Μοντελοποίηση ραδιοδιαύλου πολλαπλών-εισόδων πολλαπλών-εξόδων για ασύρματα ευρυζωνικά συστήματα στρατοσφαιρικών επικοινωνιών

Abstract

High altitude platforms (HAPs) are one of the most promising alternative infrastructures for realizing next generation high data-rate wireless communications networks. Considering the continuous demand for enhanced spectral efficiency, increased channel capacity, and improved link reliability, multiple-input multiple-output (MIMO) technology is the leading candidate for future communications systems. The development of MIMO-based communications networks depends on a proper characterization and modeling of the propagation channel. To enable the successful design and performance evaluation of broadband wireless HAP-MIMO systems, this doctoral thesis focuses on modeling of HAP-MIMO channels. Novel three-dimensional (3-D) geometry-based reference models for Ricean fading channels are proposed that encompass narrowband and wideband HAP-MIMO channel scenarios with line-of-sight (LoS) and non-line-of-sight (NLoS) connections at L and S frequency bands licensed for mobile communications through HAPs. From these models, the statistical properties and the capacity performance are analytically and thoroughly studied in terms of various parameters, such as the elevation angle of the platform, the antenna array configuration, the Doppler and delay spread, and the 3-D non-isotropic distribution of the local scatterers. Using the theoretical expressions one can easily evaluate numerically the HAP antenna inter-element spacing required to achieve uncorrelated responses in the HAP-MIMO channel matrix. [...]

Οι στρατοσφαιρικές πλατφόρμες (high altitude platforms - HAPs) αποτελούν μία από τις πολλά υποσχόμενες εναλλακτικές τεχνολογίες για τη δημιουργία ασύρματων δικτύων υψηλών ταχυτήτων νέας γενιάς. Οι επιτακτικές ανάγκες για αποδοτικότερη εκμετάλλευση του φάσματος συχνοτήτων, για αύξηση του ρυθμού μετάδοσης πληροφορίας και χωρητικότητας του διαύλου, καθώς και για βελτίωση της αξιοπιστίας της ασύρματης ζεύξης έχουν οδηγήσει στην ραγδαία ανάπτυξη της αρχιτεκτονικής πολλαπλών-εισόδων πολλαπλών-εξόδων (multiple-input multiple-output - MIMO). Η αρχιτεκτονική αυτή έχει χαρακτηριστεί ως η βασική τεχνολογία φυσικού στρώματος για τα μελλοντικά ευρυζωνικά συστήματα επικοινωνιών. Εντούτοις, η επιτυχής εφαρμογή πολλαπλών κεραιών και στα δύο άκρα της ασύρματης ζεύξης προϋποθέτει κατάλληλο χαρακτηρισμό και μοντελοποίηση του διαύλου επικοινωνίας. Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται την ανάπτυξη και αξιολόγηση μοντέλων διαύλου τεχνολογίας ΜΙΜΟ για ευρυζωνικά ασύρματα συστήματα επικοινωνιών βασισμένα σε HAPs. Συγκεκριμένα, αναπτύσσονται καινοτόμα θεωρητικά γεωμετρικά μοντέλα τριών-διαστάσεων για διαύλους Ricean HAP-MIMO στενής και ευρείας ζώνης στις εκχωρημένες για κινητές επικοινωνίες μέσω HAPs ζώνες συχνοτήτων L και S. Με χρήση των προτεινόμενων μοντέλων χαρακτηρίζεται λεπτομερώς η πολυδιαδρομική διάδοση και μελετώνται διεξοδικά οι στατιστικές ιδιότητες και η απόδοση της χωρητικότητας του διαύλου, λαμβάνοντας υπόψη διάφορες παραμέτρους, όπως η γωνία ανύψωσης της πλατφόρμας, η διάταξη των στοιχειοκεραιών, η διασπορά Doppler, η διασπορά καθυστέρησης και η τριών-διαστάσεων μη-ισοτροπική κατανομή των τοπικών σκεδαστών που περιβάλλουν τον επίγειο σταθμό. Επιπρόσθετα, τα προτεινόμενα μοντέλα επιτρέπουν την εκτίμηση της απαιτούμενης απόστασης των στοιχείων της κεραίας των HAPs, ώστε να εξασφαλίζονται ασυσχέτιστες αποκρίσεις στον πίνακα ΜΙΜΟ του διαύλου.[...]