Tropospheric scintillation with concurrent rain attenuation at 50 GHz in Madrid

Tropospheric scintillation can become a significant impairment in satellite communication systems, especially in those with low fade-margin. Moreover, fast amplitude fluctuations due to scintillation are even larger when rain is present on the propagation path. Few studies of scintillation during rain have been reported and the statistical characterization is still not totally clear. This paper presents experimental results on the relationship between scintillation and rain attenuation obtained from slant-path attenuation measurements at 50 GHz. The study is focused on the probability density function (PDF) of various scintillation parameters. It is shown that scintillation intensity, measured as the standard deviation of the amplitude fluctuations, increases with rain attenuation; in the range 1-10 dB this relationship can be expressed by power-law or linear equations. The PDFs of scintillation intensity conditioned to a given rain attenuation level are lognormal, while the overall long-term PDF is well fltted by a generalized extreme valué (GEV) distribution. The short-term PDFs of amplitude conditioned to a given intensity are normal, although skewness effects are observed for the strongest intensities. A procedure is given to derive numerically the overall PDF of scintillation amplitude using a combination of conditional PDFs and local statistics of rain attenuation.

Caracterización experimental del centelleo troposférico en banda Ka

El presente Proyecto Fin de Grado tiene como objetivo el estudio y caracterización del centelleo troposférico en ausencia de lluvia en la banda Ka de un enlace Tierra-satélite. Para ello se dispondrá de un equipo receptor situado en la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación. Los datos son emitidos desde el satélite EutelSat Hot Bird 13A a una frecuencia de 19,7 GHz. La primera parte del proyecto comienza con las bases teóricas de los distintos fenómenos que afectan a la propagación de un enlace satélite, mencionando los modelos de predicción más importantes. Se ha dado más importancia al apartado perteneciente al centelleo troposférico por ser el tema tratado en este proyecto. El estudio cuenta con datos del satélite durante 7 años comprendidos entre julio de 2006 a junio de 2013. Después del filtrado y el resto del tratamiento adecuado de los datos se han obtenido distintas distribuciones estadísticas que están relacionadas con el centelleo como la varianza. Más tarde se ha comparado la varianza experimental con parámetros meteorológicos obtenidos desde distintas bases de datos. El objetivo de esto ha sido discernir cuál de estos factores afecta en mayor medida a la intensidad de centelleo. Para ello se ha realizado la correlación entre la varianza y varios parámetros meteorológicos: temperatura, humedad relativa, humedad absoluta, índice de refracción húmedo, presión… Además se han realizado medidas de nubosidad en los que se ha clasificado las muestras dependiendo del tipo de nube presente en el cielo. A continuación se ha calculado la varianza mensual media y distribuciones acumuladas de ciertos modelos de predicción de centelleo, comparándolos gráficamente con las curvas experimentales. Estos modelos usan parámetros medidos en superficie por lo que se utilizarán algunos de los parámetros analizados en el capítulo anterior. Por último se expondrán las conclusiones sacadas a lo largo de la realización del proyecto y las posibles líneas de investigación futuras. ABSTRACT. The present Project has as the principal aim the study and characterization of tropospheric scintillation in lack of rain in the band Ka of an Earth-satellite link. It is provided for a receptor equipment located in the ETSIT. The data are broadcasted form the Eutelsat Hot Bird 13A satellite at the frecuency of 19,7 GHz. The beginning of the project starts with the theorical basis of the different phenomenons that affects to the propagation of a satellite link, naming the most important predictions models. The chapter referred to the scintillation has had more importance due to be the main topic in this project. The study deals with satellite data during 7 years between July 2006 to June 2013. After the filter and others treatments of the data, it has been getting different statistics distributions related to scintillation like variance. Later, the experimental variance has been compared with meteorological parameters obtained from different datasets. The purpose has been to decide which factor affects in a greater way to the scintillation intensity. For that it has been doing the correlation between variance and meteorological parameters: temperature, relative humidity, absolute humidity, air refractivity due to water vapour, pressure… Moreover, it has been doing cloudiness measurements in which the samples have been classified in order to the kind of cloud shown in the sky at that moment. Then it has been calculated the monthly averaged variance and the prediction model for cumulative distributions which has been compared with the experimental results. That models uses surface data that they will be uses some meteorological parameters analyzed in previous chapters. Finally it will be shown the conclusions obtained along the realization of the project and the possible ways of future research.

