Lmss radio channel characterization for low elevation satellites

Abstract

Las redes de satélites representan un enfoque interesante para servicios de comunicación en áreas del mundo donde las infraestructuras terrestres son insuficientes o incluso inexistentes. Existe una gran variedad de situaciones (canal móvil satélite, marítimo, aeronáutico, rescate, asistencia en catástrofes, militar, etc.) donde los satélites son la única opción viable. El interés en los sistemas de satélites que trabajan en las bandas L, S, Ku y Ka se ha incrementado debido al desarrollo de nuevos satélites y de receptores de bajo ruido y alta sensibilidad. Las bandas L y S se han empleado fundamentalmente para servicios móviles. Los sistemas de banda L y banda S permiten el uso de pequeñas antenas embarcadas debido a la baja atenuación de la señal y al reducido impacto de los efectos atmosféricos. Un claro ejemplo del interés en estas bandas de frecuencia es la decisión de la Comisión Europea de asignar ancho de banda adicional para sistemas móviles satelitales en las bandas L y S (1980-2010MHz en el enlace ascendente y 2170-2200MHz MHz en el enlace descendente) debido a la cantidad limitada de recursos en dichas bandas [EC09]. Inmarsat y Solaris, joint venture entre Eutelsat y SES-ASTRA, fueron seleccionados para operar en esas bandas de frecuencia. El programa satélite Inmarsat, denominado EuropaSat, reportará difusión de contenidos multimedia para dispositivos móviles, servicios de telecomunicación móvil bidireccional de banda ancha y servicios satélite para móviles de nueva generación en las bandas de frecuencia 1980-1995MHz para comunicaciones Tierra-espacio y 2170-2185MHz para comunicaciones espacio-Tierra. Solaris desarrollará y comercializará sistemas de satélites geoestacionarios para difusión de video, audio, datos multimedia, servicios interactivos y mensajes de voz en las bandas de frecuencia 1195-2010MHz para el enlace ascendente y 2185¿2200MHz para el enlace descendente. Uno de los principales problemas de las comunicaciones móviles satelitales en comparación con las terrestres reside en la limitación de potencia disponible en el satélite. Los sistemas móviles por satélite sufren grandes pérdidas de propagación dada la gran distancia entre el terminal móvil y el satélite y, por tanto, el margen de desvanecimiento es bajo. Si la señal recibida desde el satélite se ve afectada por un frecuente apantallamiento o eventos de bloqueo debidos a árboles, accidentes orográficos, edificios, etc., el enlace entre el satélite y el terminal móvil podría romperse. Esta limitación tecnológica de los sistemas satélite implica la necesidad de existencia de visión directa entre el satélite y el terminal móvil y dificulta las comunicaciones con ángulos de elevación bajos (<10º). Este es el motivo principal por el cual no ha surgido interés económico ni científico en el estudio del comportamiento del canal de propagación para satélites de baja elevación. Sin embargo, dependiendo de la latitud, algunos satélites geoestacionarios (GEO) sólo son accesibles con ángulos de elevación bajos. Además, el ángulo mínimo de elevación es un parámetro de diseño para el número de satélites requeridos en una constelación de órbita media o baja (MEO/LEO) y el incremento del ángulo mínimo de elevación conllevaría un incremento del coste del sistema. En [ITU-R 207-4/3], la ITU-R considera que existe necesidad de datos y modelos de canal de propagación para todos los ángulos de elevación y acimut, especialmente para móvil por satélite y servicios de radiodeterminación que emplean constelaciones de satélites no geoestacionarios, y decide que se debería estudiar el efecto de la naturaleza del terreno, la vegetación y estructuras construidas por el hombre, la localización de la antena, la frecuencia, la polarización, el ángulo de elevación y el clima, dado que afectan a la intensidad de campo o a la pérdida de transmisión, y cómo estos factores afectan a la selección de frecuencias y polarización de la onda para servicios de móvil por satélite y radiodeterminación. Los sistemas por satélite están continuamente evolucionando y debido al incremento de la potencia disponible en los satélites y a la mejora en las sensibilidades de los terminales, esta Tesis Doctoral estudiará la caracterización en banda estrecha y banda ancha del canal de propagación móvil-satélite (land mobile satellite - LMS) para satélites de baja elevación (<10º) en la banda L. La investigación ha sido desarrollada con cargo a los proyectos TEC2008-06736-C03-02 y TEC2011-28789-C02-02 subvencionados por el Ministerio de Ciencia y Tecnología y el Ministerio de Economía y Competitividad y al amparo de una beca de Formación de Personal Investigador (FPI). Las señales recibidas en el punto final del enlace móvil-satélite consisten en tres componentes principales [Laurent08]: la señal directa, una señal reflejada especularmente, y el multitrayecto difuso. La señal directa, además de por la pérdida en espacio libre, está afectada por efectos ionosféricos como la rotación de Faraday y el centelleo, y efectos troposféricos como la atenuación por lluvia, el centelleo