Internati o nal  Journal of Ele c trical   and Computer  Engineering  (IJE CE)  V o l.  6, N o . 4 ,  A ugu st  2016 , pp . 17 10 ~ 1 716  I S SN : 208 8-8 7 0 8 D O I :  10.115 91 /ij ece.v6 i 4.1 040         1 710     Jo urn a l  h o me pa ge : h ttp ://iaesjo u r na l.com/ o n lin e/ind e x.ph p / IJECE  Seasonal and Diurnal Variation on  Tropospheric Scintillation at  K u -band in Tropical Climate        Ibtih a l F.  El-S hami 1,2 , Jafri Din 1   1  Wireless Com m unication  Center, Faculty  of  Electr i cal  Engineer ing, 81310  UTM  Johor Bahru ,  Jo hor, Malay s ia  2  College o f  Electrical  and  Elec tr onics Technolog y - Bengh azi-Lib y a       Article Info    A B STRAC T Article histo r y:  Received  Ma r 6, 2016  Rev i sed   May 17 , 20 16  Accepted  May 30, 2016      Tropospheric scintillation is a rapid  fluctuation of the received signal  amplitude which can cause pr opagation  im pai r m e nts  that aff ect s a t e l lit communication  s y stems operating above  10 GHz. Scintillatio n data was  collected in Equ a torial Johor Bahr u, Malay s ia, b a sed on a one- y ear K u -band   propagation measurement campaign, util i z ing MEASAT-1 Satell ite with  an   a n t e nna  el e v a t i o n a ngle  of 75. 6 1°.  T h i s  work c o nc e n t r a t e s  on t h e   proba bi lity   density  functio n (PDF) of diurnal var i a tions of cl ear sk scintil lat i on   varian ce analy z ed on an hour ly  basis.  Besid e s, seasonal variation o f   scintillation amplitude has been presented  in th is paper. From  the results, it is   conclud e d that  cle a r sk y  scint i llat i on vari anc e  is likel y   to o ccur during  m o rning and aft e rnoon periods.  Moreover,  clear  sk y  scint ill atio n am plitud e   of the South-West monsoon  sho w s a rela tiv ely  h i gher comparing  with other s   monsoon season s. Hence, signal atte nuation bas e d on seasonal  and diurnal  inform ation is  of great in ter e st  for  the s y stem designers to appropriately   design fad e  mar g in. Keyword:  Distribu tio n fun c tio n   Di u r nal  vari at i ons   Eq uat o ri al  regi on   Seasonal variat ions   Tropo sp h e ric scin tillatio n   Copyright ©  201 6 Institut e  o f   Ad vanced  Engin eer ing and S c i e nce.  All rights re se rve d Co rresp ond i ng  Autho r Jafri Din ,    W i rel e ss C o m m uni cat i on C e nt er,     Facu lty of Electri cal Engineering,    8 131 0 UTM Joh o r  Bah r u ,  Joho r, Malaysia , (Fax)  +(6) 07 -55 662 72 , Tel +(6 0 )0 7- 553 5306  Em a il: j a fri@ut m . m y       1.   INTRODUCTION  Satellite co mmu n i cation  system s o p e ratin g  at lo fad e  m a rg in with  a  freq u e n c y ab ov 1 0   GHz are  ex po sed  to  the tu rbu l en t fl u c tu ation s  of th e refr act i v e  i ndex ,  w h i c h  causes ra nd o m  fadi ng ( n e g at i v e   a m p litu d e ) an d en h a n cem en t (p o s itiv e am p lit u d e ) of th receiv ed  sign al.  In  fact, th ese fl u c tu ation s  are  main ly   in flu e n c ed   b y   th e p e cu liarities of th e lo cal  cli m ato l o g y  an d top ograph y , ch aracterized b y   h i gh   h u m i d ity ;   uni fo rm  tem p erature  an d e x c e ssive rai n fall.  In  fact, s u c h  c h aracteristics c oul d lead to  di ffe rent c h aract eristics  of  ra di o w ave   pr o p agat i o [1 ] .  