Επίδοση ασύρματων επίγειων και στρατοσφαιρικών δικτύων εξαιρετικά υψηλών συχνοτήτων

Abstract

Η παρούσα διδακτορική διατριβή μελετά προβλήματα διάδοσης σε συχνότητες της Ka, της V και της EHF (30-300GHz) ζώνης, μοντελοποιώντας το ασύρματο κανάλι και τις ατμοσφαιρικές επιδράσεις. Εκτιμά τη σπουδαιότητα και το μέγεθος των συνδυασμένων επιπτώσεων διαφορετικών μετεωρολογικών παραγόντων στη λειτουργία των συστημάτων και εξετάζει τεχνικές άμβλυνσης διαλείψεων υπό συνθήκες βροχής. Τα τηλεπικοινωνιακά συστήματα με τα οποία ασχολείται είναι αφενός επίγεια συστήματα σταθερής ασύρματης πρόσβασης FWA (Fixed Wireless Access), αφετέρου επίγεια συστήματα πολύ ευρείας ζώνης UWB (Ultra-WideBand) που κάνουν χρήση εξαιρετικά στενών παλμών για τη μετάδοση της πληροφορίας, καθώς και ευρυζωνικά στρατοσφαιρικά δίκτυα σταθερών επικοινωνιών που υλοποιούνται μέσω εναέριων σταθμών HAPS (High Altitude Platform Stations). Πιο αναλυτικά, στο πρώτο κομμάτι της διατριβής προτείνεται ένα νέο εμπειρικό μοντέλο υπολογισμού της πιθανότητας υπέρβασης μιας στάθμης απόσβεσης βροχής σε επίγειες ζεύξεις οπτικής επαφής δικτύων σταθερής ασύρματης πρόσβασης, η καινοτομία του οποίου έγκειται στη θεώρηση Pruppacher-Pitter για το σχήμα των βροχοσταγόνων. Η ανάλυση ξεκινά με εφαρμογή της μεθόδου των βοηθητικών πηγών MAS (Method of Auxiliary Sources) στο πρόβλημα σκέδασης επίπεδου ηλεκτρομαγνητικού κύματος από σταγόνα βροχής και τα αποτελέσματα του μοντέλου συγκρίνονται με πειραματικά δεδομένα επίγειων ζεύξεων. Στη συνέχεια μελετώνται προβλήματα διάδοσης παλμών UWB σε εξωτερικό χώρο, επιχειρώντας συνδυασμένες εκφράσεις για την επίδραση τόσο των αερίων της ατμόσφαιρας μέσω του μοντέλου διάδοσης χιλιοστομετρικών κυμάτων MPM (Millimetre-wave Propagation Model) όσο και της συνεισφοράς της βροχής για σταγόνες Pruppacher-Pitter. Εκτιμάται η παλμική διαταραχή και η σπουδαιότητα της ενσωμάτωσης του παράγοντα βροχής στο μοντέλο καθαρού ουρανού. Τέλος εξετάζεται η επίδοση σχημάτων διπλής διαφορικής λήψης θέσης σε στρατοσφαιρικά δίκτυα. Η καινοτομία του προτεινόμενου μοντέλου εστιάζεται στην αποτίμηση της ολικής απόσβεσης που προκαλείται από τη δράση πολλαπλών πηγών ταυτόχρονης ατμοσφαιρικής εξασθένησης, υιοθετώντας παράλληλα το μοντέλο των συνεκτικών βροχοπυρήνων για την περιγραφή της βροχής. Εφαρμογή της μεθόδου σε ποικίλες τοπολογίες οδηγεί σε πολύτιμα συμπεράσματα για τη βέλτιστη σχετική τοποθέτηση του εναλλακτικού δέκτη στην περιοχή κάλυψης της στρατοσφαιρικής πλατφόρμας.

The PhD thesis in hand studies propagation problems of the Ka, V and EHF (30-300GHz) band, and introduces new atmospheric models for wireless channels. An estimation of the combined meteorological effects to the system’s operation is attempted, and fade mitigation techniques in the presence of rain are investigated. Terrestrial Fixed Wireless Access (FWA) systems, Ultra Wide Band (UWB) systems utilizing very short pulses for data transmission, as well as fixed broadband stratospheric networks implemented through High Altitude Platform Stations (HAPS) are involved in the analysis. A new empirical model for the calculation of the exceedance probability of a rain attenuation threshold along terrestrial line-of-sight (LOS) FWA links is introduced in the first part of the thesis. The innovation of the model lies in the adoption of the Pruppacher-Pitter approach for the raindrop shape. The analysis starts with the application of the Method of Auxiliary Sources (MAS) to the problem of electromagnetic scattering of a plane wave by a raindrop, while the results of the proposed methodology are compared against experimental data for terrestrial FWA links. Next, outdoor propagation problems of UWB pulses are studied, and combined expressions for the effects of atmospheric gases, through the Millimetre wave Propagation Model (MPM), and rain contribution for Pruppacher-Pitter raindrops are proposed. The induced pulse distortion and the importance of the incorporation of the rain factor to the clear sky model are estimated. Finally, the performance of double site diversity schemes in stratospheric networks using HAPS is examined. The novelty of the proposed model is the estimation of the total signal degradation, taking into account multiple sources of simultaneous atmospheric attenuation on one hand, while adopting the convective raincell model for the description of the rain medium on the other. The introduced methodology is applied to various topologies, leading to valuable conclusions for the optimum relative placement of the alternative receiver in the area coverage of the stratospheric platform.