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M.Sc. Ronald Bracho

Redes SatelitalesLecture 3

Prof. Ronald BrachoM.Sc. Telecommunitacion and Networks

Satnetspring2003@mipunto.com

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Agenda� Modelos de Propagación� Contra Medidas por Atenuacion (Fading)� Atenuacion Rapida (Fast Fading) y

Emsombramiento (Shadowing).� Modelos de Canales� Evaluacion de Desempeno del Canal� Diversidad de Satelites

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Modelos de Propagacion de la Senal

Problemas en la propagacion� Propagacion Troposferica

� Degradacion de la Senal (Medidas Retaliatorias)

� Modelo de Canales Mobiles� Diversidad

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Atenuacion Total

� Sobre los 18 MHz: Multiples fuentes de Atenuacion Atmosferica.

� Atenuacion Total (dB) esta representada por la combinacion de:� AR(p): Atenuacion debida a la lluvia, determinada a

probabilidad fija (dB), estimada en AP

� AC(p): atenuacion debidad a las nubes, determinada a una probabilidad fija (dB), Recommendation ITU-R P.840.

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Atenuacion Total (2)

� AG(p): atenuacion debida a los gases tales como vapor de agua y oxigeno, determinada a una probabilidad fija(dB), Recommendation ITU-R P.676.

� AS(p): atenuation debida al centelleo troposferico para una probabilidad fija (dB)

� Donde �p� is la probabilidad de atenuacion siendo excedida en el rango de 50% a 0.001%.

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Calculo de la Atenuacion por Lluvia

� Calculo de estadisticas por atenuacion de la lluvia para frecuencias de hasta 55 GHz.� hs: altura sobre el nivel del mar para la estacion en

tierra (km)� R0.01: Punto de lluvia del site para 0.01% del promedio

anual (mm/h)� Θ: angulo de elevacion (grados) � φ: latitud de la estacion de tierra (grados) � f: Frecuancia (GHz)� RE: Radio Efectivo de la Tierra (8500 km)

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Calculo de la Atenuacion por Lluvia (2)� Geometria: Presentacion Esquematica de una trayectoria

Tierra-Espacio donde se muestran los parametros de entrada necesarios en el calculo de la prediccion de la atenuacion.

A: Precipitacion Congelada

B: Altura de la lluvia

C: Precipitacion Liquida

D: Trayectoria Tierra-Espacio

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Atenuacion por LluviaContra - Medidas

� Recursos Compatidos� Diversidad de Frecuencia� Control de Potencia� Rata de Codificacion

Adaptativa� Control de longitud de

�Burst�� Ganacia Variable� Modulacion Adaptativa� Difundir la Atenuacion� Re-Transmision (ARQ)

� Estrategias de Re- Ruteo� Diversidad de Sites.� Diversidad de Orbitas

(Satelites)

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Diversidad de Frecuencia

� Transmitir con dos portadoras en frecuencias separadas (diversidad de tiempo: en dos time slots diferentes). Lleva a concepto de Frecuencia de Salto (Time and Freq. diversity)

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Control de Potencia

� Consiste en aumentar la potencia transmitida, manteniendo el nivel de potencia de entrada del receptor constante.� Para terminales pequenos existen limitaciones en cuanto a las posibilidades de control de potencia de transmision.� Analogo a AGC en celulares.

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Rata de Codificacion Adaptativa

� Es una manera de solventar atenuaciones de lenta variabilidad de la senal (lluvia).

� Dos arquitecturas para implementacion:� El Satelite se sobre-dimensiona en capacidad de

transmision (capacidad de reserva �on-board�) para ser empleada bajo demanda en aquellos enlaces que presentan atenuacion. Por Ejemplo: mas energia es asignado adaptativamente a usuarios con enlaces atenuados (i.e., mas tiempo, time slots reservados en la trama TDMA).

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Rata de Codificacion Adaptativa (2)

� Arquitectura (cont�)� Sin sobre-dimencionamiento on-board. Cuando

la informacion transmitida sobre enlaces atenuados debe ser reducida, las fuentes de esta informacion se les puede requerir bien reducirla velocidad de transmision, alamcenando informacion en su buffer (i.e. aumentado el tiempo de retardo), o bien codificando data a una menor rata (i.e. afectando la calidad).

