Επίδοση σύγχρονων δορυφορικών δικτύων που κάνουν χρήση τεχνικών άμβλυνσης διαλείψεων σε περιβάλλον πολλαπλών παρεμβολών

Abstract

In the present doctoral thesis, main propagation issues of modern satellite communications are studied. Considering the utilization of high transmission frequencies of Ku-band (12/14 GHz) and Ka-band (20/30 GHz), the signal fading induced by troposphere precipitations, and its effect on the total availability of the satellite links, is under examination, through the stochastic modeling approach. Satellite systems using modern fade mitigation techniques, while operating under the presence of one or more sources of adjacent system interference, are also examined. The first part concerns a satellite network using a triple-site diversity scheme against rain induced attenuation, in both cases of applying, or not, the frequency re-use technique. Adjacent satellite interference is taken in consideration while the system is considered as interference-dominant. Total carrier to noise plus interference statistic analysis is performed, under the effect of differential rain attenuation, and in some cases, the contribution of rain and ice-crystals induced depolarization. The necessity of a triple-site diversity protection method, in order to achieve the desired level of link availability is obtained, especially in heavy-rain regions, where even a double-site diversity reception is proved to be inefficient. On the second part, a satellite system suffering from interference by two adjacent satellites, the later laying at both sides of the wanted one on the geostationary orbit, is demonstrated. This assumption constitutes a factual case due to the satellite congestion on geostationary orbit. Both noise- dominant and Interference-dominant systems are analyzed, in all cases of using single-site or double-site diversity protection technique, as well as single or double polarization scheme on the signal transmission carrier. The consideration of the second adjacent satellite as additional source of interference, is turned out to be a dominant factor for the statistical distribution of the carrier-to-interference, or total carrier-to-noise plus interference, ratios, especially in locations with intense rain conditions. The provision of applications requiring a high availability level is further aggravated, as well as the differential gain of the site-diversity scheme, especially in the case of an interference-dominant system. The final subject of this thesis is the examination of a satellite communication link, suffering by adjacent satellite interference, in the special case that both satellite systems are using the Automatic Power Control as a fade mitigation technique, on both the uplink and downlink channels. Furthermore, the effect of such a system, applied on a satellite fleet, upon a terrestrial LMDS microwave telecommunication network is also examined. The efficiency of this active fade mitigation mechanism turns out to be very important for the supported link, at the same time however that it becomes very aggravating for the adjacent links due to the increase of the interfering power levels. This contribution to the adjacent link aggravation becomes stronger when the transmitted signal frequency, and thus the signal attenuation, becomes higher, and also when the correlation coefficient between the two attenuation values, which control the activation of the above automatic power control systems, is increased.