MIMO optical satellite systems: power allocation with classical optimization methods and with deep learning techniques

Abstract

Fifth-generation (5G) cellular networks are engineered to satisfy the unique requirements of a variety of emerging services, each with escalating demands: Broadband services characterized by low latency, security, high-speed, diversity, and high reliability. Because of their universal coverage, connectivity, scalability, and robustness, satellite communications and non-terrestrial networks are regarded as enabling technologies towards beyond 5G (B5G). High-throughput satellites (HTS) in the Ka-band (26–40 GHz) can be employed for Internet of Things (IoT) applications and backhauling because satellite technologies are now sufficiently mature for these usages. In addition, a number of countries and international space agencies take part in the exploration of Mars, the Moon, deep-space, and near-Earth. In the new space sector, optimizing satellite communications is another crucial field. Conventional radio frequency (RF) lines are unable to offer such high regulation because of the restricted spectrum available. In the satellite community, there has been a growing interest in free space optical (FSO) communication as an alternative to RF communication. Nonetheless, FSO is susceptible to the detrimental effects of scintillation, pointing errors, and clear air turbulence. This Thesis focuses on the study of optical satellite communication systems and in particular on the modeling of the optical downlink (DL) channel and the optimization of power allocation in multiple-input multiple-output (MIMO) optical satellite networks. Emphasis is placed on the adverse effects faced by the laser beam from propagating in the Earth's atmosphere and on their mitigation techniques. First, for the accurate prediction of DL optical channel irradiance scintillations, a methodology was developed that generates time series using stochastic differential equations and validates them in terms of first and second-order statistics (probability density function, cumulative distribution function, power spectral density). Then, all-optical MIMO satellite system scenarios are considered, and optimal and efficient power allocation algorithms are proposed. The primary problem is formulated as a convex optimization problem with maximum allowed transmit power constraints to maximize capacity and then decomposed into independent convex sub-problems. The entire proposed methodology is based on the water-filling algorithm and satisfies the Karush-Kuhn-Tucker (KKT) conditions. Moreover, optimal power control in hybrid satellite relays is investigated. A dual-hop decode-and-forward optical DL link for a geostationary satellite source is considered. Spatial correlation, correlation matrices and, coefficients are included. Additionally, the power optimization problem is formulated and solved non-linearly for hybrid automatic repeat request (HARQ) schemes in low-earth orbit (LEO) satellites. Then, the power optimization problem incorporates the pointing errors, and a robust maximin methodology is proposed to deal with optical jitter uncertainty. Finally, the Dissertation concludes with the study of neural networks, deep learning, and deep reinforcement learning algorithms. A model-free learning algorithm is proposed that accurately predicts the optimal power distribution in each optical channel.

