ITU-R P 843-1 SPANISH-1997 Communication by Meteor-Burst Propagation《流星突发通信传输》.pdf

1、Rec. UIT-R P.843-1 1RECOMENDACIN UIT-R P.843-1COMUNICACIONES MEDIANTE LA PROPAGACIN POR IMPULSOS METERICOS(Cuestin UIT-R 221/3)(1992-1997)Rec. UIT-R P.843-1La Asamblea de Radiocomunicaciones de la UIT,considerandoa) que la dispersin debida a la ionizacin provocada por las estelas metericas puede ofr

2、ecer un procedimientode comunicacin adecuado en ondas decamtricas y mtricas;b) que se estn explotando circuitos de telecomunicaciones bidireccionales entre 30 y 100 MHz, a distancias dehasta 1 800 km;c) que la comunicacin aprovecha las rfagas de propagacin durante la aparicin de estelas metericas y

3、puedeadmitir velocidades de datos de hasta 100 Bd como media a lo largo de una hora, aproximadamente,recomiendaque se utilice la siguiente informacin en el diseo y planificacin de los sistemas de comunicaciones mediantela propagacin por impulsos metericos:1 Variaciones temporales del flujo metericoE

4、n ciertas pocas del ao, aparecen meteoros en forma de precipitaciones y pueden ser prolficos durante unas pocashoras. Sin embargo, existe un nivel de fondo general de meteoros que incide sobre la Tierra desde todas las direcciones ypara fines de planificacin de la comunicacin conviene considerar nic

5、amente estos meteoros espordicos.En el caso de meteoros espordicos a latitudes medias se produce una variacin diaria de la incidencia aproximadamentesinusoidal que presenta un mximo a las 06h00 y un mnimo a las 18h00, hora local. La relacin entre el mximo y elmnimo toma como valor medio aproximadame

6、nte cuatro. En el hemisferio norte hay una variacin estacional demagnitud similar con un mnimo en febrero y un mximo en julio. Existe una variabilidad da a da en la incidencia delos meteoros espordicos y en los de precipitacin.El flujo medio anual de meteoros incidentes por unidad de superficie y qu

7、e producen densidades de lneas deelectrones q que rebasan un umbral q0por metro, I (q q0) viene dado por:I ( q q0) = 160q0m2s1(1)Combinando esta tasa de meteoros global con una variacin diaria sinusoidal representativa y el factor estacional, M,puede estimarse a partir de la Fig. 1 las modificacione

8、s temporales medias que experimenta el flujo de meteoros:160q0M 1 + 0,6 sen piT12m2s1(2)siendo:T : hora local (horas).A efectos de planificacin puede que slo sea necesario considerar la combinacin ms desfavorable de mes y de horalocal.2 Variacin espacial en el flujo de meteorosLos meteoros pueden ap

9、arecer en cualquier parte del mundo y a cualquier hora, pero no existe informacin estadsticacompleta sobre su distribucin geogrfica y la direccin de las estelas.2 Rec. UIT-R P.843-10843-01MesFraccin de latasamensualmedia,MFIGURA 1Variacin mensual de la tasa de flujo de meteoros espordicoscon respect

10、o al valor medio1,81,61,41,21,00,80,60,40,20F A MAEM JJ SONDFIGURE 1 D01 = 12,5 cmHasta que puedan cuantificarse las variaciones espaciales, se recomienda utilizar para cualquier latitud las estimacionesde flujo basadas en el mtodo indicado en el 1.3 Estelas subdensas y superdensasLas estelas ioniza

11、das provocadas por los meteoros se clasifican en subdensas y superdensas segn la intensidad deionizacin. La frontera entre ambos casos se sita en densidades de lneas de aproximadamente 2 1014electrones pormetro. La amplitud de las seales dispersadas por estelas subdensas puede calcularse sumando el

12、campo por dispersincreado por cada electrn individual. Las estelas superdensas son aquellas en las que no puede ignorarse el acoplamientoentre los electrones, en cuyo caso, las propiedades reflectantes se calculan como si la estela fuese un largo cilindrometlico. En las frecuencias utilizadas en la