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή αναλύονται προβλήματα διάδοσης που αφορούν την λειτουργία των σύγχρονων δορυφορικών επικοινωνιών. Με δεδομένη την χρήση υψηλών συχνοτήτων μετάδοσης, που ανήκουν στις φασματικές ζώνες της Ku-band (12/14 GHz) και Ka-band (20/30 GHz), αντιμετωπίζεται το πρόβλημα των προκαλούμενων, από τις ατμοσφαιρικές κατακρημνίσεις, διαλείψεων των δορυφορικών σημάτων, και της επίδρασης αυτών στον ολικό χρόνο διαθεσιμότητας των δορυφορικών ζεύξεων, μέσω της ανάπτυξης στοχαστικών μοντέλων. Μελετώνται συστήματα που κάνουν χρήση σύγχρονων τεχνικών άμβλυνσης διαλείψεων και λειτουργούν σε περιβάλλον παρεμβολών από ένα ή περισσότερα γειτονικά τηλεπικοινωνιακά συστήματα. Στην πρώτη ενότητα παρουσιάζεται ένα δορυφορικό σύστημα που χρησιμοποιεί την τριπλή διαφορική λήψη χώρου για την αντιμετώπιση των αποσβέσεων λόγω βροχής, στις δύο ξεχωριστές περιπτώσεις χρήσης ή μη της τεχνικής αναχρησιμοποίησης συχνότητας στο φέρον του επιθυμητού σήματος. Λαμβάνονται υπόψη οι παρεμβολές που δέχεται από γειτονικό δορυφορικό σύστημα, ενώ γενικά η στάθμη των παρεμβολών θεωρείται ισοδύναμη ή ακόμα και επικρατέστερη αυτής του λευκού θερμικού θορύβου. Υπολογίζεται η στατιστική κατανομή του ολικού λόγου σήματος προς θόρυβο και παρεμβολής του συστήματος, υπό την επίδραση της διαφορικής απόσβεσης και κατά περίπτωση της αποπόλωσης λόγω της βροχής και των παγοκρυστάλλων. Αποδεικνύεται ότι, ειδικά σε επιβαρυμένες κλιματολογικά γεωγραφικές περιοχές, η τριπλή λήψη είναι απαραίτητη για την επίτευξη μεγάλων τιμών διαθεσιμότητας των ζεύξεων όταν ακόμα και η διπλή λήψη δεν επαρκεί για την παροχή εφαρμογών με μικρούς αποδεκτούς χρόνους αποκοπής. Στην δεύτερη ενότητα μελετάται η περίπτωση δορυφορικού συστήματος που δέχεται παρεμβολές από δυο γειτονικά δορυφορικά συστήματα. Η θεώρηση αυτή είναι πλέον επιβεβλημένη, κατά την φάση του σχεδιασμού των σύγχρονων δορυφορικών δικτύων, λαμβανομένου υπόψη του μεγάλου αριθμού των ενεργών τηλεπικοινωνιακών δορυφόρων και της συμφόρησης που πλέον επικρατεί στην γεωστατική τροχιά. Παρουσιάζονται ξεχωριστά οι δύο περιπτώσεις θεώρησης του θερμικού θορύβου ή τον παρεμβολών, σαν τον επικρατέστερο περιοριστικό παράγοντα της διαθεσιμότητας της ζεύξης. Σε κάθε περίπτωση μελετώνται τα συστήματα απλής και διπλής διαφορικής προστασίας, ως επίσης και χρήσης απλής και διπλής πόλωσης στην μετάδοση του επιθυμητού σήματος. Αποδεικνύεται ότι η θεώρηση του δεύτερου παρεμβάλλοντα γειτονικού δορυφόρου διαφοροποιεί σημαντικά την κατανομή των λόγου σήματος προς παρεμβολή, ή σήματος προς θόρυβο και παρεμβολή, ιδιαίτερα στις πιο ένυδρες περιοχές. Επιβαρύνει σημαντικά την παροχή υπηρεσιών με απαίτηση μεγάλων χρόνων διαθεσιμότητας ενώ ταυτόχρονα αμβλύνει το διαφορικό κέρδος που προκύπτει από την χρήση της διπλής διαφορικής λήψης, κυρίως στα συστήματα με επικρατούσα παρενόχληση της παρεμβολές. Στην τρίτη και τελευταία ενότητα παρουσιάζεται η περίπτωση ενός δορυφορικού συστήματος το οποίο δέχεται παρεμβολή από γειτονικό δορυφορικό σύστημα, όταν και τα δύο συστήματα χρησιμοποιούν την τεχνική του αυτομάτου ελέγχου της ισχύος εκπομπής, στην άνω και στην κάτω ζεύξη. Επιπρόσθετα μελετάται η επίδραση του ίδιου γειτονικού δορυφορικού συστήματος στον λόγο σήματος προς παρεμβολή στην λήψη επίγειου μικροκυματικού δικτύου LMDS. Αποδεικνύεται ότι η ενεργοποίηση τέτοιων συστημάτων αυτομάτου ελέγχου ισχύος εκπομπής, αν και είναι αποδοτική ως προς την άμβλυνση των διαλείψεων των ζεύξεων που αφορούν, αποτελούν μια σαφή πηγή παρενόχλησης των γειτονικών ζεύξεων. Τα επίπεδα παρενόχλησης αυξάνονται όταν αυξάνεται η συχνότητα λειτουργίας, άρα και τα επίπεδα των αποσβέσεων των υπό μελέτη ζεύξεων, αλλά και όταν αυξάνεται ο συντελεστής συσχέτισης των αποσβέσεων που ρυθμίζουν την ενεργοποίηση των συστημάτων αυτομάτου ελέγχου εκπομπής.