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Rata de Codificacion Adaptativa (3)

� Aun cuando ratas de tranmision variable son tolerable para aplicaciones non-realtime (trasferencia de datos, email, etc), para servicios con necesidad de ratas de transmision constantes, las variaciaones en esta se asumen compensadas en la asignacion de time slots adicionales en los enlaces afectados.

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Control de longitud de �Burst�

� Esquemas similares a los aplicados en el caso de codificacion adaptativa. I.e., mayor energia (mas tiempo) es asignado los enlaces de las fuentes de transmision con grandes agregamiento de datos en su buffer.

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Modulacion Adaptativa

� En condiciones normales (sin atenuacion �fading) esquemas de modulacion de alta eficiencia espectral son empleados, tales como: 16-PSK, 64-PSK or 256-QAM.

� Ante la aparicion de problemas (fading) esquemas de modulacion mas robustos son empleados, tales como: QPSK o BPSK.

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Procesamiento �A-Bordo�

� Reduce requerimientos de potencia en ambos links

� Reduce intermodulacion� Aisla up-link de down-link, evitando asi

transferencia de ruido acumulado en el up-link hacia el down-link.

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Re-Transmision

� Se basa en el hecho de que no todos los paquetes sufren de grandes atenuaciones (fading), entonces aquellos bien afectados son re-transmitidos en bursts, incrementando la razon senal a ruido.

� Puede ser implentado solo si el servicio provisto soporta retrasos en la transmision(transmision de datos).

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Diversidad de Sites (Concepto Clasico)

El enlace de la estacion principal trabaja

El mejor link trabajara

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Multiple Diversidad de Sites (Concepto Moderno)

Todos los links trabajan por separado

El mejor de los dos enlaces mantiene el sometido a fading.

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Multiple Diversidad de Sites (Concepto Moderno) (2)

Razonamiento� Esta arquitectura puede resultar muy util para

cualquiera de los siguientes casos:� El enalce satelital es mas conveniente que la conexión

terrestre.� Las estaciones terrestres pertenecen a una red propietaria

cerrada/privada por razones de seguridad que emplea los enlaces terrestres solo en casos de emergencia.

� Los servicios prestados son apropiados para transmisionsatelital.

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Multiple Diversidad de Sites (Concepto Moderno) (2)

Razonamiento (cont…)� Las estaciones terrestres son transportables,

entonces pueden ser empleadas en diversidaden diferentes puntos de acceso a la red terrestre.

� El satelite es preferido en condiciones normales(no-fading) porque provee una manera mas eficiente de interconexion con otros sistemas/redes.

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Diversidad de Orbitas (Satelites)

� Consiste en usar satelites en orbitas adicionales, GEO generalmente, para proteger los links contra atenuaciones por tormentas.

� Data tomada indica que el factor de correcion por atenuacion de lluvia es trivial (aprox. 2) en enlaces convergentes.

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Atenuacion Rapida (Fast Fading) Ensombramiento (Shadowing)

Multi Trayectoria

Multi Trayectoria

Edificios

Condicion de Propagacion en SombraCondicion de Propagacion en

Espacio Libre

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Atenuacion Rapida (Fast Fading) Ensombramiento (Shadowing) (2)

� Los dos eventos son concurrentes. Ambos se deben tomar en cuanta en el modelaje.

� Fast fading: Varias replicas recevidas(atenuadas, retradas o movidas en fase) de la senaltransmitida. Interferencia destructiva y/o constructiva. => Variaciones Rapidas de potencia instantanea.

� Shadowing: Toma en consideracion la potencia promedio de la senal recibida. Por ende se reconoce como una variacion mas lenta de la senal

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Modelos de CanalesAspectos Generales

� Las caracteristicas del Canal dependen de la tipologia del ambiente (Presencia de obstaculos, densidad, etc) y de la posicion relativa Satelites-Usuarios.

� Caractericazion Electromagnetica => Muy Compleja => Descripcion del Canal => Teoria de Procesos Aleatorios.

