Μοντελοποίηση Καναλιού Για Οπτικές Δορυφορικές Επικοινωνίες

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.