Τα ασύρματα δίκτυα πέμπτης γενιάς (fifth-generation, 5G) έχουν σχεδιαστεί για να ανταποκρίνονται στις ολοένα και πιο απαιτητικές ανάγκες των διαφορετικών αναδυόμενων υπηρεσιών με ξεχωριστές απαιτήσεις: Ευρυζωνικές υπηρεσίες υψηλής ταχύτητας, ετερογενείς, εξαιρετικά αξιόπιστες, ασφαλείς και χαμηλής καθυστέρησης. Στα ασύρματα δίκτυα πέρα από το 5G (beyond 5G, B5G), οι δορυφορικές επικοινωνίες και γενικά τα μη-επίγεια δίκτυα θεωρούνται τεχνολογίες ενεργοποίησης λόγω της δυνατότητας παροχής παγκόσμιας κάλυψης, της συνδεσιμότητας απομακρυσμένων περιοχών, της επεκτασιμότητας και της ανθεκτικότητάς τους. Οι δορυφορικές τεχνολογίες είναι ήδη αρκετά ώριμες για ζεύξεις υποστήριξης (backhauling) και για εφαρμογές Διαδικτύου των Πραγμάτων κάνοντας χρήση δορυφόρων υψηλής ρυθμαπόδοσης στη ζώνη Ka (20/30 GHz). Επίσης, αρκετές εθνικές και πολυεθνικές διαστημικές υπηρεσίες συμμετέχουν στην εξερεύνηση του βαθέως διαστήματος, κοντά στη Γη, της Σελήνης και του Άρη και σχεδιάζουν και άλλες αποστολές. Η βελτιστοποίηση των δορυφορικών επικοινωνιών είναι ένας ακόμη σημαντικός τομέας στη βιομηχανία του νέου διαστήματος. Λόγω του περιορισμένου διαθέσιμου φάσματος, οι παραδοσιακές ζεύξεις ραδιοεπικοινωνιών (radio frequency, RF) αδυνατούν να παρέχουν τόσο υψηλή ρυθμαπόδοση. Η οπτική επικοινωνία ελευθέρου χώρου (free space optical, FSO) είναι μια εναλλακτική με ποικίλα πλεονεκτήματα έναντι της RF που έχει κερδίσει αυξημένη προσοχή στη δορυφορική κοινότητα. Ωστόσο, η FSO είναι ευάλωτη στις σοβαρές επιπτώσεις των ατμοσφαιρικών στροβιλισμών, των σφαλμάτων στόχευσης και των σπινθηρισμών. Η παρούσα Διατριβή επικεντρώνεται στην μελέτη των οπτικών δορυφορικών συστημάτων επικοινωνιών και ειδικότερα στην μοντελοποίηση του οπτικού διαύλου κάτω ζεύξης (downlink, DL) και στη βελτιστοποίηση της κατανομής ισχύος σε οπτικά δορυφορικά δίκτυα πολλαπλών εισόδων - εξόδων (multi-input multi-output, MIMO). Δίνεται έμφαση στα δυσμενή φαινόμενα που αντιμετωπίζει η δέσμη φωτός κατά τη διάδοση στη γήινη ατμόσφαιρα και στις τεχνικές άμβλυνσης των φαινομένων αυτών. Αρχικά, για την ακριβή πρόβλεψη του σπινθηρισμού έντασης ακτινοβολίας του DL οπτικού καναλιού αναπτύχθηκε μεθοδολογία που παράγει χρονοσειρές με χρήση στοχαστικών διαφορικών εξισώσεων η οποία επικυρώθηκε και επιβεβαιώθηκε ως προς τα στατιστικά πρώτης και δεύτερης τάξης (συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας, αθροιστική συνάρτηση κατανομής, φασματική πυκνότητα ισχύος) με πειραματικά δεδομένα. Στη συνέχεια, εξετάζονται σενάρια αμιγώς οπτικών δορυφορικών συστημάτων ΜΙΜΟ και προτείνονται αλγόριθμοι βέλτιστης και αποδοτικής εκχώρησης ισχύος. Το κύριο πρόβλημα διατυπώνεται ως κυρτό πρόβλημα βελτιστοποίησης με περιορισμούς μέγιστης επιτρεπτής εκπομπής ισχύος με σκοπό την μεγιστοποίηση της χωρητικότητας και κατόπιν αποσυντίθεται σε ανεξάρτητα κυρτά υποπροβλήματα. Η όλη προτεινόμενη μεθοδολογία είναι βασισμένη στον αλγόριθμο υδροπλήρωσης και ικανοποιεί τις συνθήκες Karush-Kuhn-Tucker. Επίσης, διερευνάται ο βέλτιστος έλεγχος ισχύος σε υβριδικά δορυφορικά δίκτυα (χρήση επιγείου relay). Θεωρείται η οπτική DL ζεύξη αποκωδικοποίησης-και-προώθησης διπλής αναπήδησης για μια γεωστατική δορυφορική πηγή. Λαμβάνονται υπόψη η χωρική συσχέτιση, οι μήτρες και συντελεστές συσχέτισης. Ακόμη, το πρόβλημα βελτιστοποίησης ισχύος διατυπώνεται και επιλύεται μη-γραμμικά για σχήματα υβριδικής αυτόματης αίτησης επανεκπομπής σε χαμηλής τροχιάς δορυφόρους. Ακολούθως, το πρόβλημα βελτιστοποίησης ισχύος ενσωματώνει τα σφάλματα στόχευσης και προτείνεται εύρωστη μεθοδολογία για την αντιμετώπιση της αβεβαιότητας της οπτικής διακύμανσης. Τέλος, η Διατριβή ολοκληρώνεται με την μελέτη αλγορίθμων νευρωνικών δικτύων, μηχανικής, βαθιάς και ενισχυτικής μάθησης. Προτείνεται αλγόριθμος χωρίς μοντέλο που με ακρίβεια προβλέπει τη βέλτιστη κατανομή ισχύος σε κάθε οπτικό κανάλι.