� Para Modelar Canales se requiere: � Fast fading� Shadowing

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Modelos de Canales (2)

� Senal Recibida:R(t) = z(t)*s(t) + n(t)

Donde:� z(t) : Atenuacion del canal (fading)� s(t) : Senal Transmitida� n(t) : Ruido Termico

� Modelaje del Canal esta basado en la caracterizacion del proceso de atenuacion z(t), el cual es descrito como la suma de Procesos Estocasticos Correlacionados.

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Evaluacion de Desempeno del Canal� Calidad de transmision para servicios personales

de comunicación via No-GEO (LEO y MEO) enlaces es influenciada principalmente por:� Parametros de la Constelacion (Altitud del Satelite,

Numero de Satelites, Selección de las Orbitas)� Tecnicas de Tx/Rx (Esquemas de acceso multiple al

canal, modulacion, interleaving, esquemas de codificacion)

� Condiciones variables de propagacion � Multi Trayectoria (fast fading)� Shadowing (slow fading)

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Evaluacion de Desempeno del CanalEjemplo

� Formulas de Probalidad de Error (Matematica Intensiva) son necesarias.

� Probabilidad de Error (ρd(dB)) vs. angulo del elevacion .

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Diversidad de Satelites

Generalidades:� Emsombramiento (Shadowing) disminuye

disponibilidad del enlace.� Diversidad permite contrarestrar deterioro

de la senal.� Para constelaciones LEO y MEO diversidad

de satelites se considera una buena solucion.� Para GEO mayor investigacion es necesaria.

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Diversidad de Satelites (2)

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Diversidad de Satelites (3)Ventajas:� Un usuario �ve� dos o mas satelites bajo

(posiblemente) angulos diferentes (azimuth y elevacion)

� Senales de diferentes satelites son optimamentecombinadas en el terminal receptor para corregir problemas (fading, shadowing).

� Si un satelite se pierde de vista o es obstruido, aun existe la posibilidad de rutear la comunicación por el otro enlace existente.

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Diverisidad de Satelites en Ambientes Rurales

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Diverisidad de Satelites en Ambientes Urbanos

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Calculo de Dimensionamiento del Enlace

� Una presentacion sera enviada para ser estudiada como tarea.

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Compromiso Orbita-Frecuencia

� Problema de Capacidad.� LEO alternativa de GEOs para sistemas

globlales de alta capacidad.� Capacidad aumenta con la disminucion de D2

� La razon de Capacidad LEO/GEO capacidad esde cerca de 362 ≈ 1300

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Compromiso Orbita-Frecuencia (2)Altas Frecuencias� Tradicionalmente se usaba la banda L (frecuencia,

f, 1-2 GHz): baja capacidad.� Banda Ka y superiores (20-30 GHz): alta

capacidad.� Capacidad crece con f 3� Razon Ka/L es de 203 ≈ 8000

Combinacion de Frecuencia y Orbita ofrece grandes ventajas

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Capacidad como funcion de la altitud (d)

� Capacidad, C, es proporcional al numero de celdas, n.

� n es inversamente proporcional al area de las celdas, A.

� A es proporcional al cuadrado de la altura, d.⇒ n ∞ d-2

⇒ C ∞ d-2

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Altitud de la Orbita: Compromisos

Cuando reducimos �d� obtenemos: � La huella (celda) de cada antena satelital es reducida.

� Reducir la celda ofrece una mayor re-utilizacion de frecuencias

� Las perdidas en el espacio libre (FSL) son reducidas� Reducir FSL permite reducir requerimientos en ambos el satelite y

el terminal del usuario.� Reducir la potencia por canal �on-board� es un paso logico y

basico hacia un uso eficiente del espectro (analogo al sistema celular)

� Menor potencia en el terminal del usuario implica menor consumo (baterias) y menor radiacion (seguridad, salud).

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Altitud de la Orbita: Compromisos (2)

� RTD (retardo de propagacion de la senal) es reducido.� Esto permite una mejorar el procesamiento de

la senal vias a contrarrestar los deterioros causados en el canal.