Predicción a corto plazo de las características del canal de comunicaciones por satélite

Resumen

Los desarrollos tecnológicos en las cargas útiles y los segmentos terrestres permiten la explotación de bandas de frecuencias más altas en sistemas de radiocomunicaciones espaciales, incluyendo servicios de comunicaciones por satélite, exploración espacial y observación de la Tierra. Las ventajas de las bandas de frecuencia más altas incluyen mayores anchos de banda disponibles, antenas más pequeñas con la misma ganancia y menos interferencias por parte de los sistemas existentes. Por otro lado, estas frecuencias se ven gravemente afectadas por fenómenos atmosféricos: atenuación por lluvia, nubes, gases y centelleo troposférico. En sistemas de alta disponibilidad, el margen de enlace requerido basado en estadísticas de exceso de atenuación se vuelve demasiado alto e ineficiente. Deben utilizarse técnicas de mitigación de la degradación de la propagación (PIMT), como el control de potencia de enlace ascendente (UPC), la codificación y modulación variable/adaptativa (VCM/ACM) y la diversidad de sitio. Una gran ventaja para el empleo óptimo de VCM y diversidad de sitio sería el pronóstico a corto plazo de la ocurrencia de desvanecimientos de la señal, su profundidad y duración. Las campañas de medición de la propagación de ondas radioeléctricas tienen como objetivo evaluar y mejorar la precisión de los modelos de propagación estandarizados por la Unión Internacional de Telecomunicaciones, Sector de Radiocomunicaciones (ITU-R), que predicen las estadísticas de primer y segundo orden de la atenuación atmosférica. El satélite Alphasat incluye dos transmisores de baliza en las bandas Ka y Q (19.7 y 39.4 GHz respectivamente). Bajo contrato con la Agencia Espacial Europea (ESA), se desarrolló un terminal de propagación terrestre para la medición de estas señales. Mediciones se han llevado a cabo en Graz (Austria) desde noviembre de 2013. Al mismo tiempo, también bajo contrato con la ESA, se desarrollaron e instalaron dos terminales de propagación terrestres para realizar mediciones en dos ubicaciones en Malasia, utilizando la baliza del satélite Syracuse 3A en la banda Ka (20.2 GHz). El objetivo es nuevamente mejorar la caracterización del canal de radio, con el objetivo específico de definir los requisitos para el desarrollo de sistemas de comunicaciones por satélite en regiones tropicales. Mediciones se han recopilado en Skudai y Parit Raja (Malasia) desde julio de 2015. Estas actividades permiten la creación de una base de datos en el marco de la presente tesis para el estudio del canal de comunicaciones por satélite en climas templados y tropicales. Además de las mediciones de baliza, se utilizan conjuntos de datos auxiliares, incluyendo mediciones de radiómetros, disdrómetros y estaciones meteorológicas. Los datos recopilados se procesan, validan, analizan y se utilizan para el modelado de la atenuación atmosférica. Como hipótesis de partida de la presente tesis, se estableció que la información sobre parámetros meteorológicos disponible de agencias meteorológicas internacionales y nacionales podría convertirse en parámetros de propagación de ondas radioeléctricas, específicamente la atenuación atmosférica en las bandas de frecuencia de interés. El objetivo de la presente tesis es el diseño validado de una herramienta de software para la predicción a corto plazo de las características del canal satélite, la denominada Channel Forecast Software Tool (CFST). Los pronósticos se basan en datos de predicción numérica del tiempo (NWP), que se convierten en características de canal utilizando principalmente modelos físicos contenidos en las Recomendaciones de la ITU-R. El estudio incluye el uso de varios modelos de pronóstico NWP con diferentes parámetros y resoluciones espaciales y temporales; y el análisis de los diferentes resultados obtenidos. Los pronósticos de atenuación son validados mediante comparaciones con las mediciones contenidas en la base de datos de propagación, cuantificando las diferencias observadas y discutiendo las posibles causas. La metodología de investigación de la presente tesis consistió en los pasos siguientes: Se estudiaron los diferentes efectos atmosféricos en la propagación de ondas de radio y los modelos del canal de comunicaciones por satélite. Se creó una base de datos de propagación para el modelado del canal y la evaluación de los pronósticos de atenuación de la CFST. Se diseñaron y ejecutaron dos campañas de medición de la propagación en las bandas Ka y Q en climas templados y tropicales: el "Experimento Científico Alphasat Aldo Paraboni" y la "Campaña de Propagación Tropical en Banda Ka". Las mediciones recopiladas con los terminales de propagación terrestres y equipos auxiliares (incluyendo radiómetros, disdrómetros y estaciones meteorológicas) se procesaron, validaron y analizaron empleando procedimientos estandarizados y los resultados obtenidos se comparan con los modelos de canal actuales. La herramienta de software de pronóstico de canal (CFST) fue diseñada para proporcionar pronósticos a corto plazo de la atenuación del canal de satélite utilizando como entrada pronósticos de predicción numérica del tiempo (NWP). Se investigó el estado del arte de los modelos de pronóstico NWP. Se seleccionaron tres modelos en función del área de cobertura, tamaño de la cuadrícula, período de pronóstico y parámetros meteorológicos requeridos por la CFST. Los algoritmos de conversión de datos NWP a características de canal se establecieron como módulos de software implementando los modelos de canal contenidos en las Recomendaciones ITU-R P. Se probaron diferentes conjuntos de datos de entrada y configuraciones de algoritmos de conversión para obtener los mejores resultados posibles. Los pronósticos de atenuación por lluvia, gases y nubes se validaron comparándolos con las mediciones en la base de datos de propagación, utilizando varias métricas y discutiendo los resultados obtenidos y las posibles causas. La evaluación de los pronósticos demostró la funcionalidad de los algoritmos de conversión de la CFST, pero los resultados obtenidos no fueron tan buenos como se esperaba. Los problemas fueron causados por la baja resolución espacial y temporal de los modelos NWP. Además, los pronósticos de NWP resultaron no ser suficientemente fiables. Especialmente los eventos de lluvia intensa y de evolución rápida (que son los más relevantes para los operadores de satélites) no se pronostican correctamente. Sin embargo, cuando se utilizan datos de NWP (en lugar de pronósticos) como entrada a la CFST, la conversión en atenuación proporciona mucho mejores resultados, validando el rendimiento de la CFST y señalando a los modelos de pronóstico NWP como la fuente del error de pronóstico de atenuación. La validación de los pronósticos de atenuación por gases proporcionó muy buenos resultados. Se observó una mayor fiabilidad de los modelos NWP a la hora de pronosticar perfiles verticales de temperatura, presión y humedad relativa, lo que podía anticiparse, ya que estos parámetros muestran una menor dinámica. El rendimiento de la CFST mejorará con los anticipados futuros modelos de pronóstico NWP, de mayor resolución y más precisos. The development of payload and ground segment technologies enables the exploitation of higher frequency bands for space radiocommunication systems, including satellite communications, space exploration and Earth observation satellite services. The advantages of the higher frequency bands include larger available bandwidths, smaller antenna sizes for the same antenna gain and less interference from existing systems. On the other hand, these frequencies are severely impaired by atmospheric phenomena: attenuation by rain, clouds, gases and tropospheric scintillation. For high availability systems, the required link margin based on statistics of attenuation exceedance becomes too high, impractical and inefficient. Propagation impairment mitigation techniques (PIMTs) must be used, such as uplink power control (UPC), variable/adaptive coding and modulation (VCM/ACM) and site diversity. A great advantage for the optimum employment of VCM and site diversity would be the short-term forecast knowledge of the occurrence of signal fades, their likely depth and duration. Radiowave propagation measurement campaigns aim to assess and improve the accuracy of the propagation models standardized by the International Telecommunication Union, Radiocommunication Sector (ITU-R), which predict the first and second order statistics of the atmospheric attenuation. The Alphasat satellite includes two beacon transmitters in the Ka and Q bands (19.7 and 39.4 GHz respectively). Under contract with the European Space Agency (ESA), a ground propagation terminal was developed for the measurement of these signals. Measurements have been collected in Graz (Austria) since November 2013. At the same time, also under contract with ESA, two ground propagation terminals were developed and installed to carry out propagation measurements in two locations in Malaysia, using the Syracuse 3A satellite beacon in the Ka band (20.245 GHz). The