Optical satellite networks performance: channel modeling, mitigation techniques and optimization

Abstract

The scope of this Thesis is the study of satellite communication systems operating at optical frequencies and the development of accurate channel models required for the reliable design and evaluation of the performance of these systems. The growing developments in information and telecommunication technology have led to the everyday increasing usage of high speed internet and multimedia applications, revealing the demand for higher data rates and larger bandwidth. To satisfy these demands, the new designed high throughput satellite communication systems are shifting to higher frequency bands for both Near Earth and Deep Space satellite (for distances greater than Moon) communication systems. A promising solution is the utilization of optical frequencies for satellite communication systems. Free space optical (FSO) satellite communication systems exhibit a great variety of advantages compared to RF satellite systems like the higher data rates, the more spectral bandwidth, the less power consumption, mass and size and the improved security among others. However, when optical beam propagates through the earth’s atmosphere it is mainly affected, but not limited to, by atmospheric turbulence and clouds. Cloud coverage is the dominant prohibitive phenomenon for the operation of optical satellite communication systems. The induced attenuation due to clouds causes the blockage of the link with the presence of clouds. On the other hand, for cloud free line of sight (CFLOS) conditions (no clouds) atmospheric turbulence contains the key attenuation factor. For the mitigation of these phenomena several fade mitigation techniques have been proposed. This Thesis is mostly concentrated on the modeling of cloud coverage and atmospheric turbulence for optical satellite communication links and the mitigation of these phenomena. Firstly in the first Chapter a state of the art review of optical satellite communication systems is reported. Additionally, a variety of experimental measurement campaigns that have so far been conducted are briefly exhibited. In the second Chapter the propagation phenomena that affect the optical beam are presented and a review of the propagation models is exhibited. In addition, the proposed fade mitigation techniques for each propagation phenomenon are reported. The Chapters three four and five are devoted to the methodologies developed at the framework of this Thesis for modelling of cloud coverage and cloud attenuation. To begin with, it is described in this Thesis that cloud coverage can be modelled employing Integrated Liquid Water Content (ILWC) statistics while ILWC can be modeled according to lognormal distribution.In Chapter 3, a methodology for the generation of 2 and 3 Dimensions ILWC time series correlated both on temporal and on spatial domains is proposed. The proposed methodology employs multi-dimensional stochastic differential equations (SDEs) for the time series synthesis and incorporates the temporal and spatial behaviour of ILWC. Additionally, the 3D ILWC space time synthesizer incorporates the vertical extent of clouds. In Chapter 4, the 2D and 3D synthesizers proposed in Chapter 3 are employed for the estimation of cloud attenuation and cloud free line of sight (CFLOS) probability for single and joint slant paths. Clouds are classified based on the cloud vertical extent and using the microphysical properties of clouds and the well-known Mie scattering theory, a unified space-time model for the prediction of induced attenuation due to clouds for frequencies above Ka [26.5-40 GHz] band up to optical range is presented. To continue, assuming