Χαρακτηριστικά και επίδοση διαύλων ΜΙΜΟ για δορυφορικά συστήματα επικοινωνιών

Abstract

This dissertation aims at the characterization and modeling of mobile & fixed satellite communication systems, with high elevation angles, in urban propagation environments, in indoor and outdoor locations. Having in our possession data of a dual polarized MIMO channel, that were obtained from a measurement campaign aiming at terrestrial and mobile satellite links in an urban environment using an Airship, we are given the opportunity to follow various processing methods that lead to innovative theoretical and practical results. These form the basis for further development and design of the new generation of satellite and stratospheric networks. Initially, the separation of the received signal into large and small scale fading is carried out, and then the characterization of each of them seperately is examined. The 1st & 2nd order statistics are calculated and the measurement data are compared with known statistical distributions, while the best fit is being confirmed by the Kullback-Leibler divergence criterion. Furthermore, a brief study is conducted regarding the level crossing rate and the average fade duration but also the diversity performance according to the available measurement data of a classical 2x2 MIMO system. The characterization is applied to multiple scenarios, either with a fixed transmitter or receiver, different elevation angles, areas with or without line of sight, and for different polarizations. Emphasis is given to the channel modeling based on the general model of multiple scattering. Specifically, for the first time, this model is extended to incorporate 3rd order scattering and the theoretical expressions for the probability density & the cumulative distribution functions are derived. At the same time comparison of the theoretical expressions and the empirical data confirm excellent applicability of this model. Additionally, we consider fundamental metrics such as the Demmel condition number, the ellipticity, and the cross-polar discrimination & isolation that reveal the efficiency of the channel. Of course, calculations regarding the channel capacity are made per scenario, for different elevation angles, and different propagation environments. Thereinafter, emphasis is given on the channel correlation properties by calculating and comparing them with known stochastic models, such as the Kronecker and Weichselberger models, providing useful information about the channel's multiplexing potential. It is noteworthy that for the first time, the stationarity of the channel is characterized and the non-stationary regions are estimated through the correlation matrix distance, which proves the direct relation of these regions with the propagation scenarios that we encounter. Finally, a study is performed for the building entry loss utilizing the indoor scenarios from the Airship measurements. Αn analytic but nonetheless simple procedure for calculating signal penetration losses into a building is presented, according to Ikegami's empirical propagation loss model. Capacity results are included from the measured data based on the different floor levels, the distance from the window, but also from areas with obstructed or no line of sight. The results reveal that there is a strong dependence on the propagation geometry and the orientation of the receiver in relation to the moving transmitter.