corte provocado por la lluvia debemos conocer la cantidad total de gotas de lluvia dentro de la zona de Fresnel (volumen de espacio entre el emisor de una onda electromagntica y el receptor), as como sus tamaos individuales. La atenuacin se puede calcular utilizando: (1)Donde N: es la distribucin del tamao de la gota de lluvia y Q es la atenuacin de una partcula a la frecuencia dada f.Sin embargo calcular la atenuacin por la frmula anterior es complicado ya que realmente es difcil hacer un recuento del nmero de gotas de lluvia existentes y medir sus tamaos individuales. Un mtodo sencillo es medir la cantidad de lluvia que golpea el suelo en un cierto intervalo. A esto se le denomina ratio de lluvia. La conexin entre ratio de lluvia R y N(a) viene dada por: (2)Donde V(D) es la velocidad terminal de la gota de lluvia. Tanto la velocidad terminal como las distribuciones de gotas de lluvias tpicas han sido estudiadas atentamente y son bien conocidas. Por lo tanto, es posible estimar la atenuacin sin ms que considerar el ratio de lluvia nicamente.

VII. No-disponibilidad por LluviaLongitud efectiva del vano. Como la lluvia tiende a agruparse, solo se ver afectado ciertas partes del vano (distancia entre los equipos) del radioenlace. La longitud efectiva del vano viene dada por la siguiente ecuacin: (3)Para R>100mm/h y d es la longitud del vano en Km, R es la intensidad de lluvia en mm/h para el 0.01% del tiempo.

Figura 7. Longitud efectiva del vano

La atenuacin especfica debida a la lluvia puede calcularse a partir de la Recomendacin UIT-R 838. La atenuacin especfica se obtiene a partir de la intensidad de lluvia mediante la ley exponencial: (4)Donde y son unas constantes que dependen de la frecuencia y de la polarizacin de la onda electromagntica. Algunos valores de y para distintas frecuencias y polarizaciones lineales (horizontal y vertical) se muestran en la siguiente tabla. En la recomendacin UIT-R 838 se proporcionan un mayor nmero de valores. Para obtener valores a frecuencias intermedias se recomienda aplicar interpolacin, utilizando una escala logartmica para la frecuencia y para , y una escala lineal para . De la tabla se deduce que la atenuacin es ligeramente superior para polarizacin horizontal que para vertical. Esto se debe simplemente a la forma que adquieren las gotas de lluvia por el rozamiento durante la cada.

Frecuencia (GHz)Polarizacin horizontalPolarizacin vertical

60.001751.3080.001551.265

80.004541.3270.003951.310

100.01011.2760.008871.264

200.07511.0990.06911.065

300.1871.0210.1671.000

400.3500.9390.3100.929

600.7070.8260.6420.824

1001.120.7431.060.744

Tabla 1. Coeficientes de regresin para estimar el valor de la atenuacin especfica.En la figura 4 se representan curvas de atenuacin especfica por lluvia en funcin de la frecuencia y para distintos valores de precipitacin. Como puede observarse, la atenuacin especfica crece rpidamente para frecuencias por encima de 10 GHz. Para una tasa de precipitacin de R = 50 mm/h se obtienen valores de atenuacin especfica mayores de 10 dB/km para frecuencias superiores a 30 GHz. Por lo tanto, la lluvia es un problema serio en sistemas de radiocomunicaciones que operen a frecuencias milimtricas.

Figura 8. Atenuacin especfica para distintas intensidades de lluvia.Conviene indicar por ltimo que en todos los clculos anteriores se considera propagacin en trayectos horizontales y polarizaciones lineales. Si se tiene una inclinacin de la polarizacin con respecto a la horizontal o un determinado ngulo de elevacin en el trayecto, entonces los valores de k y de la tabla deben modificarse por medio de las siguientes frmulas de correccin extradas de la misma Recomendacin ITU-R 838.

(5)

(6)Los valores de son coeficientes representados para cada polarizacin (vertical u horizontal).

