Μελέτη και Μοντελοποίηση Απόσβεσης σε Οπτικές Δορυφορικές Ζεύξεις και Σύγκριση με τις Δορυφορικές Ζεύξεις στις Χιλιοστομετρικές Συχνότητες

Abstract

Τα ασύρματα οπτικά συστήματα FSO (Free Space Optics) αποτελούν μία σύγχρονη τεχνολογία ασύρματης οπτικής μετάδοσης. Τα τελευταία χρόνια, βρίσκουν εφαρμογή σε πολλούς τομείς των επίγειων αλλά και δορυφορικών επικοινωνιών. Παρέχουν δυνατότητα για πολύ μεγαλύτερες ταχύτητες μετάδοσης, και ως αποτέλεσμα μπορούν να εξυπηρετήσουν το μεγάλο όγκο δεδομένων που χρειάζονται να μεταδοθούν για την παροχή ευρυζωνικών υπηρεσιών. Συγκρίνουμε τις ασύρματες οπτικές ζεύξεις με τις ζεύξεις χιλιοστομετρικών ραδιοσυχνοτήτων RF (Radio Frequency), οι οποίες χρησιμοποιούνται ευρέως μέχρι σήμερα. Αρχικά, μοντελοποιείται το σύστημα μετάδοσης και προσομοιώνεται σε περιβάλλον Matlab η απόσβεση που εισάγεται στη δορυφορική ζεύξη. Πιο συγκεκριμένα, μελετάται τόσο η απόσβεση λόγω ντετερμινιστικών χαρακτηριστικών της ζεύξης όσο και αυτής που εισάγεται στοχαστικά λόγω των ατμοσφαιρικών φαινομένων. Τα κύρια ατμοσφαιρικά φαινόμενα που προσομοιώνουμε είναι η βροχή και τα σύννεφα. Όσον αφορά στη βροχή, κάνοντας χρήση του στατικού μοντέλου των συνεκτικών βροχοπυρήνων υπολογίζουμε την μακροπρόθεσμη αθροιστική κατανομή πιθανότητας υπέρβασης της απόσβεσης και μέσω του στοχαστικού δυναμικού μοντέλου Maseng-Bakken, παράγονται χρονοσειρές απόσβεσης βροχής τόσο για RF όσο και για FSO τεχνολογία μετάδοσης. Για την απόσβεση λόγω νεφών, διαφορετικά μοντέλα χρησιμοποιούνται για τις RF ζεύξεις και για τα FSO συστήματα. Τέλος, μελετούμε τη λειτουργικότητα και τη διαθεσιμότητα μιας υβριδικής RF/FSO ζεύξης. Για συνθήκες καθαρού ουρανού, χωρίς την παρουσία νεφών, προτιμάται η χρήση FSO ζεύξης, ενώ για παρουσία νέφωσης χρησιμοποιούμε RF τεχνολογία μετάδοσης. Για πιο αναλυτική σύγκριση πρέπει να προσδιορίσουμε το ρυθμό μετάδοσης ενώ ταυτόχρονα χρειάζεται να προσδιορίσουμε το είδος των σύννεφων, το κάθετο μήκος τους, την υγρή περιεκτικότητα σε νερό, ενώ για τη βροχή, το ρυθμό βροχόπτωσης και από τι άλλα ατμοσφαιρικά φαινόμενα συνοδεύεται η βροχή. Συμπερασματικά, η FSO τεχνολογία μετάδοσης είναι πολλά υποσχόμενη για το μέλλον. Περαιτέρω έρευνα χρειάζεται με σκοπό τη μοντελοποίηση των ατμοσφαιρικών φαινομένων και την αλληλεπίδραση τους με το οπτικό σήμα, καθώς θα παρέχει ένα πιο λεπτομερές μοντέλο μέτρησης της απόσβεσης.

Free Space Optics (FSO) is a modern optical transmission technology. In recent years, this technology is applied in many areas of terrestrial and satellite communications. It provides high transmission speed, and as a result we can transmit large volume of data that are required to serve modern broadband services. We compare Free Space Optical links with links which operate in millimeter radio frequency bands (RF) which are widely used in current satellite communication systems. We model the transmission system and simulate, in Matlab environment, the attenuation introduced in the link. More particularly, we consider both attenuation due to installation and deterministic characteristics of the link and the stochastic ones introduced by atmospheric phenomena. The major atmospheric phenomena which we simulate are rain and clouds. Adopting the static model of convective raincells, we calculate the long-term exceedance probability of rain attenuation and using stochastic dynamic model Maseng-Bakken time series of rain attenuation are generated for both RF and FSO technology for transmission. Considering the attenuation due to clouds different models are used for RF and FSO systems. Finally, we study the functionality and the availability of a hybrid RF / FSO system. Under clear sky conditions, or without clouds, FSO link is employed, while under the presence of clouds we use RF transmission technology. For a more detailed comparison we should determine the transmission rate that we need to operate. We also need more characteristics of cloud events, as the type of cloud, its vertical length and its liquid water content. In conclusion, FSO transmission technology is promisιng, and further research is needed in order to model the atmospheric phenomena and their interaction with optical signal. Thus, a more detailed model of optical signal attenuation for satellite communication systems is needed.