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International Telemetering Conference Proceedings / October 28-31, 1996 / Town and Country Hotel and Convention Center, San Diego, California / In this paper are described the effects that solar and lunar intrusions have on statistical analysis of the data. The NASA ACTS experiment focuses on the 20 and 27 GHz radiometer and beacon. The experiment is currently compiling a database for the attenuation for these different channels. For the year of 1994 our sight obtained 86.5 hours of attenuation and for 1995 our sight obtained 77 hours of attenuation. The total amount of interference time for sun/lunar intrusions for 1994 and 1995 was respectively, 39 hours and 38.5 hours, which is nearly half the total amount of attenuation due to rain and cloud fades. It is clear to see why this data must be taken out for any type of statistical analysis of the data.

[pt] O principal efeito causador de indisponibilidade em sistemas de rádio comunicações com freqüências superiores a 10 GHz é a atenuação por chuvas, especificamente a chuva convectiva, que é predominante em climas tropicais. Nesta tese será realizado o estudo e modelagem do comportamento dinâmico da atenuação por chuvas em enlaces terrestres e via satélite, com base em medidas realizadas no Brasil. Os aspectos dinâmicos da atenuação relacionam-se com as funções de distribuição de probabilidade de três variáveis aleatórias: a taxa de variação da atenuação com o tempo, o número de eventos em que um certo nível de atenuação é excedido e as durações individuais destes eventos. Em outras palavras, trata-se de problema de cruzamento de níveis aplicado à série temporal da atenuação. Ao contrário da distribuição cumulativa da atenuação, da qual informação que pode ser efetivamente retirada é limitada, a análise estatística de cada nível de atenuação, em separado, provê uma completa caracterização do fenômeno da atenuação servindo de base para aplicações tais como a construção de técnicas adaptativas de controle de ganho, metodologias de adaptação do sinal por códigos, modulações ou taxas de bits e a elaboração de esquemas de diversidade de rotas, espaço, sítio ou tempo. Utilizando o banco de dados de medidas de atenuação por chuvas em regiões tropicais e equatoriais brasileiras, obtido em medidas realizadas em seis localidades, tanto em enlaces terrestres como via satélite, foram analisados neste trabalho os comportamentos estatísticos da taxa de variação temporal da atenuação e da duração de eventos. Foi tratado, ainda, o problema do cruzamento de níveis aplicado ao conceito de disponibilidade. A informação obtida a partir dos resultados da análise dinâmica pode ser usada, como já mencionado, no tratamento de vários problemas fundamentais do projeto de sistemas de comunicações. A tese tem, também, como objetivo, contribuir para o aumento da base mundial de dados da análise da dinâmica da atenuação, principalmente em climas tropicais e equatoriais, onde tais dados são bastante escassos. / [en] The main effect causing non-availability in radio communication systems operating in frequencies above 10GHz, is the rain attenuation, particularly the heavy convective rain that is predominant in tropical regions. This thesis presents a detailed study and modelling of the dynamics of rain attenuation in terrestrial links and earthspace links, based on data obtained in long-term experimental measurements in Brazil. The dynamic aspects of rain attenuation can be described by probability distribution functions of three variables: the rate of change of the attenuation with time (fade slope), the number of events of a certain level of attenuation to be exceeded and the individual duration of these events. In other words, the level crossing applied to the attenuation time series. In contrast to the cumulative distribution of the attenuation, from which limited information can effectively be obtained, the separate statistical analysis of each level of attenuation can provide a complete understanding of the phenomenon, allowing the development of adaptive power control techniques, methods for signal adaptation using codes, modulation or bits rate and the design of spacial, routing, site and time diversity strategies. The work is based on rain attenuation data measured in terrestrial and earth-space links operating at frequencies above 10 GHz in 6 Brazilian locations. The study includes the analysis and modelling of the statistical behaviour of the rate of variation of the attenuation with time and the event durations. Also considered, is the level crossing problem applied to the availability concept. As mentioned, the information obtained from the dynamic analysis results and modelling can be used for the treatment of various fundamental problems in the radio communication system project. A contribution to increase the database of dynamic attenuation mainly in tropical and equatorial climates, where data is scarce, is also a result of this thesis.

