Estudio e investigación de la absorción por lluvias a las frecuencias de 11.6, 20 y 30 GHz en un clima Ecuatorial lluvioso usando radiómetros pasivos

Abstract

A través de la historia el hombre ha buscado incesantemente, como parte de su supervivencia, la comunicación inteligente con sus semejantes, empleando para ello todos los medios que le permitieran prolongar los sonidos naturales de la voz más alla de las distancias a las que puede alcanzar. Primero mediante señales percusivas y acústicas para luego, gracias a su ingenio, llegar a crear las modernas tecnologías comunes a nuestro tiempo. Así, las telecomunicaciones han sido desde el inicio uno de los instrumentos más importantes para el desarrollo de la humanidad y por lo mismo el hombre continúa estudiando e investigando la forma de utilizar eficientemente los recursos que ya tiene a su disposición. Es el caso del espectro de frecuencias y de la órbita geoestacionaria usados para las telecomunicaciones por satélite. Desde el lanzamiento del "EARLY BIRD" en 1965 a la fecha, las comunicaciones por satélite han alcanzado una etapa de uso generalizado; no solo para sistemas de comunicaciones internacionales, sino también para sistemas de comunicaciones domésticas. Una característica común de los sistemas vía satélite actuales es el empleo insistente de las bandas de frecuencia de 4 y 6 GHz, que proporcionan anchos de banda de 500 MHz. Como consecuencia de ello, se vie nen produciendo severas interferencias con las redes de microondas terrestre que operan en la misma banda, así como también interferencias entre satélites debido a la gran cantidad de satélites lanzados. En la figura 1 se muestra la actual saturación de la órbita geoestacionaria entre los meridianos 60 y 150 grados longitud Este. Por otro lado, el espectro de frecuencias de 4 y 6 GHz es un recurso/finito que está siendo copado rápidamente con el incremento acelerado de la demanda hacia los servicios de comunicación por satélite (telefonía, televisión, télex, datos). En los Estados Unidos, Japón, Canadá y Rusia la de manda hacia los servicios de comunicación vía satélite exceden fácilmente la oferta existente. Con el fin de sobrellevar esta crítica situación se ha visto necesario considerar el empleo de frecuencias mayores a los 10 GHz, que proporcionan anchos de banda del orden de los gigahertz; no solo para aumentar la capacidad de los nuevos satélites sinó también para suministrar el espectro adicional que será requerido por los nuevos servicios que van apareciendo. Asimismo, la interferencia de estas bandas con los sistemas de microondas terrestres no será tan severas como en el caso de las bandas de 4 y 6 GHz. Las técnicas de diseño que se empleen tanto para los satélites como para las estaciones terrenas, no diferirán significativamente con las empleadas actualmente en la banda C. Tampoco aparecerán mayores problemas en su implementación debido a la alta tecnología de fabricación de la cual se dispone hoy en día. Infortunadamente a estas frecuencias aparecen nuevos fenómenos de propagación que afectan la confiabilidad del sistema de comunicaciones. Los nuevos factores están relacionados principalmente con la constitución gaseosa de la atmósfera, tales como el vapor de agua y el oxígeno molecular que presentan fuertes líneas de absorción a determinadas frecuencias; y por los hidrometeoros como son las nubes, la niebla, el granizo, la nieve y la lluvia que causan distorsión en la propagación debido a la interacción onda partícula. El fenómeno más importante que afecta a la propagación de las ondas, son las precipitaciones pluviales que producen los mayores efectos de dispersión y absorción de las ondas electromagnéticas. Estos efectos combinados producen la atenuación. Los fenómenos de propagación experimentados en comunicaciones por satélite a bajas frecuencias (ducting, centelleo ionosférico, centelleo troposférico y otros) decrecen con el incremento de la frecuencia y por lo tanto no son problema para el sistema propuesto. Con el propósito de que los futuros sistemas de comunicación por satélité a frecuencias mayores de 10 GHz puedan sobreponerse a estos nuevos fenómenos y dar así una mayor confiabilidad a las comunicaciones, se han propuesto diferentes técnicas. Una de estas técnicas es el empleo de la diversidad de ubicación o espacio, donde dos estaciones terrenas se encuentran separadas