goal is again to improve the characterization of the radio channel, with the specific objective of defining the requirements for the development of satellite communications systems in tropical regions. Measurements have been collected in Skudai and Parit Raja (Malaysia) since July 2015. These activities allow the creation of a database in the framework of the present thesis for the study of the satellite communication channel in temperate and tropical climates. In addition to satellite beacon measurements, ancillary datasets are used, including measurements from radiometers, disdrometers and weather stations. The collected data are processed, validated, analyzed and used for the modelling of the atmospheric attenuation. As a starting hypothesis of the present thesis, it was established that the information on meteorological parameters available from international and national meteorological agencies could be converted into radiowave propagation parameters, specifically the atmospheric attenuation in the frequency bands of interest. The goal of the present thesis is the validated design of a software tool for the short-term forecast of satellite channel characteristics, the so-called Channel Forecast Software Tool (CFST). The forecasts are based on numerical weather prediction (NWP) data, which are converted into channel characteristics using mainly physical models contained in the Recommendations from ITU-R. The study includes the use of various NWP models with different parameters and spatial and temporal resolutions; and the analysis of the different obtained results. The attenuation forecasts are validated through comparisons with the Propagation Database. The differences are quantified and the possible causes are discussed. The research methodology of the present thesis consisted on the following steps: The different atmospheric effects on the propagation of radio waves and the channel models for satellite communications systems were studied. The Propagation Database was created for satellite channel modelling and attenuation forecast assessment. Two propagation measurement campaigns at Ka and Q band in temperate and tropical climates were designed and executed, namely the “Alphasat Aldo Paraboni Scientific Experiment” and the “Ka-band Tropical Propagation Campaign”. The gathered satellite beacon and ancillary equipment measurements (including radiometers, disdrometers and meteorological stations) were processed, validated and analyzed employing standardized procedures; and the obtained results were compared with the current channel models. The Channel Forecast Software Tool (CFST) was designed to provide short-term forecasts of satellite channel attenuation using numerical weather prediction (NWP) forecasts as input. The state of the art of NWP forecast models was investigated. Three models were selected based on coverage area, grid size, forecast period and meteorological parameters required by the CFST. The conversion algorithms from NWP data to channel characteristics were established as software modules implementing the models contained in the ITU-R P. Recommendations. Multiple different weather forecast input datasets and conversion algorithms settings were tested in order to obtain the best achievable results. The CFST forecasts of rain, gaseous and cloud attenuation were assessed comparing them with measurements in the Propagation Database using different error analysis metrics, discussing the obtained results and possible causes. The assessment proved the functionality of the CFST conversion algorithms but the obtained results were not as good as expected. Problems with the forecasts were caused by the low spatial and temporal resolution of the NWP models. Additionally, the NWP forecasts were found to be not reliable enough. Especially rapidly evolving, intense rain events (which are the most relevant for the satellite operators) were not forecast correctly. However, when using NWP data (instead of forecasts) as input to the CFST, the conversion into attenuation provided much better results, validating the performance of the CFST and pointing to the NWP forecast models as the source of the attenuation forecasts error. The validation of gaseous attenuation forecasts yielded very good results. A better reliability of the NWP models was observed when forecasting vertical profiles of temperature, pressure and relative humidity, which could be anticipated, since these parameters show lower dynamics. The performance of the CFST will improve with the foreseen higher resolution and more accurate NWP models.