13、prctica, los ecos de las estelas subdensas muestran un comienzo abruptoseguido de una cada exponencial y los de las estelas superdensas presentan envolventes ms redondeadas y son desuperior duracin. Las proporciones relativas de los ecos en las estelas subdensas y superdensas dependern de lasensibil

14、idad del sistema.La relacin entre el nmero de estelas de la amplitud de cresta, A, viene dada aproximadamente por la expresin:Nmero de estelas (A) donde vara entre 1,0, para niveles de seal bajos, y ms de 2,0, para niveles de seal ms elevados, cuando la mayorade las estelas son superdensas. En mucho

15、s enlaces el ndice toma un valor entre 1,1 y 1,4.Los resultados obtenidos en los sistemas utilizados hasta ahora indican que los ecos provienen fundamentalmente deestelas subdensas. Por esa razn se recomienda que la planificacin de un sistema tpico se base en que todas las estelasmetericas son del t

16、ipo subdenso.Rec. UIT-R P.843-1 34 Longitud efectiva y radio de las estelas metericas4.1 Longitud efectivaEn la Fig. 2 se representa la geometra de los rayos para un trayecto de propagacin mediante impulsos metericos, entreel transmisor T y el receptor R. P representa el punto de tangencia y P es un

17、 punto ms all en la estela tal que eltrayecto (R1+ R2) supera en longitud al trayecto (R1+ R2) en media longitud en onda. De esta forma, PP (delongitud L) se encuentra dentro de la zona principal de Fresnel y la longitud total de la estela dentro de esa zona es 2L.Siempre que R1y R2sean muy superior

18、es a L se cumple que para casos prcticos:L = R1R2(R1+ R2) (1 sen2 cos2)(3)siendo: : ngulo de incidencia : ngulo entre el eje de la estela y el plano de propagacin : longitud de onda.0843-02TRCDR1 R1R2R2PLPEFC: Superficie de la TierraD: Plano de propagacinE: EstelaF: Plano tangente: ngulo entre el ej

19、e de la estela y el plano de propagacinT: TransmisorR: ReceptorFIGURA 2Geometra de los rayos en un trayecto de propagacin por impulsos metericosFIGURE 2 D02 = 10 cm4.2 Radio de la estelaCon el fin de calcular la seccin transversal de dispersin de la estela se acostumbra a suponer que la difusin ambi

20、polarhace que la densidad radial de electrones tenga una distribucin gaussiana y que la densidad de volumen se reducemientras que la densidad de lneas permanece constante.La estela de ionizacin que sigue inmediatamente a un meteoro se forma de manera casi instantnea con una anchurafinita que recibe

21、el nombre de radio inicial de la estela, r0. Una relacin emprica entre r0y la altura del meteoro es lasiguiente:log r0= 0,035 h 3,45 (4)donde:h : altura de la estela (km)r0: radio inicial de la estela (m).4 Rec. UIT-R P.843-15 Potencia recibida y prdidas de transmisin bsicas5.1 Potencia recibidaComo

22、 todo sistema prctico de comunicacin mediante impulsos metericos se basa fundamentalmente en estelassubdensas, las frmulas relativas a estelas superdensas tienen menor importancia. Se pueden efectuar estimaciones delcomportamiento satisfactorias utilizando las frmulas para el caso de estelas subdens

23、as, suponiendo unos valores de q enla gama de 1013a 1014electrones/m segn los parmetros predominantes del sistema.La potencia recibida, pR(t), despus de la dispersin en las estelas subdensas a las frecuencias utilizadas en la prctica esla siguiente:pR(t) = pTgTgR2 a1a2(t) a2(t0) a364pi3R21R22(5)dond

24、e: : longitud de onda (m) : superficie de reflexin de la estela (m2)a1 : coeficiente de prdida debido al radio inicial de la estelaa2(t) : coeficiente de prdida debido a la absorcin ionosfricaa3 : coeficiente de prdida debido a la absorcin ionosfricat : tiempo en segundos medido desde el instante de