troposférico, la despolarización o el ruido celeste. La señal directa puede llegar libre de obstáculos (LOS), estar afectada por apantallamiento causado por árboles o bloqueo debido a edificios. La señal reflejada está causada por reflexión especular en el suelo y en fachadas de edificios suficientemente lisas. Las componentes difusas se deben a la dispersión en superficies rugosas, pequeños dispersores cerca del receptor, difracción en filo de cuchillo en edificios, etc. Tanto la reflexión especular como la difusa dan lugar a dispersión temporal y desvanecimiento del canal. Tanto la movilidad del terminal como del satélite, cuando se trata de un satélite no geoestacionario, da lugar a dispersión y desplazamiento Doppler. Las tasas de variación de la señal pueden identificarse como rápidas, debidas a dispersores locales cerca del receptor, lentas, debidas al apantallamiento causado por un único dispersor grande o una agrupación de dispersores pequeños cercanos al receptor, y, muy lentas, cuando el apantallamiento y el multipath cambian abruptamente debido al movimiento del receptor a lo largo de un área suficientemente grande. En la literatura se pueden encontrar diversos modelos de canal: empírico, estadístico, físico y físico-estadístico. Los modelos empíricos se describen por un conjunto de ecuaciones ajustadas a los resultados obtenidos en las campañas de medida. Estos modelos son simples, rápidos y relativamente precisos para entornos con características similares a aquellos en los que se realizaron las medidas. Los modelos estadísticos para el canal móvil-satélite proporcionan una representación de las características estadísticas del canal en términos de distribuciones paramétricas y están basados en funciones de densidad de probabilidad conocidas, algunas de ellas empleadas en el caso terrestre. Para obtener una distribución analítica del desvanecimiento de la señal se emplea la teoría estadística y para obtener los parámetros de la distribución se emplean las medidas realizadas. Los modelos físicos o modelos específicos para una localización se basan en la aplicación de técnicas electromagnéticas conocidas y métodos numéricos como el trazado de rayos. Su principal ventaja reside en que son genéricos para entornos arbitrarios siempre y cuando se disponga de todas las características geométricas y los parámetros de los elementos del entorno. Los modelos físico-estadísticos representan una aproximación híbrida en la cual se emplean las ventajas de los modelos físicos y estadísticos, mientras que se evitan sus inconvenientes. Estos modelos derivan las distribuciones de los desvanecimientos directamente de las distribuciones de los parámetros físicos utilizando teoría electromagnética simple. En la presente Tesis Doctoral se han realizado tres estudios diferenciados en cinco entornos de características diferentes (urbano, suburbano, rural, arbolado y boscoso). El primer estudio se realiza en banda estrecha y está basado en una campaña de medidas en la que se recogieron varias horas de señal GPS en cada uno de los cinco entornos analizados. El segundo es un análisis en banda ancha basado en campañas de medidas realizadas con una sonda de canal STDCC (swept time-delay cross-correlation), que usa las propiedades de correlación de máxima longitud de secuencias de registro de desplazamiento pseudoaleatorias (pseudorandom shift register sequences - PRBS). Por último se llevaron a cabo dos campañas de medida para analizar los beneficios del empleo de técnicas de diversidad de polarización y espacial en el receptor. Para estas campañas de medida se duplicó el equipamiento empleado en las medidas de banda estrecha para recoger varias horas de señales de dos receptores GPS. Una de las mayores contribuciones del trabajo de investigación de la presente Tesis Doctoral es el desarrollo de un modelo de semi-Markov de cuatro estados para banda estrecha. El modelo puede simular canales de propagación para satélites de baja elevación (<10º) en los entornos bajo estudio y es complementario al modelo de tres estados definido en [ITU-R P681-7] para satélites con elevaciones mayores de 10º. En [ITU-R P681-7] la señal recibida del satélite se clasifica en tres estados: visión directa (line-of-sight - LOS), apantallamiento (shadowing) y bloqueo (blockage). Este modelo se denomina modelo RTSFM (rural three-state fade model) en [Akturan97], donde se describe una versión modificada del mismo llamada UTSFM (urban three-state fade model), que considera efectos especiales de propagación presentes en entornos urbanos. En esta Tesis Doctoral se presenta una adaptación de ambos modelos al caso de baja elevación y una comparativa de los resultados obtenidos. En el modelo presentado en esta Tesis Doctoral la señal recibida del satélite se clasifica en cuatro estados acorde con su nivel: visión directa (line-of-sight - LOS), apantallamiento (shadowing), bloqueo (blockage) y enlace roto (broken link). El estado de enlace roto se ha añadido para representar los períodos de tiempo en los que el receptor no es capaz de recibir señal del satélite debido a que el nivel de señal es menor que la sensibilidad del