[pt] A disponibilidade é o parâmetro chave no dimensionamento de sistemas de comunicação. Em sistema via rádio diversos fatores reduzem esta disponibilidade, entre os quais se podem citar o desvanecimento, as atenuações adicionais, as interferências externas e a ocorrência de falhas dos equipamentos. A atenuação por chuvas é o principal fenômeno de atenuação adicional para sistemas que operam em frequências superiores a 10 GHz. A chuva é um fenômeno aleatório que apresenta grande variação no espaço e no tempo. Diversos modelos teóricos e semi-empíricos foram propostos na literatura à medida que crescia a utilização de frequências mais elevadas na faixa de micro-ondas. A principal diferença entre os modelos está na maneira de representar a variação espaço-temporal da chuva e o seu efeito na onda eletromagnética em propagação. No trabalho é investigada a influência de parâmetros meteorológicos de direção e velocidade do vento, e testado o conceito de taxa de precipitação efetiva na modelagem. Dois modelos semi-empíricos são desenvolvidos com base em distribuições cumulativas de atenuação e taxas de precipitação pontuais disponíveis no banco de dados da União Internacional de Telecomunicações (UIT-R). Os testes de comparação demonstram que os modelos obtidos apresentam desempenho superior se comparados aos modelos atualmente recomendados para previsão da atenuação por chuvas. Em outra linha de investigação, foi desenvolvido um modelo estatisticamente consistente para previsão da distribuição da atenuação a partir da representação da distribuição cumulativa complementar da taxa de precipitação. A distribuição cumulativa da atenuação foi obtida a partir da suposição de um relacionamento com significado físico entre a taxa de precipitação e atenuação por chuvas. A comparação dos modelos demonstra que o modelo obtido apresenta resultados comparáveis a modelos de Recomendações do UIT-R. / [en] Availability is the key parameter in the communication systems design. In radio system many factors impact the availability, including fading, additional loss, external interference and equipment availability. The rain attenuation is the main impairments in systems operating at frequencies above 10 GHz. The rain is a random phenomenon that is highly variable in space and time. Several theoretical and semi-empirical models have been proposed in the literature as the growing use of higher frequencies in the microwave range. The main difference between the models is the way to represent the rain variation effect on electromagnetic waves. This work investigates the meteorological parameters direction and speed of wind influence in modeling. Two semi-empirical models are developed based on attenuation and rainfall rates cumulative distributions available at International Telecommunication Union (ITU-R) database. ITU-R testing criteria shows that the obtained models have superior performance compared to currently recommended models for rain attenuation prediction. In another line of investigation, a statistically consistent model to predict attenuation distribution from the complementary cumulative distribution of rainfall rate was developed. The attenuation cumulative distribution was obtained from rainfall rate and rain attenuation physical relationship assumption. ITU-R testing criteria show that the obtained model has results comparable with Recommendations ITU-R models.

[pt] A crescente demanda dos usuários por serviços de banda larga tais como dados a alta velocidade, vídeo, aúdio e multimídia, tem levado ao uso de sistemas rádio ponto- multiponto em freqüências superiores a 10 GHz, que além de menos utilizadas, permitem oferecer as grandes larguras de banda necessárias. Nessas freqüências, as perdas de propagação do sinal devem-se principalmente ao efeito de chuvas. A atenuação por chuvas afeta diretamente a cobertura e o desempenho dos sistemas que operam nestas faixas de freqüência. No presente trabalho é desenvolvido um modelo empírico para a previsão da distribuição cumulativa da atenuação por chuvas, utilizando a base oficial de ITU-R e resultados experimentais de medidas realizadas no Brasil. Este modelo fornece resultados mais precisos do que os atualmente propostos na literatura técnica e permite avaliar o impacto das chuvas na cobertura de sistemas ponto-multiponto tipo LMDS (Local Multipoint Distribution System). Além disto, foram desenvolvidos dois modelos para a previsão da distribuição da atenuação diferencial por chuvas, fator essencial para a determinação de efeitops de interferência e seu impacto das chuvas no desempenho de sistemas LMDS. Finalmente, foram desenvolvidos modelos para a previsão da duração total e média, de eventos de atenuação por chuvas, estatísticas também relevantes na análise de performance de sistemas LMDS. / [en] The growing demand for broadband services such as high- speed data, video, audio and multimedia, has lead to the use of point-multipoint radio systems operating in frequencies above of 10 GHz, that are not yet allocated for other services and allow the use of the large bandwidths required by these services. At these frequencies, the main contribution for the propagation losses is due to rain attenuation. The rain directly affects the area coverage and the performance of systems operating at these frequencies. In the present work, an empirical model is developed for predicting the cumulative distribution of rain attenuation prediction, using the ITU-R data base and results of propagation measurements campaigns performed in Brazil. The model provides better results than others currently found in the technical literature and allows the evaluation of the impact of rain attenuation in the coverage of LMDS (Local Multipoint Distribution System/Local Multipoint Communications System). Also, two models were developed for predicting distributions of differential rain attenuation, an essential factor for interference effects and its impact in LMDS performance. Finally, models were developed for the prediction of total and average duration of rain attenuation events, also relevant for systems performance assessment.

