Optical Satellite Networks Performance: Channel Modeling, Mitigation Techniques & Optimization

Abstract

Η παρούσα Διατριβή επικεντρώνεται στη μελέτη των δορυφορικών συστημάτων επικοινωνιών που λειτουργούν στο φάσμα των οπτικών συχνοτήτων. Πιο συγκεκριμένα, ασχολείται με την μοντελοποίηση του οπτικού διαύλου η οποία απαιτείται για τον αξιόπιστο σχεδιασμό και την αξιολόγηση της απόδοσης των συστημάτων αυτών. Η συνεχής ανάπτυξη στις τεχνολογίες πληροφοριών και τηλεπικοινωνιών έχουν οδηγήσει στην καθημερινά αυξανόμενη χρήση των εφαρμογών διαδικτύου υψηλής ταχύτητας και πολυμέσων, φέρνοντας στην επιφάνεια τη μεγάλη ανάγκη για υψηλότερους ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων και μεγαλύτερο εύρος ζώνης. Για την ικανοποίηση των απαιτήσεων αυτών, κρίνεται αναγκαία η μετατόπιση των νέων συστημάτων δορυφορικών επικοινωνιών υψηλής απόδοσης σε υψηλότερες ζώνες συχνοτήτων, τόσο για συστήματα δορυφορικών επικοινωνιών κοντά στη Γη (Near Earth), όσο και για συστήματα δορυφορικών επικοινωνιών βαθέος διαστήματος (Deep Space). Μια πολλά υποσχόμενη λύση είναι η χρησιμοποίηση των οπτικών ασύρματων επικοινωνιών ελευθέρου χώρου (Free Space Optics, FSO) για δορυφορικά συστήματα επικοινωνίας. Τα οπτικά δορυφορικά συστήματα επικοινωνιών ελεύθερου χώρου λειτουργούν στο φάσμα των οπτικών συχνοτήτων και παρουσιάζουν μεγάλη ποικιλία πλεονεκτημάτων έναντι των δορυφορικών συστημάτων που λειτουργούν στην ζώνη ραδιοσυχνοτήτων (Radio Frequency, RF), όπως οι υψηλότεροι ρυθμοί μετάδοσης, το μεγαλύτερο διαθέσιμο φασματικό εύρος ζώνης, η λιγότερη κατανάλωση ενέργειας, η μικρότερη μάζα, ο μικρότερος όγκος και η βελτίωση στον τομέα της ασφάλειας. Ωστόσο, όταν το οπτικό σήμα διαδίδεται μέσω της ατμόσφαιρας της γης, επηρεάζεται κυρίως αλλά όχι μόνο, από τις ατμοσφαιρικές αναταράξεις και τα σύννεφα. Η νεφοκάλυψη αποτελεί το πλέον περιοριστικό φαινόμενο για τη λειτουργία των συστημάτων οπτικών δορυφορικών επικοινωνιών, καθώς η εξασθένηση που υφίσταται το οπτικό σήμα με την παρουσία των νεφών είναι τόσο μεγάλη, που προκαλείται η διακοπή της ζεύξης. Επιπρόσθετα, σε συνθήκες διάδοσης χωρίς νέφη, τόσο η προς τα πάνω, όσο και η προς τα κάτω οπτική ζεύξη επηρεάζονται από το φαινόμενο των ατμοσφαιρικών στροβιλισμών. Για τον περιορισμό των φαινομένων αυτών έχουν προταθεί διάφορες τεχνικές αντιστάθμισης. Ως εκ τούτου, η παρούσα Διατριβή επικεντρώνεται κυρίως στην μοντελοποίηση των νεφών και των ατμοσφαιρικών στροβιλισμών για οπτικές δορυφορικές ζεύξεις και στους τρόπους αντιμετώπισης των φαινομένων αυτών. Αρχικά, στο πρώτο Κεφάλαιο της παρούσας Διατριβής, παρουσιάζεται μια επισκόπηση των οπτικών δορυφορικών συστημάτων επικοινωνιών και γίνεται αναφορά, με τη χρήση σύγχρονων παραδειγμάτων στην ανάγκη για υψηλότερους ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων και μεγαλύτερο φασματικό εύρος ζώνης. Παράλληλα, παρατίθενται διάφορες πειραματικές μελέτες που έχουν διεξαχθεί ως τώρα σχετικά με τα οπτικά δορυφορικά δίκτυα επικοινωνιών. Στο Κεφάλαιο 2, παρουσιάζονται τα φαινόμενα διάδοσης, τα οποία επηρεάζουν το οπτικό δορυφορικό σήμα, και δίνονται τα κυριότερα μοντέλα διάδοσης που έχουν προταθεί