Hen ce, t h im pact  of t h e  be havi ou or  feat u r es  of  t hos e p a ram e t e rs  o n   scin tillatio n  is of  k e y im p o r tan ce,  p a rticu l arly in  t h equ a torial reg i on th at is  o f ten   d o m in ated   b y  lo cal   cli m at ic p ecu liarities.  Scin tillatio n  ch aracteristics i n  So u t h east Asia d e p e nd  on th e m o n s oo n   season  th at is  cau sed  b y  a  season al sh ift in   wind   d i rection .   In  Malaysia, wind   flow  pat t erns  ca n be  c a t egorized  i n to   fou r  yearly seaso n s,  nam e ly  pre- N o rt heast (p re- N E) , N o rt heas t (NE) , p r e-S out hwe s t (p re- S W) an d So u t hwest (S W) These   corres pond to  October-Nove m b er, D ecem ber-Marc h , April-May and J u ne-Se p tem b er [2],[3].  A few  previ o us   research ers stud ied  t h e effect  o f  seaso n a v a riatio n  on   clear  sk y scin tillatio n  in Asian  m o nso o n   reg i on   [4 ] , [5 ].  In  add itio n  t o  th e seaso n a v a riation ,   d i urn a l v a riatio n   p l ays a sign ifi can t ro le in  i n  design ing   mech an ism s  to  en su re th h i g h  p e rform a n ce of satellite  syste m s. Variou s st u d i es h a d b e en  carried   o u t  t o   p r ed ict th e clear sk y tropo sph e ric scin tillati o n , u s i n g, in   particu l ar,  d i urnal b e h a v i ou r related  to  th e ho ur  of  th e d a y [6 ]- [12 ] .  Si m ilar stu d i es th at fo cu s o n  th is asp ect  in  h e av y rain   reg i o n s  are still v e ry rare, wi th  th Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE   I S SN 208 8-8 7 0 8       S e asona l and   D i u r n a l  Varia t io n   on  Tropo sph e ric  S c in tilla tio n   a t  K u -b and .... (Ib tih a l   F.  El Sh am i)  1 711 except i o of  [ 13] , [ 1 4 ] .  He nc e, i t  i s  wort hw hi l e  t o  f u rt he i nvest i g at e t h e  seaso n al  an di u r nal   vari at i ons  o f   scin tillatio n  in   th is h e av y rai n   reg i o n     2.   E X PERI MEN T AL  SETUP  AN D D A TA P R O C ESSI NG   Th e ex p e rim e n t al statio n  in stalled  in  th e pre m ises  o f  Un iv ersiti Tekno lo g i  Malaysia, Jo hor Bahru.  Th e ex p e r i m e n t al setu p   w a s co llected  fo r   one year  (f ro m   Mar c h   20 01  to Febr u a r y  2002 ), situ ated  at  1 0 3 . 64 ˚   E and  1. 55 ˚  N consist of one  direct broa dca s t receiving an tenna  with a dia m eter of 60  c m , pointe d  toward  MEASAT-1 , bro a d casting  sat e llite at th e ele v atio n ang l o f  75 .6 1°. Th b r o a d c astin g sign al at 11 .07 5   GHz i s   m onitored and recorde d  through spe c tr um   analyzer and data logge r. The e xpe rim e ntal setup is illustrated in  Fig u r e 1 a nd  th e d e tails o f  exper i m e n t al setu p  can b e   fo und in  [1 3 ] Th e ex p e r i m e n t al d a ta set w a s pro c essed  and  sepa rat e d i n t o   rai n   peri od s an d cl ear s k y  peri ods  base on  dat a  f r o m  a t i ppi n g   buc ket  rai n   gau g e l o c a t e d   near t h receiver ante nna [15]. After t h e se parated  be twee n two phe nom ena, m onthly c u m u la tive distri bution  fun c tion s  (CDF) of scin tillatio n  am p litu d e  were d i scu s sed  in  n e x t  sectio n .  