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή, σκοπεύει στον χαρακτηρισμό και στη μοντελοποίηση σε κινητά & σταθερά δορυφορικά συστήματα επικοινωνιών, με υψηλές γωνίες ανύψωσης, σε αστικά περιβάλλοντα διάδοσης, εντός και εκτός κτηρίου. Με βάση τα πρωτογενή μετρητικά δεδομένα ενός διπλά πολωμένου διαύλου MIMO, που προήλθαν από μετρήσεις επίγειων κινητών δορυφορικών ζεύξεων σε αστικό περιβάλλον με χρήση ενός Αερόπλοιου, αναπτύσσονται ποικίλες μέθοδοι επεξεργασίας που οδηγούν σε καινοτόμα θεωρητικά και πρακτικά αποτελέσματα, τα οποία δύναται να αποτελέσουν βάση για την περαιτέρω εξέλιξη και τον σχεδιασμό δορυφορικών και στρατοσφαιρικών δικτύων νέας γενιάς. Αρχικά εξετάζεται ο διαχωρισμός και κατόπιν ο χαρακτηρισμός των διαλείψεων μεγάλης και μικρής κλίμακας, αφού προηγηθεί ο υπολογισμός της χωρικά τοπικής μέσης λαμβανόμενης ισχύος. Υπολογίζονται τα στατιστικά στοιχεία 1ης & 2ης τάξης και γίνεται σύγκριση των μετρήσεων με διαφορετικές στατιστικές κατανομές, με την βέλτιστη προσαρμογή να επιβεβαιώνεται με το κριτήριο απόκλισης Kullback-Leibler. Επίσης, γίνεται μια συνοπτική μελέτη στο ρυθμό τμήσεως κατωφλίου και στη μέση διάρκεια διαλείψεων αλλά και στην επίδοση διαφορισμού σύμφωνα με τις διαθέσιμες μετρήσεις ενός κλασσικού 2x2 MIMO συστήματος. Ο χαρακτηρισμός πολλών μεγεθών γίνεται για πολλαπλά σενάρια, είτε με σταθερό πομπό ή δέκτη, για διαφορετικές γωνίες ανύψωσης, για περιοχές με ή χωρίς οπτική επαφή, και για διαφορετικές πολώσεις. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στην μοντελοποίηση του διαύλου με βάση το γενικό μοντέλο διάδοσης πολλαπλών σκεδάσεων. Συγκεκριμένα, γίνεται για πρώτη φορά επέκταση του μοντέλου για σκεδάσεις 3ης τάξης, με εξαγωγή των θεωρητικών εκφράσεων, για τις συναρτήσεις πυκνότητας πιθανότητας, τις αθροιστικές συναρτήσεις κατανομής, και ταυτόχρονα σύγκριση με τα εμπειρικά δεδομένα για επιβεβαίωση της στενής μεταξύ τους σχέσης. Επιπρόσθετα, εξετάζονται θεμελιώδεις μετρικές παράμετροι, όπως ο αριθμός κατάστασης Demmel, η ελλειπτικότητα, και η ορθοπολωσική διευκρίνηση και απομόνωση που φανερώνουν την αποδοτικότητα του διαύλου. Φυσικά, από τα αποτελέσματα δεν απουσιάζει και ο υπολογισμός της χωρητικότητας των διαύλων ανά σενάριο, γωνία ανύψωσης, και διαφορετικά περιβάλλοντα διάδοσης. Εν συνεχεία, ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στον υπολογισμό των ιδιοτήτων συσχέτισης του διαύλου και στην σύγκριση με γνωστά στοχαστικά μοντέλα, όπως το μοντέλο του Kronecker και του Weichselberger, παρέχοντας χρήσιμες πληροφορίες σχετικά με την δυνατότητα πολυπλεξίας του καναλιού. Ακόμα, για πρώτη φορά, χαρακτηρίζεται η στατικότητα του διαύλου και εκτιμάται η έκταση των περιοχών μη-στατικότητας μέσω της απόστασης των πινάκων συσχέτισης, που αποδεικνύουν την άμεση σχέση των περιοχών αυτών με τα σενάρια διάδοσης που συναντάμε. Τέλος, παρουσιάζεται η μελέτη διείσδυσης σήματος σε κτήριο αξιοποιώντας τις μετρήσεις εσωτερικού χώρου του σεναρίου Κτηρίου-Αερόπλοιου. Εδώ προτείνεται μια αναλυτική και απλή διαδικασία για τον υπολογισμό των απωλειών κατά την είσοδο του σήματος εντός του κτηρίου σύμφωνα με το εμπειρικό μοντέλο απωλειών διάδοσης του Ikegami. Επισυνάπτονται αποτελέσματα χωρητικότητας από τα επεξεργασμένα δεδομένα βάσει το διαφορετικό επίπεδο του ορόφου, την απόσταση από το παράθυρο αλλά και από περιοχές με παρεμποδισμένη ή και χωρίς καθόλου οπτική επαφή. Τα αποτελέσματα αποκαλύπτουν ότι υπάρχει μεγάλη εξάρτηση από τη γεωμετρία διάδοσης και τον προσανατολισμό του δέκτη σε σχέση με τον κινούμενο πομπό.