receptor. Estos desvanecimientos profundos son más probables para elevaciones bajas debido al gran impacto que producen en la señal recibida los obstáculos que rodean al receptor. El análisis de los datos obtenidos en banda estrecha se divide en dos partes. En la primera se lleva a cabo la caracterización estadística de los desvanecimientos. Para ello se calculan modelos lineales que representan la evolución de las probabilidades de los estados visión directa, apantallamiento, bloqueo y enlace roto. Además, se obtiene para cada entorno y cada elevación los parámetros de las funciones de distribución que caracterizan el desvanecimiento en cada estado tanto para el modelo RTSFM como para el modelo UTSFM. Para los entornos urbano, suburbano y boscoso el modelo UTSFM se ajusta mejor a las funciones de distribución acumuladas empíricas que el modelo RTSFM. Los errores cuadráticos medios obtenidos para el modelo UTSFM son menores que los obtenidos para el modelo RTSFM debido a que el modelo UTSFM tiene en cuenta las reflexiones especulares y la difracción cuando el receptor está en estado de bloqueo pero a costa de un incremento de dos parámetros en el modelo. En la segunda parte del análisis en banda estrecha se obtienen las estadísticas de duración de estados y las probabilidades de transición entre estados. Para clasificar las series temporales en los tres estados que representan la visión directa, el apantallamiento y el bloqueo se definen dos umbrales de profundidad de desvanecimiento en el nivel de potencia medio de la señal recibida. Para discriminar entre los estados de visión directa y de apantallamiento se define un umbral de profundidad de desvanecimiento de 5dB, y uno de 10dB para discriminar entre los estados de apantallamiento y bloqueo. Aquellas muestras en las que no hay información disponible debido a la interrupción del canal se clasifican directamente en enlace roto. Para cada entorno y elevación se obtienen las duraciones temporales o distancias en las que la señal recibida se encuentra en un estado determinado y se calculan las funciones de distribución acumuladas empíricas. Éstas se ajustan a una distribución lognormal y se obtiene la media y la desviación típica del logaritmo de la distancia. Según [ITU-R P681-7], la duración del estado de visión directa sigue una distribución power-law, mientras que para los estados de apantallamiento y bloqueo es válida una distribución lognormal. Sin embargo, a partir de las medidas realizadas, la distribución lognormal ha proporcionado mejores resultados para los cuatro estados y por lo tanto se han calculado modelos lineales que muestran la evolución de los parámetros de la distribución lognormal en función de la elevación para los cuatro estados. Las probabilidades de transición entre estados se obtuvieron de acuerdo con los umbrales definidos para clasificar las medidas en los cuatro estados. Debido a las características de los modelos de semi-Markov, no se permiten lazos de un estado a sí mismo, por tanto, sólo existen tres probabilidades de transición para cada estado. Para representar la evolución con la elevación del satélite se calcularon modelos lineales de las dos probabilidades de transición entre estados más probables. Los resultados muestran una clara dependencia del canal de propagación con la elevación del satélite y el entorno. Con respecto a la elevación del satélite se observan claras tendencias en la variación de las probabilidades de estado, la duración de los estados y las probabilidades de transición entre estados en función de la elevación. Cuanto mayor es la elevación, menor es la probabilidad de los estados de enlace roto y bloqueo debido a la menor influencia de la ondulación del terreno, la vegetación y las diferentes edificaciones presentes. A medida que la elevación aumenta se observa un aumento de la probabilidad de recibir señal a través de un camino de visión directa o apantallado. Para las duraciones de los estados estas tendencias son apreciables. A mayor elevación, mayor es la duración del estado de visión directa y menor la duración de los estados de bloqueo y enlace roto. En cuanto a las probabilidades de transición entre estados, se observa que las transiciones a estados no contiguos son menos probables que las transiciones a estados contiguos. Además, existe un incremento en las probabilidades de transición a mejores estados cuando la elevación del satélite es mayor. En cuanto a la dependencia con el entorno, los entornos urbano y suburbano son los más severos debido a la presencia de edificios o casas adosadas. Para elevaciones menores de 5º la señal recibida está la mayor parte del tiempo en estado de bloqueo o enlace roto. Los entornos rural y arbolado han demostrado ser más benignos por la presencia de más espacios abiertos. El canal de propagación en banda ancha para satélites de baja elevación en el extremo receptor del enlace radio se ha caracterizado a partir de las respuestas al impulso paso bajo complejas obtenidas de un conjunto de campañas de medida llevado a cabo en los entornos urbano, suburbano, rural, arbolado y boscoso. Para este propósito se diseñó y construyó una sonda