Wireless communications systems of all types must deliver reliable connections to the end users to be accepted by the public. The reliability of these systems is composed of two aspects. The first aspect is the reliability of the actual hardware and software composing the device and is completely under the control of the designers of the equipment. The second aspect of reliability or availability is the wireless propagation link connecting the users. This link is very difficult to model exactly and is composed of a fixed propagation loss plus random elements of propagation loss.This thesis focuses on the propagation links associated with satellite communications systems (Satcom). The fixed portion of the link loss in this case is the "spreading loss" or free space loss which occurs due to the large distance between the user and the satellite. The random portion of the link loss in these systems is due to many things such as rain, absorption, shadowing, multipath and cross polarization effects. However the major element associated with fades in Satcom systems is rain and the fades associated with rain. Rain becomes an even more dominate term in the situation as higher frequencies are used to obtain the increases in bandwidths required to accommodate the increases in use. Rain fades on the satellite links are modeled as random processes whose parameters are given in RECOMMENDATION ITU-R P.837-5 of the International Telecommunications Union (ITU). Over the years this recommendation has been revised and the current revision is 837-5 as indicated above. However, the data used to develop these models has always come from the European Centre for Medium-range Weather Forecasts based upon data measured at approximately 100 stations around the world. Since 1998 satellite sensory data is available for the tropics which directly measures rain data in this area. The Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) is a join satellite project involving the USA and Japan. As a result of the availability of TRMM data it is possible to improve the statistical rain rate models for the tropical regions of the world. Recently a number of researchers (T.V, Omotosho, C.O. Oluwafemi, C Prabhakara et all) have begun to use TRMM data to improve the rain rate and rain fade estimates. The ITU has also begun to study using TRMM data in their recommendations. In this thesis the TRMM data is used to construct a rain rate and rain fade models for the Indian sub-continent as well as other parts of the tropics. This model is compared to the predictions based upon the ITU 837-5 models and substantial differences are found in the heavy rain fall areas. India is currently building a satellite (GSAT-4) to measure rain fades at 20/30 GHz and it is hoped that these results can be used to compare with the measured GSAT-4 data when it is available.

[pt] O projeto de sistemas fixos de acesso sem fio em banda larga operando em ambientes abertos em frequências entre 10 e 66 GHz requer um planejamento criterioso devido à necessidade de maximizar a utilização da largura de banda disponível, maximizar a capacidade da rede, garantir requisitos mínimos de disponibilidade e minimizar os custos em um tipo de ambiente e em uma faixa de frequências em que as ondas eletromagnéticas são sujeitas a fenômenos específicos durante a propagação. Este trabalho apresenta os aspectos envolvidos no planejamento de sistemas deste tipo que utilizam topologia ponto-multiponto e atendem à recomendação IEEE 802.16. São apresentados modelos para previsão de cobertura, cálculo da atenuação diferencial por chuvas e previsão da atenuação por chuvas considerando a não-homogeneidade das chuvas em duas dimensões horizontalmente. Os efeitos das interferências no desempenho dos sistemas são analisados em conjunto com alguns exemplos de planejamento das células. Os aspectos importantes para o planejamento da capacidade são descritos e técnicas que permitem maximizar a capacidade são apresentadas. Com o objetivo de organizar todas as informações para ajudar em situações reais uma metodologia de planejamento é proposta incluindo considerações técnicas, mercadológicas e financeiras. / [en] The development of outdoor fixed broadband wireless access (BWA) systems operating at 10-66 GHz frequency requires a carefully planning in order to maximizing the use of the bandwidth, maximizing network capacity, assuring minimum requirements of availability and minimizing costs in an environment and in a frequency band where the propagation of electromagnetic waves are subjected to specific issues. This work presents the aspects related to the development of this kind of system in a point-to- multipoint architecture standardized by the IEEE 802.16 recommendation. Models to predict coverage, estimate differential rain attenuation and predict rain attenuation considering the un-homogeneity of the rain in horizontal plane. The effects of interference in the system performance are discussed with some examples of cell planning. The main aspects of capacity planning are described and techniques to maximize capacity are presented. In order to helping the planners in practical situations the information are organized in a proposal of planning methodology that includes technical, business and marketing issues.

[pt] Este trabalho examina o problema da atenuação por chuvas na propagação da energia em freqüências superiores a 10 ghz, com especial ênfase na aplicação dos resultados em regiões de clima tropical. São discutidos em detalhes os métodos existentes para caracterizar a distribuição estatística pontual da precipitação em uma região. Apresenta-se uma solução semi-empírica para a questão da não uniformidade espacial da distribuição de chuvas em um percurso, empregando o conceito de precipitação equivalente e dados de inúmeros trabalhos experimentais publicados na literatura técnica para diversas freqüências e distancias. Finalizando é feito um exemplo ilustrativo do método proposto, tomando por base os dados pluviográficos do Rio de Janeiro. / [en] This work deals with the problem of rainfall attenuation at frequencies above 10 GHz. Particular enphasis is given to the application of the final results for communications links in a tropical region. The proposed nethods to characterize the punctual rainfall statistical distribution in a specific region are discussed in detail. A solution to the problem of a non-uniform spatial distribution of the rainfall through the propagation path is presented, the concept of equivalent precipitation being applied. A big amount of experimental data from the technical literature was utilized, for different frequencies and distances. Finaly, an example of the proposed method is presented, along with an application based upon Rio de Janeiro rain data.