por una distancia apropiada y comunicadas entre sí mediante enlaces terrestres. Estas estaciones reciben la misma señal y la estación con la menor atenuación debido a estos fenómenos es seleccionada electrónicamente. La mejora que se observa es atribuida a la inhomogeneidad y tamaño de las celdas de lluvia. Una alternativa a la diversidad de espacio es el incremento por comando de la potencia del enlace ascendente y descendente a fin de disminuir el efecto de la atenuación del trayecto. Ello se logrará midiendo la atenuación del enlace descendente en un momento dado y deduciendo él nivel de potencia requerida del enlace ascendente mediante un índice de correlación entre las atenuaciones de los enlaces ascendente y descendente. Sea cual fuere la técnica a emplear, es esencial el poder contar con datos exactos de los fenómenos de propagación para lo cual INTELSAT ha elaborado un programa de observaciones y estudios de la atenuación por lluvia en las bandas 11, 20 y 30 GHz. Con los datos recopilados en la actualidad sobre la atenuación y la teoría desarrollada, han sido elaborados diversos modelos que permiten predecir con cierta exactitud las perturbaciones que podrían afectar a la mayoría de las estaciones terrenas proyectadas. Sin embargo, no han sido comprobadas las mismas en regiones de clima ecuatorial lluvioso como África Ecuatorial, las Islas Ecuatoriales del Pacífico y Sud-Amé rica Ecuatorial, aun cuando es en estos lugares donde se esperen los más severos efectos de atenuación debido a la lluvia. ENTEL PERU S.A. consciente de la importancia del programa de estudio y observaciones elaborado por INTELSAT, presentó una propuesta para llevar a cabo en el Perú estudios correspondientes a las zonas ecuatoriales, lo cual fue aceptado por dicho Organismo. La ubicación de nuestro país dentro de la región ecuatorial y las condiciones climáticas de zonas con abundante precipitación pluvial, dan las características esenciales para un comportamiento especial del fenómeno. El objetivo principal del presente estudio es la obtención de las distribuciones típicas de las atenuaciones producidas por las lluvias a las frecuencias de 11.6, 20 y 30 GHz. El conocimiento de estas curvas es importante pues permiten estimar el margen de ganancia requerido por un sistema de comunicaciones vía satélite para sobreponerse a las atenuaciones producidas por la lluvia, así como para determinar la confiabilidad del sistema. Otro objetivo importante es la obtención de la distribución de las intensidades de lluvia en mm/hr, a fin de relacionarlo con las distribuciones anteriores y con las aproximaciones teóricas tendientes a mejorarlas en el futuro. Es de realzar que es la primera vez en el país, y uno de los primeros en el mundo, que se realiza un experimento con características y condiciones similares. Los resultados que se obtendrán al final del mismo, serán un aporte nuestro a las telecomunicaciones mundiales. La localidad elegida para llevar a cabo el experimento fue la ciudad de Iquitos, específicamente las instalaciones de la Estación Terrena de Pampachica, donde fueron instalados un pluviómetro y dos radiómetros pasivos. Uno recolectando datos de propagación a la frecuencia de 11.6 GHz sobre una trayectoria tierra-espacio y el otro operando a la doble frecuencia 20/30 GHz sobre una trayectoria similar. La salida de los radiómetros es proporcional a la temperatura de ruido espacial la cual es convertida a una atenuación equivalente. En el primer capítulo se analizan los fenómenos de propagación principales que afectan a las frecuencias mayores de 10 GHz. En los dos siguientes capítulos se describen los equipos empleados y las técnicas utilizadas para el análisis de los datos y su conversión a niveles de atenuación. En el capítulo 4 son presentados los resultados estadísticos de las mediciones efectuadas durante 5 meses de observación, tales como distribución de la temperatura espacial, distribuciones de atenuación, distribución pluvial, correlación de atenuaciones a diferentes frecuencias y otros cuadros igualmente importantes. Los mismos son analizados y comparados con predicciones teóricas. Adicionalmente se presentan las secuencias de atenuación producidas por el sol (outage solar) así como su tiempo de duración en el día principal. Finalmente son presentadas las observaciones y conclusiones resultantes de la investigación realizada.