VIII. Comportamiento de la precipitacin para establecer modelos de propagacin. Rec. UIT-R PN-837.Para la prediccin de la atenuacin producida por la lluvia se necesita informacin sobre las estadsticas de la intensidad de precipitacin. En la Recomendacin UIT-R PN.837 se proporcionan valores de R excedidos durante determinados porcentajes de tiempo y para distintas zonas hidrometeorolgicas mundiales. La Recomendacin UIT-R P.837 contiene mapas de parmetros meteorolgicos obtenidos utilizando la base de datos de anlisis ERA-40 del Centro Europeo de Prediccin Meteorolgica a Plazo Medio (CEPMPM) que se recomienda para predecir las estadsticas del ndice de pluviosidad en un tiempo de integracin de 1 mm cuando se han perdido las mediciones locales.Las estadsticas de ndice de pluviosidad con tiempo de integracin de un minuto se requieren para la prediccin de la atenuacin debida a la lluvia en los enlaces terrenales y de satlite. Pueden obtenerse datos de fuentes locales referentes a mediciones a largo plazo del ndice de pluviosidad, pero nicamente con tiempos de integracin superiores. Esta Recomendacin ofrece un mtodo para la conversin de estadsticas de ndice de pluviosidad con tiempo de integracin ms alto en estadsticas de ndice de pluviosidad con tiempo de integracin de un minuto.Esta Recomendacin sugiere que para obtener la intensidad de lluvia , sobrepasada durante cualquier porcentaje del ao medio , y en cualquier emplazamiento (con un tiempo de integracin de 1 min), se utilice el modelo que incluye su Anexo 1, titulado como: Modelo para obtener la intensidad de lluvia rebasada para una probabilidad porcentual determinada del ao medio y en un emplazamiento dado.En este modelo se deben extraer variables de distintos procesos estadsticos que por ejemplo pueden ser alcanzados por el Centro Europeo de Prediccin Meteorolgica a Plazo Medio (CEPMPM). En este centro se extraen distintas variables con respecto a diferentes predicciones anexadas en distintas puntos ubicados por latitud y longitud en el mapa global. Estos pasos se pueden obtener en la pgina de UIT-R PN-837. En donde se obtuvo que para calcular el porcentaje de probabilidad de lluvia en un ao medio , mediante la siguiente expresin:

(7)Los valores de y de , se obtienen como fue dicho anteriormente de distintos centros de informacin meteorolgica, como el CEPMPM.Finalmente para obtener la intensidad de lluvia , sobrepasada durante el del ao medio, donde se utiliza la siguiente expresin:

(8)Donde:

(9) (10) (11)De esta manera, se puede ejemplificar que para una zona en la que llueve ms de 42 mm/h durante menos del 0,01% del tiempo, se debe tomar en cuenta, que si queremos que nuestro sistema presente una disponibilidad del 99,99%, ser necesario realizar el diseo del mismo teniendo en cuenta una intensidad de lluvia R = 42 mm/h a la hora de calcular las atenuaciones.

IX. Clculo de la atenuacin por lluvia. Rec. UIT-R P-530.La Rec. UIT-R P.530 establece el procedimiento para calcular la atenuacin producida por la lluvia a largo plazo. Esta atenuacin se calcula como: (12)Donde (dB/km) es la atenuacin especfica para la frecuencia, polarizacin y tasa de precipitacin (superada el 0,01% del tiempo) de inters, y es la longitud efectiva del trayecto. Esta longitud efectiva del trayecto de lluvia se calcula a partir de la longitud del trayecto real por medio de unas frmulas indicadas en dicha Recomendacin. Luego la frmula anterior proporcionar la atenuacin por lluvia superada el 0,01%, es decir, para un diseo de disponibilidad del sistema del 99,99%. Si se desea calcular la atenuacin excedida durante otro porcentaje de tiempo comprendido en la gama de 0,001% a 1%, entonces puede utilizarse la siguiente ley exponencial: (13)Finalmente, conviene indicar que el procedimiento de prediccin indicado anteriormente se considera vlido en todo el mundo, al menos para frecuencias de hasta 40 GHz y distancias de hasta 60 km.

X. Estadsticas sobre la duracin de los sucesos y su nmero.Aunque se dispone todava de poca informacin sobre la distribucin global de la duracin de los desvanecimientos, hay algunos datos, as como un modelo emprico, de estadsticas especficas tales como la duracin media de un suceso de desvanecimiento y el nmero de esos sucesos. La diferencia observada entre los valores medios y medianos de la duracin indica, sin embargo, una asimetra en la distribucin global de la duracin. Adems, hay pruebas fehacientes de que la duracin de los sucesos de desvanecimiento en condiciones de lluvia es mucho mayor que en condiciones de propagacin por trayectos mltiples.Un suceso de atenuacin se define aqu como el exceso de atenuacin A, durante un cierto periodo de tiempo (por ejemplo, 10 segundos o bien un periodo de un tiempo superior). La relacin entre el nmero de sucesos de atenuacin, N(A), la duracin media, Dm(A), de tales sucesos y el tiempo total, T(A), durante el cual la persistencia del exceso de atenuacin A, es superior a una duracin determinada, viene dada por: (14)Tomando la ecuacin de atenuacin que mide el nmero de sucesos de desvanecimiento en los que se sobrepasa el valor de la atenuacin A, durante 10 segundos o ms representada por: (15)Sobre la base de un conjunto de mediciones efectuadas en un trayecto de 15 km a 18 GHz en la pennsula escandinava, los valores de k y calculados para un periodo de un ao son: (16)Una vez que se ha obtenido por medio de la ecuacin anterior, la duracin media de los sucesos de desvanecimiento de 10 segundos o ms puede calcularse invirtiendo la ecuacin .Segn el mencionado conjunto de mediciones (en un trayecto de 15 km a 18 GHz en la pennsula escandinava), el 95% a 100% de todos los sucesos de lluvia cuya atenuacin fue superior a unos 15 dB puede atribuirse a la indisponibilidad. Conocida esa proporcin, la disponibilidad se obtiene multiplicndola por el porcentaje total de tiempo durante el que se sobrepasa un determinado valor de la atenuacin A.