25、 la formacin completa de la primera zona de Fresnelt0 : mitad del tiempo invertido por el meteoro en atravesar la primera zona de FresnelpT : potencia de transmisor (W)pR(t) : potencia disponible en la antena receptora (W)gT : ganancia de la antena transmisora relativa a una antena istropa en el esp

26、acio libregR: ganancia de la antena receptora relativa a una antena istropa en el espacio libreSe supone que la antenas transmisora y receptora no tienen prdidas.R1, R2 : distancias (m) (vase la Fig. 2).La superficie de reflexin viene dada por: = 4 pi re2q2L2sen2 (6)donde:re : radio efectivo del ele

27、ctrn = 2,8 1015m, : ngulo entre el vector elctrico incidente en la estela y la direccin del receptor desde este punto.Puesto que L2es directamente proporcional a , la superficie de reflexin, , es tambin proporcional a y por tanto lapotencia recibida para las estelas subdensas vara segn 3. Normalment

28、e se utiliza la polarizacin horizontal en ambosterminales. El trmino sen2 de la ecuacin (6) es entonces prximo a la unidad para las estelas en las dos manchascalientes.El factor de prdida a1viene expresado por:a1= exp 8 pi2r022sec2(7)ste representa las prdidas que provienen de la interferencia entre

29、 la rerradiacin de los electrones, all donde el espesorde la estela en formacin es comparable con la longitud de onda.Rec. UIT-R P.843-1 5El factor a2(t) considera el incremento del radio de la estela por difusin ambipolar, que puede expresarse mediante:a2(t) = exp 32 pi2D t2sec2(8)siendo D la const

30、ante de difusin ambipolar en m2s1que viene dada por la expresin:log D = 0,067 h 5,6 (9)El incremento del radio debido a la difusin ambipolar puede ser apreciable an durante un periodo corto como elnecesario para la formacin de la estela. El efecto total en relacin con la potencia reflejada es el mis

31、mo que aparecerasi toda la estela que est en la primera zona de Fresnel se hubiera expandido en una extensin igual a la que tiene en supunto medio. Puesto que esta parte de la estela tiene una longitud de 2L, el radio en el punto medio es el que aparecedespus de un intervalo de tiempo de L / V (s),

32、siendo V la velocidad del meteoro en ms1. Denominando t0a esteintervalo de tiempo, su valor para estelas prximas al punto medio del trayecto (R1 R2= R) es: Para estelas ortogonales al plano de propagacin ( = 90):t0 R2 V 21/2(10) Para estelas en el plano de propagacin ( = 0):t0 R2 V 21/2 sec (11)Subs

33、tituyendo en la ecuacin (8) t0dado por la ecuacin (10), se obtiene para el caso = 90:a2(t0) = exp 32 pi23/2DVR21/21sec2(12)Para = 0, la expresin entre corchetes hay que multiplicarla por sec .La relacin entre la constante de difusin ambipolar D y la velocidad del meteoro V (necesaria para evaluar la

34、 potenciarecibida) se puede aproximar por:D / V = 0,0015 h + 0,035 + 0,0013 (h 90)2 103(13)a2(t) es el nico trmino dependiente del tiempo y fija el tiempo de decrecimiento de la potencia de la seal reflejada. Ladefinicin de una constante tiempo, Tuncomo el retardo necesario para que la potencia reci

35、bida disminuya en unfactor e2(es decir 8,7 dB) conduce a:Tun= 2sec216 pi2D(14)Con reflexin en incidencia rasante sec2 ser mayor y por tanto ocurre lo mismo con la constante de tiempo del eco.La constante de tiempo del eco aumenta tambin mediante la utilizacin de frecuencias inferiores.5.2 Prdida bsi

36、ca de transmisinEn la Fig. 3 se presentan las curvas de la prdida bsica de transmisin deducidas de la ecuacin (5) para q = 1014electrones/m. Como el ngulo puede tomar cualquier valor entre 0 y 90 se muestran nicamente estos dos extremos.Se observa claramente la ventaja de una prdida de propagacin me

