Please use this identifier to cite or link to this item: http://artemis.cslab.ece.ntua.gr:8080/jspui/handle/123456789/8880
Title: Επιδοση Ασυρματων Επιγειων Και Στρατοσφαιρικων Δικτυων Εξαιρετικα Υψηλων Συχνοτητων
Authors: Ευαγγελια Μ. Γεωργιαδου
Κανελλόπουλος Ιωάννης
Keywords: σταθερη ασυρματη προσβαση
στρατοσφαιρικες επικοινωνιες
παλμικη διαδοση
ατμοσφαιρικες αποσβεσεις
fixed wireless access
ultra wideband
high altitude platforms
Issue Date: 12-Jun-2012
Abstract: Στις αρχές του 21ου αιώνα, στην εποχή των συνεχώς αυξανόμενων εφαρμογών τηςτηλεπικοινωνιακής τεχνολογίας, ένας από τους πιο πολύτιμους και περιορισμένουςφυσικούς πόρους είναι πλέον το εύρος ζώνης. Οι σύγχρονοι χρήστες απαιτούν υψηλήςχωρητικότητας υπηρεσίες, μεγάλες ταχύτητες μετάδοσης και εξελιγμένη ποιότηταεπικοινωνίας. Ο πολλαπλασιασμός των υπηρεσιών που οδηγεί σε κορεσμό του συμβατικούραδιοφάσματος, σε συνδυασμό με την ανάγκη υλοποίησης δικτύων πολύ ευρείας ζώνης,έχει σαν αποτέλεσμα την αξιοποίηση ολοένα υψηλότερων φερουσών συχνοτήτωνλειτουργίας.Ωστόσο η διάδοση πάνω από τα 10GHz και ειδικότερα στις ζώνες Ka (27/40GHz) καιV (40/75GHz) όπου αναμένεται να λειτουργήσουν πολλά τηλεπικοινωνιακά συστήματα,επηρεάζεται καταλυτικά από την παρουσία της γήινης ατμόσφαιρας. Η ανομοιογένεια καιαπορροφητικότητα του μέσου μετάδοσης προκαλεί μια σειρά από μηχανισμούς που δρουνδυσμενώς στα χιλιοστομετρικά μήκη κύματος. Πιο συγκεκριμένα, παράγοντες όπως τασύννεφα, η ομίχλη, το χιόνι, το χαλάζι, οι παγοκρύσταλλοι, οι τροποσφαιρικοίσπινθηρισμοί, αλλά κυρίως η βροχή, εξασθενούν και αποπολώνουν την ηλεκτρομαγνητικήακτινοβολία. Σε συχνότητες δε που βρίσκονται κοντά στις γραμμές συντονισμού τουοξυγόνου (Ο2) και των υδρατμών (Η2Ο) παρατηρούνται επιπλέον φαινόμενα απορρόφησης.Η παρούσα διδακτορική διατριβή μελετά προβλήματα διάδοσης σε συχνότητες τηςKa, της V και της EHF (30-300GHz) ζώνης, μοντελοποιώντας το ασύρματο κανάλι και τιςατμοσφαιρικές επιδράσεις. Εκτιμά τη σπουδαιότητα και το μέγεθος των συνδυασμένωνεπιπτώσεων διαφορετικών μετεωρολογικών παραγόντων στη λειτουργία των συστημάτωνκαι εξετάζει τεχνικές άμβλυνσης διαλείψεων υπό συνθήκες βροχής. Τα τηλεπικοινωνιακάσυστήματα με τα οποία ασχολείται είναι αφενός επίγεια συστήματα σταθερής ασύρματηςπρόσβασης FWA (Fixed Wireless Access), αφετέρου επίγεια συστήματα πολύ ευρείας ζώνηςUWB (Ultra-WideBand) που κάνουν χρήση εξαιρετικά στενών παλμών για τη μετάδοση τηςπληροφορίας, καθώς και ευρυζωνικά στρατοσφαιρικά δίκτυα σταθερών επικοινωνιών πουυλοποιούνται μέσω εναέριων σταθμών HAPS (High Altitude Platform Stations).Πιο αναλυτικά, στο πρώτο κομμάτι της διατριβής προτείνεται ένα νέο εμπειρικόμοντέλο υπολογισμού της πιθανότητας υπέρβασης μιας στάθμης απόσβεσης βροχής σεεπίγειες ζεύξεις οπτικής επαφής δικτύων σταθερής ασύρματης πρόσβασης, η καινοτομίατου οποίου έγκειται στη θεώρηση Pruppacher-Pitter για το σχήμα των βροχοσταγόνων. Ηανάλυση ξεκινά με εφαρμογή της μεθόδου των βοηθητικών πηγών MAS (Method ofiiAuxiliary Sources) στο πρόβλημα σκέδασης επίπεδου ηλεκτρομαγνητικού κύματος απόσταγόνα βροχής και τα αποτελέσματα του μοντέλου συγκρίνονται με πειραματικάδεδομένα επίγειων ζεύξεων.Στη συνέχεια μελετώνται προβλήματα διάδοσης παλμών UWB σε εξωτερικό χώρο,επιχειρώντας συνδυασμένες εκφράσεις για την επίδραση τόσο των αερίων τηςατμόσφαιρας μέσω του μοντέλου διάδοσης χιλιοστομετρικών κυμάτων MPM (MillimetrewavePropagation Model) όσο και της συνεισφοράς της βροχής για σταγόνες Pruppacher-Pitter. Εκτιμάται η παλμική διαταραχή και η σπουδαιότητα της ενσωμάτωσης τουπαράγοντα βροχής στο μοντέλο καθαρού ουρανού.