Th us, the p r o b a b ility  d e nsity  fun c tion  (PDF) of scin tillati o n   v a rian ce  fo r all clear sk y p e riod s were inv e stig ated  with i n  fou r  n on- ove rl ap pi n g  t i m es of day  i n t e rval s:  0 0 : 0 0- 06: 00 , 0 6 : 0 0- 1 2 : 0 0,  12: 00 -1 8 : 00 a nd  1 8 : 0 0 - 2 4 : 0 0.  In a d d i t i on,   season al v a riat io n s   o f  clear sk y scin tillatio n  a m p litu d e  w e re d e term in ed  in  p a rticu l ar Malaysian   m o n s oon  clim ate.           Figure 1.  Bloc k diagram   of  MEASAT sate llite receiving  syste m       3.   AN ALY S IS  O F  SC INTILL ATIO AM P L ITUDE   Th e cu m u lativ e d i stribu tion   fun c tion s  (C DF)  o f  sci n tillat i o n  am p litu d e  statistic is p r o cessed  fo clear-sk y  ev en t s . Th e resu lts presen t m o n t h l y scin tillat i o n  data in  b o t h  fade an d  enh a n c emen t scin tilla ti o n s  in  th e equ a torial reg i o n . Figure  2 ( a) an d   (b ) sh ows t h at  CDF of fad e  sci n t illatio n  is h i gher th an  en h a n c e m en scin tillatio n  for all  m o n t h s Mo reo v e r, t h sig n a l fad e   and  enh a n cem en t are h i g h e st in Janu ary an d   Augu st,  wh ich  ex ceed e d  abo u t  0 . 01 % o f  ti m e  ran g e   fro m  1 . 6  d B  to  1  d B , resp ecti v ely. It is ev id en t th at scin till atio n   fade a nd e n ha ncem ent  at  0.01 % o f  t i m e   vari e d  i n  a ra nge  bet w ee 0. 5 t o  1 . dB  al l  t h m ont hs. As a   co nsequ e n ce, t r opo sph e ric scin tillatio n  at K u -ba n d sy st em  f o hi g h  el e v at i o n  an gl e l i n ks  i s  si gni fi ca nt  f o r l o w   fade  m a rgin sy ste m s.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -87 08  I J ECE   Vo l. 6 ,  N o . 4 ,  Au gu st 2 016    17 10  –  1 716  1 712   (a)           (b )     Fig u re  2 .  Mon t h l y cu m u lativ e d i stribu tion   fun c tio n (C DF ) fo r on e year m e asu r em en t; (a)  scin tillatio n  fad e b)  scin tillatio n  enh a n cem en     4.   STATISTI CA DIST RIBU TION OF DI URNAL SCINTILLATI O N  VA RI AN C E   Karasa wa a nd  t h e IT U-R  m odel s  ass u m e  a  Gam m a  PDF d i st ri but i o n f o r , Ort g i e s m odel  pr o pos e s   a l o g- no rm al  PDF  f o r    and  others  use t h e Ri ce-Na ga kam i  for   .The   di st ri b u t i o n s  as  sh o w n i n  Fi gu re  3,  a s   well as d i stribu tio ns fo r each  d i fferen t time in terv als  of  th e d a y,  h a d b een  co m p ared to the l o gnorm a di st ri b u t i o n s The i n p u t   para m e t e rs fo r t h e s e m odel  di st ri but i o ns  we re t h e m ean an s t anda rd  de vi at i o n  o f    for th e log n o r mal d i strib u tion ,   wh ich   were  all calcu lated  fro m  th e m easu r ed   d i stribu tion s Fro m  th an alysis as sh own in   Figu re  3, we can co n c l u d e  th at th e b e st-fittin g  l o ng -t erm  p d f   o f   is lognorm al on y ear  ti m e  p e rio d  analyzed  in  h o u r l y  b a sis. As well as, th e resu lts clearly sh o w ed  th at h i gh er  scin tillatio n  v a rian ce  are m o re l i k el y  t o  occ u r  d u r i n g t h e m o r n i ng a n d aft e rn oo peri od s.  The l o g n o r m a l di st ri b u t i o n c a be   exp r esse d as  ( 1 ) [ 1 6] ,[ 17] :     22 2 12 2 2 12 12 (lo g ) 1 () e x p 2 ln 1 0 2 x x x m p                                                        (1)     whe r = the  mean of    ;  t h e st anda rd de vi at i on of    . Where   = the m ean  v a lu e of  log = t h e st an dar d   de vi at i on  o f  l o  (with  in   d B ).    