37、nor al utilizar frecuencias ms bajas. Para deducirdichas curvas se han usado las alturas medias de los meteoros de la ecuacin (15). Convendra resaltar que la prediccindel comportamiento del sistema depende en forma crtica de las alturas supuestas.6 Rec. UIT-R P.843-10843-030 200 400 600 800 1 000 1

38、200 1 400 1 600 1 800 2 00015015516016517017518018519019516 MHz40 MHz100 MHzPrdida bsicadetransmisin(dB)Distancia en tierra (km)Estelas perpendiculares al plano de propagacin ( = 90)Estelas en el plano de propagacin ( = 0)FIGURA 3Perdida bsica de transmisin para estelas subdensas dada por laecuacin

39、(5) con q = 1014 electrones/m y polarizacin horizontalFIGURE 3 D03 = 13,5 cm6 El techo de eco subdenso y la altura media de la estelaTanto el radio inicial de la estela como el coeficiente de difusin ambipolar aumentan con la altitud. Como consecuencia,los coeficientes de prdida a1y a2(t0) se combin

40、an para reducir el nmero de meteoros subdensos que aparecen cerca dela zona superior de la regin meterica y que son tiles para fines de comunicacin. Este efecto se conoce generalmente,como techo del eco subdenso. Se ha observado que en el caso monoesttico existen tambin semejantes restricciones. LaF

41、ig. 4 muestra la distribucin de la altura de los ecos subdensos segn medidas realizadas a distintas frecuencias deradar. Se puede observar que la altitud ms baja a la que aparecen ecos subdensos es de 85 km y que la distribucin dealtitudes es aproximadamente gaussiana a cualquier frecuencia.La altur

42、a media de la estela h (km) a la frecuencia f (MHz) es:h = 17 log f + 124 (15)La altura media de la estela es funcin de otros parmetros del sistema adems de la frecuencia. Sin embargo, laecuacin (15) constituye una buena aproximacin.Rec. UIT-R P.843-1 70843-0480 9010011012013018 MHz36 MHz70 MHzNmero

43、relativodemeteorosAltura (km)Distribucin estimada de las estelas metericasFIGURA 4Distribucin de la altura de los meteoros subdensos que proporcionanecos a frecuencias de 18, 36 y 70 MHzFIGURE 4 D04 = 9 cm7 Ubicaciones de las regiones de dispersin ptimaLas propiedades de dispersin de las estelas rec

44、tas de ionizacin metericas son muy sensibles a la forma. Para que seaneficaces es necesario que las estelas satisfagan aproximadamente una condicin de reflexin especular. Ello exige que laestela ionizada sea tangencial a un esferoide alargado cuyos focos son los terminales transmisor y receptor (vas

45、e laFig. 2). En la superficie celeste ms efectiva, la fraccin de estelas metericas incidentes que se espera tenganorientaciones tiles es, aproximadamente, de un 5%. En la Fig. 5 aparecen los porcentajes estimados de estelas tilespara una separacin entre terminales de 1 000 km. Puede observarse que l

46、as zonas de dispersin ptimas estn situadasaproximadamente a 100 km a cada lado del crculo mximo, independientemente de la longitud del trayecto.La fraccin de estelas utilizables, p, para cualquier longitud de trayecto, D, puede estimarse mediante la frmulasiguiente:p = 4L3pi D3 (2 2) (1 2) (2 1) (2

47、2) 42h 2/ D 2 42(2 1) h2/ D 2(2 2)2(2 1) (2 1) (2 2) 42h2/ D 21/2(16)siendo: = (R1+ R2)/D = (R1 R2)/D.8 Estimacin de la frecuencia de impulsos tilPuede efectuarse una evaluacin del balance de potencia de un enlace de comunicaciones mediante impulsos metericosa partir de la altura media de la estela

48、y de otras expresiones indicadas anteriormente. Una vez considerado viable unenlace, es necesario realizar un anlisis ms detallado para determinar la velocidad a la que se podr transmitir lasseales mediante impulsos metericos.Normalmente los mtodos ms rigurosos de estimacin de la frecuencia de impulsos til se componen de las siguientesetapas:a) Establecimiento de la mnima potencia de seal recibida til.b) Utiliza