Μοντελοποίηση καναλιού για οπτικές δορυφορικές επικοινωνίες

Λύρας, Νικόλαος Κ.; Lyras, Nikolaos K.

dc.contributor.author	Λύρας, Νικόλαος Κ.	el
dc.contributor.author	Lyras, Nikolaos K.	en
dc.date.accessioned	2015-03-23T09:31:31Z
dc.date.available	2015-03-23T09:31:31Z
dc.date.issued	2015-03-23
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/40473
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.8947
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού - Μη Εμπορική Χρήση - Παρόμοια Διανομή 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/gr/	*
dc.subject	Οπτικές δορυφορικές επικοινωνίες	el
dc.subject	Optical satellite payload	en
dc.subject	Απόσβεση λόγω νεφών	el
dc.subject	Χρονοσειρές πεδίων	el
dc.subject	Χρονοσειρές νεφών	el
dc.subject	Μοντελοποίηση καναλιού	el
dc.subject	Προϋπολογισμός ισχύος οπτικής ζεύξης	el
dc.subject	Clouds attenuation	en
dc.subject	Time series of cloud fields	en
dc.subject	Channel modeling	en
dc.subject	Optical link budget	en
dc.title	Μοντελοποίηση καναλιού για οπτικές δορυφορικές επικοινωνίες	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Οπτικές δορυφορικές επικοινωνίες	el
heal.classification	Μοντελοποίηση καναλιού	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2015-02-13
heal.abstract	Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μοντελοποίηση καναλιού για οπτικές δορυφορικές επικοινωνίες . Η ανάγκη για υψηλότερους ρυθμούς μετάδοσης και η συνεχώς αυξανόμενη ζήτηση εύρους ζώνης καθιστούν αναγκαία τη μελέτη μετάδοσης σε υψηλότερες ζώνες συχνοτήτων. Μια πιθανή λύση που ικανοποιεί τις παραπάνω προϋποθέσεις αποτελούν οι Οπτικές Ασύρματες Επικοινωνίες , οι οποίες επωφελούνται από τη χρήση μιας αχρησιμοποίητης ζώνης συχνοτήτων για τη μετάδοση οπτικού φέροντος. Λόγω της απουσίας παρεμβολών στις οπτικές συχνότητες από κοινή χρήση από άλλα δορυφορικά συστήματα και επιπλέον ότι δεν υπάρχουν ακόμα διεθνή πρότυπα στα δορυφορικά συστήματα, οι οπτικέ δορυφορικές επικοινωνίες δίνουν τη δυνατότητα για πολύ μεγάλους ρυθμούς μετάδοσης. Οι οπτικές δορυφορικές επικοινωνίες παρουσιάζουν ποικίλα πλεονεκτήματα, όμως η διάδοση του σήματος μέσα από την ατμόσφαιρα της Γης επιφέρει πολύ μεγάλες απώλειες, οι οποίες πρέπει να υπολογιστούν με τη χρήση κατάλληλων μοντέλων. Στο Κεφάλαιο 1 παρουσιάζεται μια επισκόπηση των Οπτικών Δορυφορικών Δικτύων και των αναγκών που καθιστούν απαραίτητη τη διερεύνησή τους. Γίνεται μια πρώτη σύγκριση με τις ήδη υπάρχουσες τεχνολογίες ασύρματης μετάδοσης στις ράδιο-συχνότητες και παρουσιάζονται τα ποικίλα οφέλη από τη χρήση των Οπτικών Δορυφορικών Επικοινωνιών. Παράλληλα, γίνεται μια σύντομη αναφορά στα ατμοσφαιρικά φαινόμενα που επηρεάζουν την οπτική ζεύξη και γίνεται αντιληπτή η ανάγκη για όσο το δυνατόν πιο ακριβή μοντελοποίηση καναλιού για οπτικές δορυφορικές επικοινωνίες. Στο Κεφάλαιο 2 παρουσιάζεται ο προϋπολογισμός ισχύος της οπτικής ζεύξης. Η διαδικασία αυτή αποτελεί θεμέλιο λίθο στον τομέα των ασύρματων επικοινωνιών, καθώς μέσω αυτής υπολογίζεται ο απαραίτητος σηματοθορυβικός λόγος για τη μετάδοση πληροφορίας μέσα μέσω της οπτικής ζεύξης Γης-δορυφόρου. Θα παρουσιαστεί και θα δοθεί μια κατάλληλη μέθοδος για τον υπολογισμό του ρυθμού φωτονίων σήματος και θορύβου και της μεταξύ τους σχέσης για τον υπολογισμό του σηματοθορυβικού λόγου, τόσο για τη Διαμόρφωση Θέσης Παλμού- PPM (Pulse-Position Μodulation) όσο και για DPSK (Differential Phase Shift Keying) διαμόρφωση, λαμβάνοντας υπόψιν τόσο τα μεγέθη του συστήματος όπως τα κέρδη των φακών και τις απώλειες των επιμέρους βαθμίδων, όσο και μεγέθη του περιβάλλοντος όπως η οπτική και η αστρική ακτινοβολία. Παράλληλα, θα υπολογιστεί και το περιθώριο ισχύος που χρειάζεται για κωδικοποιημένες και ακωδικοποίητες PPM και DPSK ζεύξεις, το οποίο βασίζεται σε αναλυτικά μοντέλα για τη χωρητικότητα PPM και DPSK διαύλου. Στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζεται η επίδραση των νεφών στη διάδοση των δορυφορικών ζεύξεων από την μικροκυματική/χιλιοστομετρική RF ζώνη έως τη ζώνη των οπτικών συχνοτήτων. Αρχικά, θα παρουσιαστεί μια σύνοψη των μικροφυσικών ιδιοτήτων των νεφών καθώς και η απαραίτητη ηλεκτρομαγνητική θεωρία. Στη συνέχεια, θα παραθέσουμε μερικά από τα μοντέλα που έχουν προταθεί στη βιβλιογραφία έως σήμερα για τον υπολογισμό της απόσβεσης εξαιτίας των νεφών. Τα μοντέλα αυτά αξιοποιούν τα εισερχόμενα μετεωρολογικά δεδομένα, με σκοπό την όσο το δυνατόν ακριβέστερη πρόβλεψη της απόσβεσης εξαιτίας των νεφών. Στο Κεφάλαιο 4 προτείνεται ένα νέο μοντέλο για τον υπολογισμό της απόσβεσης εξαιτίας των νεφών. Το μοντέλο αυτό εκμεταλλεύεται τη χρήση των πολυδιάστατων στοχαστικών διαφορικών εξισώσεων για τη σύνθεση των χρονοσειρών δισδιάστατών τυχαίων πεδίων νεφών, χαρακτηρισμένα μέσω του μεγέθους του ολοκληρώματος της περιεκτικότητας σε υγρό νερό των νεφών (ILWC). Τα