Δίαυλοι δορυφορικών δικτύων επόμενης γενιάς με πολλαπλές εισόδους–Πολλαπλές εξόδους (ΜΙΜΟ)

Abstract

Αντικείμενο της Διατριβής είναι η έρευνα και ανάπτυξη μοντέλων για την περιγραφή ΜΙΜΟ δορυφορικών διαύλων με πολλαπλές εισόδους – πολλαπλές εξόδους και η εκτίμηση της επίδοσής τους μέσω αναλυτικών εκφράσεων και προσομοιώσεων. Το Κεφάλαιο 1 παρέχει μια εισαγωγή στις πρόσφατες τεχνολογικές εξελίξεις των δορυφορικών επικοινωνιών και της τεχνολογίας MIMO και στη συνέχεια εισάγει την έννοια της εφαρμοσιμότητας της τεχνολογίας ΜΙΜΟ στις δορυφορικές επικοινωνίες. Στο Κεφάλαιο 2 αναλύονται τα φαινόμενα διάδοσης και οι αντίστοιχες διαλείψεις που χαρακτηρίζουν τους συμβατικούς SISO δορυφορικούς διαύλους με απλή είσοδο – απλή έξοδο και λειτουργούν σε συχνότητες τόσο κάτω όσο και άνω των 10GHz. Επίσης, αναλύεται προτεινόμενο αναλυτικό μοντέλο συσχέτισης των διαλείψεων λόγω βροχής και πολυδιαδρομικής διάδοσης σε SISO κινητό δορυφορικό δίαυλο σε συχνότητες άνω των 10GHz. Στο Κεφάλαιο 3 μελετώνται διάφοροι MIMO επίγειοι ασύρματοι δίαυλοι και εισάγονται θεμελιώδεις έννοιες που αφορούν τη χωρητικότητά τους με βάση τη θεωρία ΜΙΜΟ. Επίσης, αναλύεται η χωρητικότητα σε διάφορες ειδικές περιπτώσεις ΜΙΜΟ επίγειων ασυρμάτων διαύλων μεταξύ των οποίων και ο προτεινόμενος MIMO ασύρματος δίαυλος σε συχνότητες άνω των 10GHz υπό συνθήκες διαλείψεων λόγω βροχής. Στη συνέχεια, ενοποιούνται οι αναλύσεις των Κεφαλαίων 2 και 3 για τη σε βάθος μελέτη εφαρμογής της τεχνολογίας MIMO στους δορυφορικούς διαύλους. Συγκεκριμένα, στο Κεφάλαιο 4 μελετώνται ΜΙΜΟ σταθεροί δορυφορικοί δίαυλοι που λειτουργούν σε συχνότητες άνω των 10GHz υπό συνθήκες διαλείψεων λόγω βροχής και στους οποίους εφαρμόζονται οι τεχνικές διαφορισμού δορυφόρου και διαφορισμού θέσης. Στο Κεφάλαιο 5 μελετώνται ΜΙΜΟ κινητοί δορυφορικοί δίαυλοι που λειτουργούν σε συχνότητες κάτω των 10GHz υπό συνθήκες διαλείψεων λόγω σκίασης και πολυδιαδρομικής διάδοσης και στους οποίους εφαρμόζονται οι τεχνικές διαφορισμού πόλωσης, διαφορισμού δορυφόρου και διαφορισμού κεραίας. Και στα δύο αυτά Κεφάλαια, έμφαση δίδεται στην έρευνα και ανάπτυξη μοντέλων για την αναλυτική περιγραφή των αντιστοίχων ΜΙΜΟ διαύλων και στην εκτίμηση της επίδοσής τους μέσω αναλυτικών εκφράσεων και προσομοιώσεων για τη χωρητικότητα διακοπής, την πιθανότητα διακοπής λόγω σφαλμάτων μετάδοσης ψηφίων και την πιθανότητα λάθους τους. Επιπλέον, στο Κεφάλαιο 5 δίδεται αναλυτική μεθοδολογία δημιουργίας χρονοσειρών των υπό μελέτη MIMO κινητών δορυφορικών διαύλων για την προσομοίωση επίδοσης των διαφόρων MIMO τεχνικών μετάδοσης σε σύγχρονα δορυφορικά συστήματα επικοινωνιών.

This PhD Thesis deals with the research and development of MIMO satellite channel models and their performance improvement estimation through analytical expressions and computer simulations. Chapter 1 provides an introduction on the recent technological advances in the fields of satellite communications and MIMO technology and then outlines issues associated to the applicability of MIMO technology to satellite channels. Chapter 2 analyzes the propagation impairments and the respective fading effects which characterize the conventional SISO satellite channels operating at frequencies below and above 10GHz. An analytical model on the relation between rain fading and multipath fading effects in SISO land mobile satellite (LMS) channels operating at frequencies above 10GHz is also proposed. Chapter 3 addresses MIMO terrestrial wireless communications and analyzes some fundamentals on channel modeling and capacity evaluation based on the available vast MIMO theory. The channel capacity is evaluated in several special cases of MIMO terrestrial wireless channels among which a proposed MIMO millimeter-wave channel which operates under rain fading. The analyses of Chapters 2 and 3 are then unified in Chapters 4 and 5 for an in-depth investigation of MIMO applicability to satellite communications. Specifically, Chapter 4 deals with MIMO fixed satellite channels which operate at frequencies above 10GHz under rain fading and to which satellite diversity and site diversity are separately assumed for the MIMO channel matrix generation. Chapter 5 deals with MIMO LMS channels which operate at frequencies below 10GHz under shadowing and multipath fading and to which polarization diversity, satellite diversity and antenna diversity are separately assumed for the MIMO channel matrix generation. In both Chapters 4 and 5, emphasis is put on channel modeling and performance evaluation issues for the respective MIMO satellite channels through analytical expressions and computer simulations. In this regard, performance measures employed refer to outage capacity, bit error outage probability (BEOP) and bit error probability (BEP). Moreover, specifically, in Chapter 5, a step-by-step methodology for the time-series generation of the proposed MIMO LMS channels is provided for the performance assessment of advanced MIMO-enabled satellite transmission systems.