an on/off channel with cloud occurrence a methodology for the generation of CFLOS time series correlated on temporal and spatial domain for both single and joint slant paths is presented. Both synthesizers take into account the elevation angle and the altitude of the station (for high altitude stations) for the estimation of cloud attenuation and CFLOS respectively and are employed for both GEO satellite communication systems and non-GEO satellites i.e. with time dependent elevation angles as space segment. Finally the space time CFLOS generator is employed in order valuable statistics from the system point of view for an OGS network (OGSN), like the average number of OGS switches etc. are derived. In Chapter 5, a simple physical and mathematical theoretical model for the prediction of CFLOS probability along a single slant path and for separated on spatial domain multiple optical satellite links is presented. For the accurate evaluation of CFLOS the elevation angle of the slant path, the altitude of ground stations and the spatial variability of clouds are considered. In addition, CFLOS probability for simultaneously available optical links for the application of spatial multiplexing transmission techniques is estimated.The Chapter 6 of this Thesis is devoted on the development of novel optimization algorithms for the selection of OGSs forming an OGSN for mitigation of cloud coverage. These algorithms are aware of the clouds monthly variability and take advantage of the hemisphere differences. Additionally, in this chapter it is proved that ILWC monthly statistics can be sufficiently described by lognormal distribution. Moreover, the methodologies developed in Chapters 4 and 5 are transformed in order the monthly and hemisphere variations of ILWC are incorporated. Finally, an optimization algorithm for the identification of active stations per month in an OGSN is also proposed.The Chapter 7 is concentrated on modeling of turbulence effects under CFLOS conditions for optical satellite communications. In this chapter a methodology for the estimation of aperture averaging factor for a central obscured aperture is presented. Additionally, a unified methodology for the generation of received irradiance/power time series for an optical uplink GEO satellite feeder link is presented. The proposed methodology takes into account the turbulence and miss-pointing effects among others, while it benefits of the use of Stochastic Differential Equations (SDEs) for the incorporation of the scintillation effects. For the validation of the methodologies proposed in this chapter measurements from the ARTEMIS bi-directional optical satellite link campaign are used. The Chapter 8 of this Thesis is devoted to the design of a deep space optical link. In this chapter a tool for the estimation of the link budget for deep space missions based on the CCSDS (Consultative Committee for Space Data Systems) standards is presented. The main elements that are taken into account in the deep space link budget tool are exhibited. Additionally, a practical methodology, for the selection of the main signalling parameters (modulation order, code rate, slot width) without resorting to lengthy coded Bit Error Rate (BER) evaluations is presented. Finally, employing the proposed tool a sensitivity analysis of various hypothetical deep space missions is presented. In the last Chapter of this Thesis some general and interesting conclusions are drawn and presented and finally some ideas for future work based on the models and the results of this Thesis are presented.