Síntesis de series temporales de centelleo troposférico

Los sistemas de telecomunicación que trabajan en frecuencias milimétricas pueden verse severamente afectados por varios fenómenos atmosféricos, tales como la atenuación por gases, nubes y el centelleo troposférico. Una adecuada caracterización es imprescindible en el diseño e implementación de estos sistemas. El presente Proyecto Fin de Grado tiene como objetivo el estudio estadístico a largo plazo de series temporales de centelleo troposférico en enlaces de comunicaciones en trayecto inclinado sobre la banda Ka a 19,7 GHz. Para la realización de este estudio, se dispone como punto de partida de datos experimentales procedentes de la baliza en banda Ka a 19,7 GHz del satélite Eutelsat Hot Bird 13A que han sido recopilados durante siete años entre julio de 2006 y junio de 2013. Además, se cuenta como referencia teórica con la aplicación práctica del método UIT-R P.618-10 para el modelado del centelleo troposférico en sistemas de telecomunicación Tierra-espacio. Esta información permite examinar la validez de la aplicación práctica del método UIT-R P.1853-1 para la síntesis de series temporales de centelleo troposférico. Sobre este sintetizador se variará la serie temporal de contenido integrado de vapor de agua en una columna vertical por datos reales obtenidos de bases de datos meteorológicas ERA-Interim y GNSS con el objetivo de comprobar el impacto de este cambio. La primera parte del Proyecto comienza con la exposición de los fundamentos teóricos de los distintos fenómenos que afectan a la propagación en un enlace por satélite, incluyendo los modelos de predicción más importantes. Posteriormente, se presentan los fundamentos teóricos que describen las series temporales, así como su aplicación al modelado de enlaces de comunicaciones. Por último, se describen los recursos específicos empleados en la realización del experimento. La segunda parte del Proyecto se inicia con la muestra del proceso de análisis de los datos disponibles que, más tarde, permiten obtener resultados que caracterizan el centelleo troposférico en ausencia de precipitación, o centelleo seco, para los tres casos de estudio sobre los datos experimentales, sobre el modelo P.618-10 y sobre el sintetizador P.1853-1 con sus modificaciones. Al haber mantenido en todo momento las mismas condiciones de frecuencia, localización, clima y periodo de análisis, el estudio comparativo de los resultados obtenidos permite extraer las conclusiones oportunas y proponer líneas futuras de investigación. ABSTRACT. Telecommunication systems working in the millimetre band are severely affected by various atmospheric impairments, such as attenuation due to clouds, gases and tropospheric scintillation. An adequate characterization is essential in the design and implementation of these systems. This Final Degree Project aims to a long-term statistical study of time series of tropospheric scintillation on slant path communications links in Ka band at 19.7 GHz. To carry out this study, experimental data from the beacon in Ka band at 19.7 GHz for the Eutelsat Hot Bird 13A satellite are available as a starting point. These data have been collected during seven years between July 2006 and June 2013. In addition, the practical application of the ITU-R P.618-10 method for tropospheric scintillation modeling of Earth-space telecommunication systems has been the theoretical reference used. This information allows us to examine the validity of the practical application of the ITU-R P.1853-1 method for tropospheric scintillation time series synthesis. In this synthesizer, the time series of water vapor content in a vertical column will be substituted by actual data from meteorological databases ERA-Interim and GNSS in order to test the impact of this change. The first part of the Project begins with the exposition of the theoretical foundations of the various impairments that affect propagation in a satellite link, including the most important prediction models. Subsequently, it presents the theoretical foundations that describe the time series, and its application to communication links modeling. Finally, the specific resources used in the experiment are described. The second part of the Project starts with the exhibition of the data analysis process to obtain results that characterize the tropospheric scintillation in the absence of precipitation, or dry scintillation, for the three study cases on the experimental data, on the P.618-10 model and on the P.1853-1 synthesizer with its modifications. The fact that the same conditions of frequency, location, climate and period of analysis are always maintained, allows us to draw conclusions and propose future research lines by comparing the results.

Estudio experimental del centelleo troposférico en presencia de precipitación

Este Proyecto Fin de Grado tiene como objetivo realizar un estudio del centelleo troposférico en presencia de lluvia en la banda Ka. Para ello se han utilizado los datos obtenidos de un enlace Tierra-satélite mediante una estación receptora situada en la ETSIT UPM. En la primera parte de este proyecto, se ha realizado un estudio teórico, no demasiado profundo de los principales fenómenos que afectan a este tipo de enlaces, comentando algunos modelos de predicción y profundizando en el centelleo troposférico, ya que es el principal tema que se trata en este proyecto. En segundo lugar, se ha realizado el experimento. En la primera parte se ha comprobado que efectivamente se cumple el modelo de pendiente de -20 dB/dec debidos a la lluvia, todo ello procesando los datos que han sido tomados en la ETSIT mediante Matlab. En la segunda parte, se han tratado individualmente distintos tipos de eventos con el fin de determinar una frecuencia de corte adecuada para realizar la separación mediante filtrado de las componentes de lluvia respecto a las de centelleo, así como verificar el cumplimiento de la pendiente en el espectro de -26 dB/dec debida al centelleo. Posteriormente, una vez que se ha obtenido una frecuencia de corte adecuada para el filtro, he separado las componentes espectrales debidas al centelleo de las componentes debidas a la lluvia. Se ha obtenido la varianza de una serie de eventos, ya que es el parámetro que mejor caracteriza la intensidad del centelleo y la hemos comparado en los diferentes meses para observar su variación, ya que las lluvias de verano tienen asociadas la presencia de turbulencias mayores respecto a las de invierno. Para finalizar el proyecto, se han expuesto las conclusiones a las que hemos llegado mediante el mismo, comentando también las posibles líneas de investigación futuras. ABSTRACT. The aim of this Project is to make a study about tropospheric Scintillation in presence of rain in the Ka band. For this purpose, the data obtained in an Earth-satellite link by a receiving station located at ETSIT UPM will be used. In the first part of this project, a non-detailed theoretical study of the principal phenomena affecting this type of links has been performed, commenting some prediction models and deepening in tropospheric Scintillation, because this is the principal objective of this project. In the second part, the experiment has been completed. In the first part the fulfillment of -20 dB/dec of slope due to the rain has been proved, after processing the data obtained in the ETSIT using Matlab. In the second part different types of events have been treated in order to determine an adequate cut frequency with the purpose of separating by filtering the components of the rain from the components of scintillation as well as verifying the fulfillment of the slope in the spectrum of -26 dB/dec due to scintillation. Afterwards, once that one suitable cut frequency for the filter has been obtained, the components of scintillation respect to the components produced by rain have been separated. The variance of a series of events has been obtained, because it is the parameter that best characterizes the scintillation intensity and during the different months it has been compared with the objective of observing its variation, due to the higher association of summer rains to the presence of greater turbulences than during winter rains. To complete this project I have presented the final conclusions to which we have come, also commenting on the possible future lines of investigation.