ως τώρα στη βιβλιογραφία. Τέλος, για κάθε φαινόμενο παρουσιάζονται οι τεχνικές άμβλυνσης διαλείψεων που έχουν προταθεί. Τα Κεφάλαια 3, 4 και 5 εστιάζουν στις μεθοδολογίες που αναπτύχθηκαν στο πλαίσιο της παρούσας έρευνας σχετικά με τη μοντελοποίηση της νεφοκάλυψης και της εξασθένησης του σήματος εξαιτίας των νεφών. Όπως παρουσιάζεται στην παρούσα διατριβή, τα νέφη μπορούν να μοντελοποιηθούν χρησιμοποιώντας στατιστικά στοιχεία του Κάθετου Ολοκληρώματος της Περιεκτικότητας σε Υγρό Νερό των νεφών (Integrated Liquid Water Content, ILWC). Στο Κεφάλαιο 3, παρουσιάζεται η μεθοδολογία που αναπτύχθηκε για την παραγωγή χρονοσειρών δισδιάστατων και τρισδιάστατων πεδίων του Κάθετου Ολοκληρώματος της Περιεκτικότητας σε Υγρό Νερό (ILWC) των νεφών. Η μεθοδολογία αυτή λαμβάνει υπόψη τόσο την χρονική όσο και χωρική συσχέτιση του ILWC. Για τη δημιουργία των χρονοσειρών η προτεινόμενη μεθοδολογία επωφελείται από τη χρήση πολυδιάστατων στοχαστικών διαφορικών εξισώσεων. Τέλος, στο χωροχρονικό μοντέλο 3 διαστάσεων που προτείνεται η κάθετη έκταση των νεφών λαμβάνεται υπόψη. Στο Κεφάλαιο 4, τα χωροχρονικά μοντέλα δύο και τριών διαστάσεων, που προτάθηκαν στο Κεφάλαιο 3, χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό και την πρόβλεψη της εξασθένησης του σήματος λόγω νεφών και της πιθανότητας για οπτική ζεύξη χωρίς νέφη (Cloud Free Line of Sight, CFLOS), τόσο για μεμονωμένες όσο και για πολλαπλές ζεύξεις (διαφορισμός θέσης, από κοινού στατιστικά χαρακτηριστικά). Αρχικά, τα σύννεφα κατηγοριοποιούνται με βάση την κάθετη έκταση τους και λαμβάνοντας υπόψη τις μικροφυσικές ιδιότητες των νεφών και τη γνωστή θεωρία σκέδασης Mie, προτείνεται ένα καθολικό χωροχρονικό μοντέλο για τον υπολογισμό και πρόβλεψη της εξασθένησης του σήματος λόγω νεφών για συχνότητες μεγαλύτερες της Ka μπάντας [26,5 - 40GHz] με εφαρμογή έως και τις οπτικές συχνότητες. Η προτεινόμενη μεθοδολογία συγκρίνεται με δεδομένα που λαμβάνονται από τη βιβλιογραφία, παρουσιάζοντας πολύ ενθαρρυντικά αποτελέσματα. Συνεχίζοντας, υποθέτοντας ένα ανοιχτό/κλειστό (on/off) οπτικό κανάλι, με την παρουσία των νεφών, δηλαδή αν υπάρχει σύννεφο, η ζεύξη διακόπτεται, παρουσιάζεται μια νέα μεθοδολογία για τη σύνθεση χρονικά και χωρικά συσχετισμένων CFLOS χρονοσειρών, τόσο για μεμονωμένες, όσο και για πολλαπλές ζεύξεις. Και οι δύο προτεινόμενες μεθοδολογίες λαμβάνουν υπόψη τόσο τη γωνία ανύψωσης της ζεύξης όσο και υψόμετρο των σταθμών βάσης (για σταθμούς βάσης σε μεγάλο υψόμετρο) και εφαρμόζονται τόσο σε συστήματα με γεωστατικούς δορυφόρους όσο και σε συστήματα με μη-γεωστατικούς δορυφόρους, όπου η γωνία ανύψωσης της ζεύξης είναι χρονικά μεταβαλλόμενη. Τέλος, η προτεινόμενη χωροχρονική μεθοδολογία σύνθεσης συσχετισμένων CFLOS χρονοσειρών χρησιμοποιείται για την εξαγωγή χρήσιμων συστημικών στατιστικών χαρακτηριστικών για ένα δίκτυο οπτικών σταθμών βάσεως, όπως ο αριθμός των εναλλαγών (switches) μεταξύ των οπτικών σταθμών βάσεως. Στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζεται ένα μαθηματικό μοντέλο για τον θεωρητικό υπολογισμό και την πρόβλεψη της πιθανότητας CFLOS, τόσο για μεμονωμένη οπτική δορυφορική ζεύξη όσο και για πολλαπλές