Τέλος εξετάζεται η επίδοση σχημάτων διπλής διαφορικής λήψης θέσης σεστρατοσφαιρικά δίκτυα. Η καινοτομία του προτεινόμενου μοντέλου εστιάζεται στηναποτίμηση της ολικής απόσβεσης που προκαλείται από τη δράση πολλαπλών πηγώνταυτόχρονης ατμοσφαιρικής εξασθένησης, υιοθετώντας παράλληλα το μοντέλο τωνσυνεκτικών βροχοπυρήνων για την περιγραφή της βροχής. Εφαρμογή της μεθόδου σεποικίλες τοπολογίες οδηγεί σε πολύτιμα συμπεράσματα για τη βέλτιστη σχετικήτοποθέτηση του εναλλακτικού δέκτη στην περιοχή κάλυψης της στρατοσφαιρικήςπλατφόρμας.Bandwidth has become one of the most valuable and limited resources of moderntelecommunications applications. Today’s users’ demands for high capacity, high data ratesand advanced quality of service, along with the congestion of the conventionalradiospectrum, have led to the exploitation of higher operational frequencies.Nevertheless, propagation in frequencies above 10GHz, and especially in the Ka(27/40GHz) and V (40/75GHz) bands, where many future systems are expected to operate, isdramatically affected by the earth’s atmosphere. The inhomogeneity and absorbency of thetransmitting medium causes a series of deteriorating mechanisms to millimetrewavelengths. Atmospheric elements such as clouds, fog, snow, hail, ice, troposphericscintillation, and primarily rain, attenuate and depolarize the electromagnetic radiation.Moreover, in frequencies close to the resonant absorption lines of oxygen (Ο2) and watervapour (Η2Ο) additional absorption phenomena are observed.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 estimationof the combined meteorological effects to the system’s operation is attempted, and fademitigation techniques in the presence of rain are investigated. Terrestrial Fixed WirelessAccess (FWA) systems, Ultra Wide Band (UWB) systems utilizing very short pulses for datatransmission, as well as fixed broadband stratospheric networks implemented through HighAltitude Platform Stations (HAPS) are involved in the analysis.A new empirical model for the calculation of the exceedance probability of a rainattenuation threshold along terrestrial line-of-sight (LOS) FWA links is introduced in the firstpart of the thesis. The innovation of the model lies in the adoption of the Pruppacher-Pitterapproach for the raindrop shape. The analysis starts with the application of the Method ofAuxiliary Sources (MAS) to the problem of electromagnetic scattering of a plane wave by araindrop, while the results of the proposed methodology are compared against experimentaldata for terrestrial FWA links.Next, outdoor propagation problems of UWB pulses are studied, and combinedexpressions for the effects of atmospheric gases, through the Millimetre wave PropagationModel (MPM), and rain contribution for Pruppacher-Pitter raindrops are proposed. Theinduced pulse distortion and the importance of the incorporation of the rain factor to theclear sky model are estimated.ivFinally, the performance of double site diversity schemes in stratospheric networksusing HAPS is examined. The novelty of the proposed model is the estimation of the totalsignal degradation, taking into account multiple sources of simultaneous atmosphericattenuation on one hand, while adopting the convective raincell model for the description ofthe rain medium on the other. The introduced methodology is applied to various topologies,leading to valuable conclusions for the optimum relative placement of the alternativereceiver in the area coverage of the stratospheric platform.
URI: http://artemis-new.cslab.ece.ntua.gr:8080/jspui/handle/123456789/8880
Appears in Collections:Διδακτορικές Διατριβές - Ph.D. Theses

Files in This Item:
File SizeFormat 
PD2012-0017.pdf3.24 MBAdobe PDFView/Open


Items in Artemis are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.