πεδία νεφών είναι συσχετισμένα τόσο στο χώρο όσο και στο χρόνο Για τον υπολογισμό της απόσβεσης, χρησιμοποιείται η θεωρία για την κάθετη έκταση των νεφών που δόθηκε στο προηγούμενο κεφάλαιο καθώς και οι μικροφυσικές ιδιότητες των νεφών, τα διαθέσιμα στατιστικά στοιχεία από την ITU, καθώς και ηευρέως γνωστή θεωρία Mie, με σκοπό τον αριθμητικό υπολογισμό της απόσβεσης εξαιτίας των νεφών. Τέλος στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται αριθμητικά αποτελέσματα του μοντέλου που αναπτύχθηκε στο Κεφάλαιο 4. Πραγματοποιήθηκαν αναλυτικές και ακριβείς προσομοιώσεις σε περιβάλλον Matlab και γίνεται παρουσίαση και ανάλυση των αποτελεσμάτων που προέκυψαν. Παρουσιάζονται γραφήματα των χρονοσειρών του ILWC και της απόσβεσης του οπτικού σήματος εξαιτίας των νεφών, τόσο για μία ζεύξη όσο και για σχήμα διαφορισμού θέσης και παρατίθενται προτάσεις για μελλοντική έρευνα.	el
heal.abstract	The scope of this Diploma thesis is the study of satellite communication systems operating at optical frequencies and the development of an accurate channel model. The increasing demand for high data rates and large bandwidth has already revealed the necessity of moving the Near-Earth and deep Space communications towards higher frequency bands. A prominent solution for these issues contains the employment of Optical Frequencies which benefit from the use of an unused frequency band for the transmission of optical carrier. Optical links exhibit a great variety of advantages, however, the signal propagation through the Earth’s atmosphere induces attenuation which have to be quantified through appropriate models for the reliable design of them. The 1st Chapter presents a review of the Optical Satellite Networks and the needs which lead to the investigation of these Networks. Firstly, the already used RF satellite communication systems are compared to the optical ones and great variety of benefits which can be obtained by the use of optical frequencies are presented. Moreover, the atmospheric phenomena which affect the optical link are briefly given and the necessity of channel modeling for Optical Satellite communications is revealed. In the 2nd Chapter the optical link budget is presented. The link budget calculation is of paramount importance for the field of wireless communications, as the signal to noise ratio needed for the communication is calculated. More particularly, the signal and noise photon rates as their functional relationship is presented and calculated by a suitable method for both PPM (Pulse-Position modulation) and DPSK (Differential Phase Shift Keying) modulation, considering a number of optical system components such as the aperture gain and their losses as the sky and planetary irradiation. Moreover, the power link margin for both uncoded and coded PPM and DPSK modulation is calculated, based on analytical models of the PPM and DPSK channel capacities. In the 3rd Chapter, the impact of clouds on microwave/millimeter wave and optical wave propagation for applications to satellite communications is reviewed. Initially, the fundamental of clouds microphysics and the required electromagnetic theory are summarized. Furthermore, the models proposed so far in the literature to estimate cloud attenuation are briefly given. These models take advantage of meteorological data in order to predict cloud attenuation. In the 4th Chapter a new model for the prediction of clouds attenuation is proposed. A cloud attenuation synthesizer at optical frequencies. This model is based on the multidimensional stochastic differential equations for the generation of time series of cloud fields through the calculation of two-dimensional fields of integrated liquid water content (ILWC) time series. The ILWC fields are correlated on temporal and on spatial domain. Then using the expression of cloud vertical extent, presented in the previous chapter, as well as the microphysical properties of clouds, the available ITU-R global statistics and the well-known scattering Mie theory, cloud attenuation is calculated. The 5th and final Chapter presents the numerical results from the model presented in 4th Chapter. Analytical and accurate simulations have been implemented in Matlab and the results are analyzed. Snapshots of time series of ILWC and cloud attenuation for both a single link and site diversity schemes are presented and fields for future research and study are recommended.	en
heal.advisorName	Παναγόπουλος, Αθανάσιος	el
heal.committeeMemberName	Καψάλης, Χρήστος	el
heal.committeeMemberName	Κωττής, Παναγιώτης	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών. Τομέας Συστημάτων Μετάδοσης Πληροφορίας και Τεχνολογίας Υλικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	112 σ.
heal.fullTextAvailability	true