χωρικά συσχετισμένες οπτικές δορυφορικές ζεύξεις. Για τον αξιόπιστο υπολογισμό της CFLOS πιθανότητας, η γωνία ανύψωσης της ζεύξης και το υψόμετρο του σταθμού βάσης λαμβάνονται υπόψη. Επιπλέον, υπολογίζεται η CFLOS από κοινού πιθανότητα για ταυτόχρονα διαθέσιμες οπτικές ζεύξεις για την εφαρμογή τεχνικών μετάδοσης χωρικής πολυπλεξίας Το Κεφάλαιο 6 της παρούσας Διατριβής επικεντρώνεται στην ανάπτυξη αλγορίθμων βελτιστοποίησης για την επιλογή των οπτικών σταθμών βάσης, που σχηματίζουν ένα συνδεδεμένο δίκτυο για την αντιμετώπιση της νεφοκάλυψης. Αρχικά, σε αυτό το κεφάλαιο αποδεικνύεται ότι τα μηνιαία στατιστικά χαρακτηριστικά του ILWC μπορούν να περιγραφούν επαρκώς με τη λογαριθμική κατανομή. Στη συνέχεια, οι μεθοδολογίες που αναπτύχθηκαν στα Κεφάλαια 4 και 5 μετασχηματίζονται με βάση τα μηνιαία στατιστικά χαρακτηριστικά του ILWC και ως εκ τούτου η μηνιαία διακύμανση της νεφοκάλυψης και οι μηνιαίες διαφορές μεταξύ του βόρειου και του νότιου ημισφαιρίου λαμβάνονται υπόψη. Οι αλγόριθμοι βελτιστοποίησης που προτείνονται λαμβάνουν υπόψη τη μηνιαία διακύμανση της νεφοκάλυψης και εκμεταλλεύονται τις μηνιαίες διαφορές μεταξύ βόρειου και νότιου ημισφαιρίου. Τέλος, προτείνεται ένας αλγόριθμος βελτιστοποίησης για τον υπολογισμό του αναγκαίου αριθμού των ενεργών σταθμών ανά μήνα σε ένα δίκτυο οπτικών σταθμών βάσης. Το Κεφάλαιο 7 της παρούσας Διατριβής επικεντρώνεται στην ανάπτυξη νέων μοντέλων καναλιού για τη διάδοση του οπτικού σήματος κάτω από συνθήκες διάδοσης χωρίς νέφη, λαμβάνοντας υπόψη το φαινόμενο των ατμοσφαιρικών στροβιλισμών. Για τη μελέτη αυτή γίνεται ανάλυση μετρήσεων από το οπτικό δορυφορικό πείραμα ARTEMIS. Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζεται μια μεθοδολογία για τον υπολογισμό του παράγοντα μέσης λήψης σήματος (aperture averaging factor) για οπτικούς δέκτες με κεντρική σκίαση για κατερχόμενη ζεύξη. Επιπρόσθετα, προτείνεται μια μεθοδολογία για τη δημιουργία χρονοσειρών λαμβανόμενης ακτινοβολίας/ισχύος για ανερχόμενες οπτικές ζεύξεις γεωστατικών δορυφορικών συστημάτων. Η προτεινόμενη μεθοδολογία λαμβάνει υπόψη τις επιπτώσεις που δημιουργούν στη διάδοση του σήματος οι ατμοσφαιρικοί στροβιλισμοί και τα σφάλματα στόχευσης. Επιπλέον, η παρούσα μεθοδολογία επωφελείται από τη χρήση στοχαστικών διαφορικών εξισώσεων για την παραγωγή χρονοσειρών σπινθηρισμού του πλάτους του σήματος. Τα αποτελέσματα των προτεινόμενων μεθοδολογιών συγκρίνονται με πραγματικά δεδομένα από το οπτικό δορυφορικό πείραμα ARTEMIS, παρουσιάζοντας πολύ ενθαρρυντικά αποτελέσματα. Το Κεφάλαιο 8 της παρούσας Διατριβής επικεντρώνεται στο σχεδιασμό οπτικών ζεύξεων βαθέος διαστήματος. Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζεται μια μεθοδολογία για τον υπολογισμό του προϋπολογισμού ισχύος οπτικής ζεύξης, για ζεύξεις βαθέος διαστήματος. Επιπλέον, προτείνεται μια νέα μέθοδος για την επιλογή των παραμέτρων σηματοδότησης (ρυθμός κωδικοποίησης, διάρκεια συμβόλου κ.ά.) της οπτικής ζεύξης. Χρησιμοποιώντας τις προτεινόμενες μεθοδολογίες εξετάζεται η απόδοση των οπτικών ζεύξεων βαθέος διαστήματος. Τέλος, στο Κεφάλαιο 9, παρουσιάζονται συμπεράσματα και προτάσεις για μελλοντική έρευνα.