XI. Calculo de cobertura de un sistema real.Los clculos de la atenuacin por lluvia en un radioenlace se utilizan para realizar el diseo de cobertura o alcance del sistema de radiocomunicaciones dado un cierto valor de disponibilidad o calidad de servicio. Por ejemplo, supongamos un radioenlace funcionando a una frecuencia de 40 GHz con polarizacin vertical. De la tabla 1 se obtienen unos coeficientes k = 0,310 y = 0,929. Las prdidas de propagacin del sistema sern, en una primera aproximacin, las prdidas en espacio libre, las prdidas por absorcin atmosfrica y las prdidas por lluvia. Estas prdidas totales se representan en la figura 5 en funcin de la distancia de propagacin y para distintos valores de disponibilidad.

Figura 9. Atenuacin de propagacin del sistema para distintas disponibilidades o calidades de servicio.Suponiendo una potencia transmitida de +23 dBm, una ganancia de la antena transmisora de 12 dB, una ganancia de la antena receptora de 30 dB y una sensibilidad del receptor de 75 dBm, se tiene un valor mximo para las prdidas de propagacin de 140 dB. Luego fijando este requisito se puede deducir de la figura 5 el alcance o cobertura de nuestro sistema. En este caso, para una disponibilidad del 99,99% por ejemplo, se obtiene un alcance de 1,4 km. Este es un valor tpico de cobertura para sistemas MVDS (Microwave Video Distribution System).XII. PathLossEl PathLoss es un software comnmente utilizado hoy en da para realizar clculos de alcance para enlaces de microondas en telecomunicaciones. Funciona cargando una serie de base de datos como datos topogrficos, climticos y parmetros fsicos de los equipos que se utilizan para estos enlaces, como las antenas y los radios.Entre los datos fsicos del enlace, estn los campos de altura de las antenas, azimuth, coordenadas de cada punto. Una vez creado el enlace se carga la data del terreno mediante bases de datos previamente cargados para generar el perfil del terreno. La base de datos admite un margen de error de 0.200Km. Se prosigue a introducir los datos de las frecuencias de las antenas en ambos puntos y la polarizacin de las mismas. De igual forma se configuran los datos de las IDUS (Indoor Unit) frecuencia, tipo de modulacin, canal a utilizar, ancho de banda, etc. Estos equipos tambin deben estar en una base de datos con la disponibilidad en existencia. Se selecciona el tipo de alimentador para ingresar los datos de las prdidas de atenuacin y prdidas por conector en dB. La atenuacin se expresa en (dB/100 m) y se encuentra en el Datasheet del fabricante, es por esto que se debe ingresar la cantidad de cable en metros que se ha usado para cada enlace. Se considera 1.5 dB en prdidas por conector. Los datos de las antenas, como dimetro, azimuth, frecuencia, entre otros, tambin se cargan como una base de datos. Para realizar la simulacin del enlace se selecciona el peor de los escenarios en cuanto a clima se refiere, de igual forma hay opcin de introducir datos con respecto al clima de la zona en la cual se quiere instalar el enlace. Los resultados ms relevantes de la simulacin es la potencia recibida en el receptor y la disponibilidad de operacin del enlace.Figura 10. Simulacin en PathLoss

XIII. Desvanecimiento PlanoEl tipo de desvanecimiento que se produce por lluvia se llama desvanecimiento plano, y es cuando el ancho de banda de la seal es menor al ancho de banda de coherencia del canal, en este caso el canal conserva el espectro de la seal transmitida ya que trata todas las frecuencias por igual y se le denomina canal no selectivo en frecuencia. Este se puede presentar bajo condiciones de densas nieblas o cuando el aire extremadamente fro se mueve sobre un terreno clido, produciendo una prdida de trayectoria dentro de una amplia banda de frecuencias. Por ser un desvanecimiento plano es posible contrarrestar sus efectos con un adecuado aumento en la potencia del transmisor.

XIV. Bibliografa.RECOMENDACIN UIT-R P.530-12, Datos de propagacin y mtodos de prediccin necesarios para el diseo de sistemas terrenales con visibilidad directa.RECOMENDACIN UIT-R P.838-3, Modelo de la atenuacin especfica debida a la lluvia para los mtodos de prediccin.RECOMENDACIN UIT-R P.837-6, Caractersticas de la precipitacin para establecer modelos de propagacin.Calculo de la atenuacin por lluvia de un radioenlace Extrado de: http://www.radioenlaces.es/articulos/calculo-de-la-atenuacion-por-lluvia-en-un-radioenlace/Weather vs Propagation Extrado de: http://www.tpub.com/neets/book10/40j.html Henne I., Planificacin de Radioenlaces de Visibilidad Directa. 2002. Bergen.

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