Πρόβλεψη Καναλιού Δορυφορικών Ευρυζωνικών Ζεύξεων με Μοντέλα ARIMA και Μοντέλα Μηχανικής Μάθησης : Εφαρμογή σε Συνθετικά και σε Πειραματικά Δεδομένα Μετρήσεων στις ζώνες Ka και Q.

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία ασχολείται με την πρόβλεψη του καναλιού δορυφορικών ευρυζωνικών ζεύξεων. Πιο συγκεκριμένα ο κυρίαρχος παράγοντας σε αυτές τις ζεύξεις είναι η απόσβεση λόγω βροχής. Συνεπώς η διπλωματική έχει ως θέμα μοντέλα ARIMA και μοντέλα Μηχανικής Μάθησης σε συνθετικά και πειραματικά δεδομένα μετρήσεων δορυφορικών ζεύξεων σε συχνότητες άνω των 10 GHz. Στο 1ο κεφάλαιο γίνεται η εισαγωγή στις δορυφορικές επικοινωνίες και στα δίκτυα 5ης γενιάς. Έπειτα παρουσιάζονται οι τομείς χρησιμότητάς τους, οι περιπτώσεις χρήσης τους, καθώς και πως ενσωματώνονται στην αρχιτεκτονική του 5G. Στο 2ο κεφάλαιο παρουσιάζονται μοντέλα για τη σύνθεση χρονοσειρών της απόσβεσης λόγω βροχής τα οποία είναι βασισμένα είτε σε φίλτρα, είτε σε στοχαστικές διαφορικές εξισώσεις, είτε στην τεχνική συνθετικής καταιγίδας με εισόδους τη χρονοσειρά του σημειακού ρυθμού βροχόπτωσης. Με την πρώτη τεχνική παράγονται καμπύλες απόσβεσης συναρτήσει πιθανότητας αποκοπής της ζεύξης και εξετάζεται η ευαισθησία αυτής σε σχέση με τη συχνότητα, την γωνία ανύψωσης και την θέση του επίγειου σταθμού καθώς και την πόλωση του σήματος και τον χρόνο ανάλυσης των δειγμάτων. Στο 3ο κεφάλαιο γίνεται πρόβλεψη σε συνθετικά δεδομένα απόσβεσης βροχής βασισμένα σε φίλτρα με το μοντέλο ARIMA. Τα δεδομένα παράχθηκαν για διαφορετικές περιοχές (Αθήνα 20-40 GHz, Καλαμάτα 20 GHz, Κέρκυρα 40 GHz). Υπολογίζονται οι παράμετροι του μοντέλου και παρουσιάζονται διαγράμματα σύγκρισης στιγμιότυπων χρονοσειρών απόσβεσης λόγω βροχής μεταξύ των δεδομένων και της πρόβλεψης από το ARIMA καθώς και καμπύλες της απόσβεσης συναρτήσει πιθανότητας αποκοπής. Στο 4ο κεφάλαιο πραγματοποιείται η ίδια ανάλυση αλλά χρησιμοποιούνται αλγόριθμοι μηχανικής μάθησης και συγκεκριμένα οι αλγόριθμοι Random Forest και Gradient Boosting. Στο τέλος του γίνεται και σύγκριση με το μοντέλο ARIMA. Στο 5ο κεφάλαιο παρουσιάζεται το πειραματικό μέρος της εργασίας. Τα δεδομένα που χρησιμοποιούνται για την πρόβλεψη προέρχονται από δέκτες που έχουν στηθεί από το ΕΜΠ κάνουν χρήση του δορυφόρου ALPHASAT και ανήκουν στην Ka και στην Q ζώνη συχνοτήτων και βρίσκονται σε δύο διαφορετικές περιοχές την Αθήνα και το Λαύριο. Χρησιμοποιούνται τόσο το μοντέλο ARIMA όσο και οι αλγόριθμοι μηχανικής μάθησης ενώ ως είσοδο σε αυτά έχουμε είτε χρονοσειρές απόσβεσης, είτε χρονοσειρές ρυθμού βροχόπτωσης. Τέλος στο 6ο κεφάλαιο παρουσιάζονται προτάσεις για μελλοντική έρευνα στην πρόβλεψη καναλιού στις σύγχρονες δορυφορικές επικοινωνίες.