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE   I S SN 208 8-8 7 0 8       S e asona l and   D i u r n a l  Varia t io n   on  Tropo sph e ric  S c in tilla tio n   a t  K u -b and .... (Ib tih a l   F.  El Sh am i)  1 713 0. 018 0. 0 1 9 0. 0 2 0. 02 1 0. 022 0. 02 3 0. 024 0. 0 2 5 0. 026 0 10 0 20 0 30 0 40 0 50 0 60 0 S c i n t i l l at i on v a r i anc e   ( d B ) P r o b a b il it y D e n s it y ( 1 / d B 2 )     V a ri an c e  (0 a m : 6 a m ) Log nor m al     (a)           (b )           (c)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -87 08  I J ECE   Vo l. 6 ,  N o . 4 ,  Au gu st 2 016    17 10  –  1 716  1 714     (d )     Fig u re 3 .   Measu r ed  p r ob ab ility  d i stribu tio ns o f   scin tillatio n  v a rian ce  at 1 1 .0 75  GHz, fo t h e who l year o f   2 001 , and  logno r m al d i str i b u t io n s  w ith th e i n pu p a r a m e ter s  tak e n  fro m  th e m easu r e m en ts       5.   SEASO N AL VA RI ATIO N S   Season al v a riatio n s   o f  clear sk y scin tillat i o n   were  i n v e stig ated  b y  co n s i d eri n g  t h ree d i fferent   seasons: i) North-East (NE) (Decem be r to March), ii) South-  W e st (SW)  (June to Sept e m ber) and iii) Inter- m onsoo n ( A p r i l  t o  M a y  and Oct o ber t o   No vem b er). Fi gu r e  4(a )  an d ( b sho w s t h e c u m u l a t i v e di st ri b u t i on o f   an nu al and  seaso n al scin tillati o n  am p litu d e .  Th e resu lts d e m o n s trate th at  th e Sou t h - West  m o n s o o n  appeared  as th e seaso n   with  h i gh er scin tillatio n  fad e   an d  scin tillatio n  enh a n cem en t co m p ared  to  th e In ter-m o n s oo n  an North-East seaso n s. Fo r in stan ce, SW  m o n s o o n  ap p e ared   with  th h i gh est scin tillatio n  o f   0 . 74  d B  at  0 . 0 1   o f  th e tim e fo r sci n tillatio n  fad e  an d   0 . 72 5   d B  at  0 . 01  % of th e time fo r scin tillatio n  enh a n c emen t.  Mean wh ile, in t e r-m o n s o o n  exh i b ited  t h e lowest scin tillatio n  o f   0 . 65   d B  at 0 . 0 1   % of th e ti m e  fo r sci n till atio fad e  and   0 . 62 5 d B  at  0 . 01  %  o f  th e tim e fo scin tillatio n  enh a n cem en t.          (a)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE   I S SN 208 8-8 7 0 8       S e asona l and   D i u r n a l  Varia t io n   on  Tropo sph e ric  S c in tilla tio n   a t  K u -b and .... (Ib tih a l   F.  El Sh am i)  1 715     (b )     Fig u re  4 .  Ann u al an d seaso n a l  cu m u lativ e d i strib u tion s   of scin tillatio n  am p l itu d e  ex tracted fro m  th MEASAT-1   b r o a d c astin g satellite sig n a l; a) scin tillatio n  fade, b) sci n tillati o n  enh a n cem e n     6.   CO NCL USI O N.   Th is stud y w a m a in ly b a sed o n   on e year   of  d a ta  c o llected from  a  m eas urem ent ca m p aign ca rried  o u t  in  UTM,  Jo hor Bah r u .   Th e statistics  o f  d i u r n a l v a riatio n s  o f  clear sk y scin tillat i o n  is p r esen t e d  in   Equ a to rial Joho r, Malaysia ( a  h eav y rain   reg i on ), b y  u s i n g   p r ob ab ility  d e nsity fu n c tion  (PDF) o f  clear sk y   scin tillatio n  varian ce.  