Design and implementation of receivers and measurement equipment for next-generation satellite networks

Abstract

Οι ολοένα αυξανόμενες απαιτήσεις για υψηλότερους ρυθμούς μετάδοσης σε συνδυασμό με την εξάντληση του διαθεσίμου φάσματος για δορυφορικές επικοινωνίες επιβάλλουν τη μετάβαση των συστημάτων και υπηρεσιών σε ανώτερες φασματικές ζώνες όπως η Ka και οι Q/V. Η μετάβαση αυτή θα δώσει τη δυνατότητα για ανάπτυξη νέων δορυφορικών συστημάτων υψηλής ρυθμαπόδοσης (High Throughput Satellites, HTS), παρέχοντας αξιοσημείωτα μεγαλύτερη χωρητικότητα δικτύου και ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων σε δορυφορικές ζεύξεις τροφοδοσίας (feeder links) τάξεως δεκάδων Tbps. Ωστόσο, η διάδοση του σήματος στις ζώνες αυτές είναι πολύ πιο ευαίσθητη στα διάφορα ατμοσφαιρικά φαινόμενα και κυρίως στις ατμοσφαιρικές κατακρημνίσεις-βροχή (έντονη εξασθένηση - τάξεως δεκάδων dB) εγείροντας έτσι ζητήματα αξιοπιστίας και διαθεσιμότητας των ζεύξεων. Η χρήση ενός απλού περιθωρίου διαλείψεων (fade margin) ή ελέγχου ισχύος, τεχνικές που χρησιμοποιούνται με επιτυχία σε συστήματα με χαμηλότερες συχνότητες λειτουργίας, κρίνεται τόσο ασύμφορη όσο και ανεπαρκής στη συγκεκριμένη περίπτωση. Είναι επομένως απαραίτητη η χρήση εξειδικευμένων τεχνικών άμβλυνσης διαλείψεων (Fading Mitigation Techniques, FMTs) οι οποίες με τη σειρά τους προϋποθέτουν ακριβή μοντελοποίηση του καναλιού διάδοσης. Τα τελευταία χρόνια, με πρωτοβουλία και υπό τον συντονισμό του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος (European Space Agency, ESA) έγιναν διαθέσιμα σήματα-beacons για τη διεξαγωγή νέων μετρήσεων στις ζώνες Ka και Q (19.701 και 39.402 GHz) από τον δορυφόρο ALPHASAT (25.0oE). Το γεγονός αυτό, σε συνδυασμό με την ωρίμανση της τεχνολογίας και τις νέες τεχνικές Software Defined Radio (SDR), αποτέλεσε το κίνητρο για την ανάπτυξη δεκτών για διεξαγωγή μετρήσεων σε αυτές τις φασματικές ζώνες, για πρώτη φορά σε ελληνικό έδαφος. Οι αναπτυχθέντες δέκτες αποτελούν πλέον μέρος του πανευρωπαϊκού δικτύου μετρήσεων του Alphasat Aldo Paraboni Propagation Experimenters (ASAPE) καθώς και του ερευνητικού προγράμματος της ESA «ASALASCA». Λίγο αργότερα, με σκοπό τη συλλογή περισσοτέρων δεδομένων προστέθηκαν άλλοι δύο δέκτες στις φασματικές ζώνες Ku (11.699 GHz) και Ka-band (19.680 GHz) χρησιμοποιώντας τους δορυφόρους Arabsat BADR-5 (26.0oE) και Eutelsat KaSat (9.0oE) αντίστοιχα. Στην παρούσα εργασία παρουσιάζεται η αρχιτεκτονική των σχεδιασθέντων δεκτών και οι βασικές αρχές λειτουργίας τους. Δίνεται έμφαση στους παράγοντες που πρέπει να ληφθούν υπόψη σε μια τέτοια προσπάθεια, στις προκλήσεις που αντιμετωπίστηκαν πριν και κατά την εγκατάστασή των δεκτών αλλά και κατά τη διάρκεια της λειτουργίας τους καθώς και οι λύσεις που δόθηκαν. Μετά από εκτεταμένη στατιστική επεξεργασία των συλλεγέντων μετρητικών δεδομένων παρουσιάζονται τα στατιστικά πρώτης τάξης τόσο για την εξασθένηση όσο και για το ρυθμό βροχόπτωσης ανά περιοχή. Ακολούθως, παρουσιάζονται τα στατιστικά δεύτερης τάξης/δυναμική συμπεριφορά των φαινομένων απόσβεσης και πιο συγκεκριμένα ο ρυθμός μεταβολής της απόσβεσης, η διάρκεια διαλείψεων και το πλήθος αυτών ανά κατώφλι εξασθένησης καθώς και το μεσοδιάστημα μεταξύ διαλείψεων (inter-fade durations). Τέλος, χρησιμοποιώντας το σύνολο των χρονοσειρών απόσβεσης επιχειρείται εκτίμηση απόδοσης των διαφόρων σχημάτων FMTs (χωρικός διαφορισμός, χρονικός διαφορισμός, διαφορισμός τροχιάς), μελέτη της κλιμάκωσης συχνότητας και των σπινθηρισμών αλλά και εξέταση ενός σεναρίου χωρικού διαφορισμού μεγάλης κλίμακας μεταξύ Μεγάλης Βρετανίας και Ελλάδας με εντυπωσιακά αποτελέσματα. Η παρούσα εργασία συνιστά την πρώτη και πιο ολοκληρωμένη προσπάθεια συγκέντρωσης και ανάλυσης μετρητικών δεδομένων διάδοσης για τις δορυφορικές ζώνες συχνοτήτων Ku, Ka και Q στην Ελλάδα αλλά και στην ευρύτερη περιοχή της νοτίου Μεσογείου. Μέχρι πρότινος, η συντριπτική πλειοψηφία των διαθεσίμων μοντέλων στη βιβλιογραφία για την περιοχή αυτή βασιζόταν σε παραδοχές ή μετρήσεις άλλων, υποτιθέμενα παρόμοιων κλιματικών περιοχών. Στην πράξη, όπως άλλωστε αποδεικνύεται και από την ανάλυση των ληφθέντων μετρήσεων και την αντιπαραβολή τους με παρόμοιες προσπάθειες ανά την Ευρώπη, υπάρχουν σημαντικές αποκλίσεις. Οι μετρήσεις αποδεικνύουν ότι εάν δε ληφθούν σημαντικά αντίμετρα, η διαθεσιμότητα συστημάτων με συχνότητες λειτουργίας στις ζώνες Ka ή Q θα είναι σημαντικά περιορισμένη. Από την άλλη, η εφαρμογή τεχνικών FMT και ειδικά σχημάτων χωρικού διαφορισμού φαίνεται εξαιρετικά αποδοτική (αν και κοστοβόρα) και θα μπορούσε να αυξήσει θεαματικά τη διαθεσιμότητα των συστημάτων.