de canal STDCC (swept time-delay cross-correlation) basada en las propiedades de correlación de las secuencias pseudoaleatorias de máxima longitud. Los parámetros en el dominio del tiempo y de la frecuencia, como el retardo cuadrático medio y el ancho de banda de coherencia, se clasificaron de acuerdo con la potencia media recibida en los estados de visión directa, apantallamiento y bloqueo acorde con el modelo de tres estados descrito en [ITU-R P681-7]. Para cada estado y entorno se obtuvieron las funciones de distribución acumulativas y los parámetros que limitan el rendimiento del sistema como la dispersión del retardo excedida el 1% del tiempo y los anchos de banda de coherencia a 0.5, 0.7 y 0.9 excedidos el 99% del tiempo. Los resultados obtenidos tras el procesado de datos muestran, como se esperaba, que los valores de dispersión de retardo para el estado de visión directa son menores, mientras que los mayores se presentan en el estado de bloqueo. Si la señal recibida no está afectada por apantallamiento o bloqueo, la mayor parte de la potencia se recibe por el camino directo, por tanto, la importancia del camino directo es mayor en la dispersión de retardo resultante que los caminos con mayores retardos que experimentan mayores atenuaciones. En el estado de bloqueo la componente recibida a través del camino directo entre transmisor y receptor no está o está altamente atenuada. Las componentes multitrayecto se reciben con potencias muy similares a la potencia de la primera componente de la respuesta impulsiva, lo que lleva a una mayor dispersión de retardo. El apantallamiento afecta a la dispersión de retardo dependiendo del entorno y de si las componentes multitrayecto principales se encuentran en la vecindad del receptor. El ancho de banda de coherencia presenta el comportamiento opuesto. Los valores calculados son mayores para el estado de visión directa y menores para el estado de bloqueo. Con respecto a la dependencia del entorno, cuánto más severo es, mayor es la dispersión de retardo y menor el ancho de banda de coherencia. Por último, se presentan los resultados concernientes a los beneficios de implementar técnicas de diversidad de polarización y diversidad espacial en el receptor. Los resultados de diversidad de polarización y espacial se obtuvieron para satélites con elevaciones en el rango entre 1º y 80º. El autor de la presente Tesis Doctoral no ha encontrado literatura en la que se presenten campañas de medida exhaustivas para estudiar los beneficios de las técnicas de diversidad tradicionales en el receptor para un amplio rango de elevaciones en la banda L. Se han llevado a cabo dos campañas de medida en los cinco entornos bajo estudio con dos configuraciones diferentes en el receptor. Las medidas de diversidad de polarización se realizaron con una antena de polarización circular dual proporcionando señales RHCP y LHCP. Las medidas de diversidad espacial se llevaron a cabo con dos antenas comerciales GPS separadas ¿/2. A nivel de muestra se aplicaron técnicas de combinación MRC, EGC y SC. Para cada uno de los canales del sistema de medida y para los niveles de señal calculados a través de los métodos de combinación SC, MRC y EGC se obtuvieron las funciones de distribución acumuladas. La diversidad de polarización ha demostrado ser la mejor opción para reducir el efecto de los desvanecimientos profundos que conducen la señal recibida al estado de enlace roto. Estos desvanecimientos profundos, causados por edificios, casas adosadas o aisladas o incluso la ondulación del terreno, y sus efectos en la señal recibida son especialmente críticos para satélites de baja elevación. La mejora introducida por el esquema de polarización de diversidad está relacionada con la posibilidad de recibir señales LHCP causadas por despolarización debida a reflexiones o difracción en los diferentes elementos que rodean al receptor, con menores desvanecimientos que las señales RHCP bloqueadas transmitidas por los satélites. Para mayores elevaciones, los desvanecimientos profundos son menos probables aunque en los entornos urbano y suburbano la señal recibida de satélites con una elevación relativamente alta también puede verse afectada por despolarización. En cuanto a la diversidad espacial, ambas antenas se ven afectadas por el desvanecimiento profundo al mismo tiempo y el esquema de diversidad no es capaz de reducir su impacto. Con respecto a la diversidad de ganancia introducida por los tres métodos de combinación, el método MRC ha proporcionado una mayor ganancia en diversidad para ambos esquemas. En el esquema de diversidad de polarización, la ganancia de diversidad tiende a cero cuando la señal del satélite se recibe con visión directa o está afectada por apantallamiento ligero porque la señal LHCP está altamente atenuada con respecto a la RHCP. Este efecto no se aprecia en diversidad espacial porque ambas señales recibidas presentan el mismo nivel medio. Los valores de ganancia de diversidad de decenas de dB se obtuvieron para aquellos casos en los que la señal satélite experimenta un desvanecimiento que conduce su nivel a valores más bajos que la sensibilidad del receptor.