It was foun d  t h at th e log n o r m a d i stribu tio ns  were symm e t ric to  th e d a ta d u ring   d i fferen t  ti m e  i n terv als of th e d a y. Fu rt h e rm o r e, th h i gh est v a lu o f  th e scin tillatio n  v a rian ce was  ob serv ed   at  m i d d a y, wh i l e th e lo west valu e o f  sci n till atio n  v a rian ce  d e fi n e d  at m i d n igh t . Th is co nsequ e n ce sho w s th at   h i gh  tem p eratu r es and  l o w relativ h u m id ity are th main  factors  o f   scin tillatio n. Besid e s, clear sk scin tillatio n  am p l itu d e  of t h e Sou t h - West  m o n s oon  sho w s a relatively h i g h e r scin tillatio n  fade and  scin tillatio n  enh a n cem en t com p ared  to  th e In ter-m o n s oon  and  No rt h - East seaso n s . Th is ou tco m e a p p e ars  scin tillatio n  stren g t h  in th e dry season   wh ich   p r ov id es th e h i gh est tem p eratu r e an d lowest rain atten u atio n .   Th e resu lts can  prov id e significan t in fo rmatio n  on  th f l uct u at i o ns o f  seaso n al  and  di u r nal  t r op os phe ri c   scin tillatio n  at K u -band ea rth  space link i n  tropical  regi ons.      ACKNOWLE DGE M ENTS  In pre p aring this pa per, the  fi rst a u thor was   in  c ontact  with m a ny people,  academ icians, researc h ers   an d   p r actition e rs who  con t ribu ted  immen s ely to ward s h e u n d e rstand ing   an d  t h oug h t s.  Th is wo rk   h a s b een  fu n d ed  by  M i ni st ry  of  Ed ucat i o n  M a l a y s i a  and  UTM  un de r “R ese a rch  U n i v e r si t y  Gra n t  V o t .  N o .   Q . J.13 000 0.252 3.07H 50 an “FRG S” Vo t. No R . J.1 300 00 .7 823 .4 F3 20 .       REFERE NC ES   [1]   A. I. Yussuff and N. H. Khamis, “ R ain Attenu ation Model ling  and Mitigat ion  in The Tropi cs: Brief Rev i ew,   International Jo urnal of  Electr ical and Computer Engin eering , vo l/issue: 2 ( 6), pp.  748, 2012 [2]   S. L. Jong,  et al. , “The relationsh i p between ground wi nd directio n and seasonal v a riati on of rain attenu ation  at Ku   band satellite br oadcas ting services,”  in  General  Assembly and S c ien tifi c Sympos ium ( U RSI GAS S ) ,  2014 XXXIt h   URSI,  2014 [3]   A.  I.  Yussuff and N.  H.  H .  Khamis,  “Seasonal and Diurnal Va ri abili t y  of  Rain   Heights a t  An E quatori al St ation ,   International Jo urnal of  Electr ical and Computer Engin eering , vo l/issue: 5 ( 5), 201 5.  [4]   H.  Dao,   et al. S cintilla tion m easurem ent on  Ku-band satell it e path in tropi c a l cl im ate , ” in  RF and Microw ave  Conference ( R FM) ,  2013 IEEE I n ternational , 20 13.  [5]   J .  M a ndeep  and  M .  Is lam ,  “ E ffect  of s eas on al  varia tion  on  tro pospheric scintillation  at Ku-band in  equator i al  clim at e, ”  Indian   Journal of Ph ysics , vol/issue: 88( 6), pp . 541-545 2014.  [6]   A.  V.  Vorst,   et al. , “Fluctuation s on OTS-earth  copolar  link  ag ainst diurnal and  s easonal var i atio ns,”  El ec tr onics   Letters , vo l/issu e: 18(21) , pp . 91 5-917, 1982 [7]   G. Ortgies  and  F .  Rücker, “ D iu rnal and s eas on a l  variations of OTS am plitude sc intil lat i ons,”  Ele c tronics Lett ers vol/issue: 21(4), pp.  143-145 19 85.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -87 08  I J ECE   Vo l. 6 ,  N o . 4 ,  Au gu st 2 016    17 10  –  1 716  1 716 [8]   O.  P.  B a n j o a n d E .  Vil a r,  “Me a su r e ment and modeling of  amplitude scinti lla tio ns on low-elev a tion e a rth-spa c e   paths and impact on co mmunication s y stems,”  C o mmunications,  IEEE T r ansactio ns on , vol/issue: 34(8), pp. 774- 780, 1986 [9]   Y.  Karasawa,   et al. , “ T ropospheric scin til lat i on i n  the 14/11-GH z bands on E a rt h-space pa ths with low e l eva tio n   angles,”  Antenn as and Propagation, I E EE Transactions on , vo l/issue: 36(4), pp.  563-569, 1988 [10]   E. Johnston,  et al. , “Results of  low elevation  angle 11  GHz  sa tellite beacon  m easurements  at Goonhilly ,” in   Antennas and  Pr opagation, 1991.  ICAP 91., S e ven t h Interna tional  Conference on  ( I EE) , 1991.  [11]   W. Vogel,  et al. , “ S cintill ation f a ding on a low elev ation  angle  sate ll it e path: A ssessing the Austin exper i m e nt a t   11.2 GHz,”  in  Antennas and  Propagation, 1993.,  Eighth   International Conference on , 1993.  [12]   I. Otung,  et al. , “ R adiowave a m plitude scint ill ation int e nsit y:   Ol y m pus  s a tell i t e m eas urem ent s  and em pirical   model,”  El ectr o nics  L e t t er s , vo l/issue: 31(21), pp . 1873-1875 , 19 95.  [13]   I. F. El-Shami,  et al. , “Clear  Sky  Diurn a Behavior of Tr opos pheric Sci n till ation  at K u -Band Satel l i t e   Com m unication  in Equ a tori al  Ma la y s ia ,”   Jurnal T eknolog i , vol/issue: 77(10) , 2015 [14]   J. S. Mandeep  and Y. Y.  Ng, “Satellite beacon  exper i ment for  stud y i ng  atmospheric d y namics,”  Journal of  Infrared, Mi llim eter, and Terahertz Waves , vol/issue: 31(8), pp . 9 88-994, 2010 [15]   P. Garcia-d el-Pino,  et a l . , “Tropospheric scin tillation with con c urrent  r a in  attenuation  at 50 G H z in Madrid,”  Antennas and  Pr opagation, IEEE Transactions on , vol/issue: 60(3) , pp . 1578-1583 , 2012.  [16]   G. Ortgies, “ P robabili t y  density   function of  am pl itude sc inti lla tio ns,”  El ec tronics Letters , vol/issue: 21(4), pp. 141 - 142, 1985 [17]   T. J. Moulsl e y   and E.  Vilar ,  “ E xperim e nt al  an d theore tic al st a tistics of m i cro w ave am plitud e  scintil la tions o n   satellite down-links,”  An tennas a nd Propagation ,   IEEE Transactio ns on , vol/issue:  30(6), pp . 1099- 1106, 1982 .       BIOGRAP HI ES OF  AUTH ORS           Ibtihal  El-Shami is lecturer  at Co lleg e  of Elec trical and  Electron ics Technolog y - B e nghazi-Lib y a She is Ph.D. student at UTM  university .  She  obt ain e d her B ache l or 's  degree  of elec tri cal   engineering fro m Benghazi University   at Lib y in  2006. She joined UTHM univ e rsity   as master  student and ob tained her M . Sc. d e gree  in electrical  eng i neer ing in  2011. Her research interests is  in the f i eld of r a diowave p r opagation with res p ect  to sat e ll ite  com m unication  and t e rrestri al   telecommunication link .           Assoc.Prof. Dr. Jafri Din obtain e d his BSc. in El ec tric al Engin e e r ing from  Tri-S t ate Univers i t y ,   U.S.A in 1988,  and PhD in Electri cal  Engineerin g from University  of Techno log y  Malay s ia in  1997. His resear ch interests is  in the f i eld  of r a diowave prop ag ation   with r e spect  to satellite   communication, terrestr i al   te leco mmunication lin k  and h i gh  al titu de platfo rm station.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.