Η παρούσα Διατριβή επικεντρώνεται στη μελέτη των δορυφορικών συστημάτων επικοινωνιών που λειτουργούν στο φάσμα των οπτικών συχνοτήτων. Πιο συγκεκριμένα, ασχολείται με την μοντελοποίηση του οπτικού διαύλου η οποία απαιτείται για τον αξιόπιστο σχεδιασμό και την αξιολόγηση της απόδοσης των συστημάτων αυτών. Η συνεχής ανάπτυξη στις τεχνολογίες πληροφοριών και τηλεπικοινωνιών έχουν οδηγήσει στην καθημερινά αυξανόμενη χρήση των εφαρμογών διαδικτύου υψηλής ταχύτητας και πολυμέσων, φέρνοντας στην επιφάνεια τη μεγάλη ανάγκη για υψηλότερους ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων και μεγαλύτερο εύρος ζώνης. Για την ικανοποίηση των απαιτήσεων αυτών, κρίνεται αναγκαία η μετατόπιση των νέων συστημάτων δορυφορικών επικοινωνιών υψηλής απόδοσης σε υψηλότερες ζώνες συχνοτήτων, τόσο για συστήματα δορυφορικών επικοινωνιών κοντά στη Γη (Near Earth), όσο και για συστήματα δορυφορικών επικοινωνιών βαθέος διαστήματος (Deep Space). Μια πολλά υποσχόμενη λύση είναι η χρησιμοποίηση των οπτικών ασύρματων επικοινωνιών ελευθέρου χώρου (Free Space Optics, FSO) για δορυφορικά συστήματα επικοινωνίας. Τα οπτικά δορυφορικά συστήματα επικοινωνιών ελεύθερου χώρου λειτουργούν στο φάσμα των οπτικών συχνοτήτων και παρουσιάζουν μεγάλη ποικιλία πλεονεκτημάτων έναντι των δορυφορικών συστημάτων που λειτουργούν στην ζώνη ραδιοσυχνοτήτων (Radio Frequency, RF), όπως οι υψηλότεροι ρυθμοί μετάδοσης, το μεγαλύτερο διαθέσιμο φασματικό εύρος ζώνης, η λιγότερη κατανάλωση ενέργειας, η μικρότερη μάζα, ο μικρότερος όγκος και η βελτίωση στον τομέα της ασφάλειας. Ωστόσο, όταν το οπτικό σήμα διαδίδεται μέσω της ατμόσφαιρας της γης, επηρεάζεται κυρίως αλλά όχι μόνο, από τις ατμοσφαιρικές αναταράξεις και τα σύννεφα. Η νεφοκάλυψη αποτελεί το πλέον περιοριστικό φαινόμενο για τη λειτουργία των συστημάτων οπτικών δορυφορικών επικοινωνιών, καθώς η εξασθένηση που υφίσταται το οπτικό σήμα με την παρουσία των νεφών είναι τόσο μεγάλη, που προκαλείται η διακοπή της ζεύξης. Επιπρόσθετα, σε συνθήκες διάδοσης χωρίς νέφη, τόσο η προς τα πάνω, όσο και η προς τα κάτω οπτική ζεύξη επηρεάζονται από το φαινόμενο των ατμοσφαιρικών στροβιλισμών. Για τον περιορισμό των φαινομένων αυτών έχουν προταθεί διάφορες τεχνικές αντιστάθμισης. Ως εκ τούτου, η παρούσα Διατριβή επικεντρώνεται κυρίως στην μοντελοποίηση των νεφών και των ατμοσφαιρικών στροβιλισμών για οπτικές δορυφορικές ζεύξεις και στους τρόπους αντιμετώπισης των φαινομένων αυτών. Αρχικά, στο πρώτο Κεφάλαιο της παρούσας Διατριβής, παρουσιάζεται μια επισκόπηση των οπτικών δορυφορικών συστημάτων επικοινωνιών και γίνεται αναφορά, με τη χρήση σύγχρονων παραδειγμάτων στην ανάγκη για υψηλότερους ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων και μεγαλύτερο φασματικό εύρος ζώνης. Παράλληλα, παρατίθενται διάφορες πειραματικές μελέτες που έχουν διεξαχθεί ως τώρα σχετικά με τα οπτικά δορυφορικά δίκτυα επικοινωνιών. Στο Κεφάλαιο 2, παρουσιάζονται τα φαινόμενα διάδοσης, τα οποία επηρεάζουν το οπτικό δορυφορικό σήμα, και δίνονται τα κυριότερα μοντέλα διάδοσης που έχουν προταθεί ως τώρα στη βιβλιογραφία. Τέλος, για κάθε φαινόμενο παρουσιάζονται οι τεχνικές άμβλυνσης διαλείψεων που έχουν προταθεί. Τα Κεφάλαια 3, 4 και 5 εστιάζουν στις μεθοδολογίες που αναπτύχθηκαν στο πλαίσιο της παρούσας έρευνας σχετικά με τη μοντελοποίηση της νεφοκάλυψης και της εξασθένησης του σήματος εξαιτίας των νεφών. Όπως παρουσιάζεται στην παρούσα διατριβή, τα νέφη μπορούν να μοντελοποιηθούν χρησιμοποιώντας στατιστικά στοιχεία του Κάθετου Ολοκληρώματος της Περιεκτικότητας σε Υγρό Νερό των νεφών (Integrated Liquid Water Content, ILWC). Στο Κεφάλαιο 3, παρουσιάζεται η μεθοδολογία που αναπτύχθηκε για την παραγωγή χρονοσειρών δισδιάστατων και τρισδιάστατων πεδίων του Κάθετου Ολοκληρώματος της Περιεκτικότητας σε Υγρό Νερό (ILWC) των νεφών. Η μεθοδολογία αυτή λαμβάνει υπόψη τόσο την χρονική όσο και χωρική συσχέτιση του ILWC. Για τη δημιουργία των χρονοσειρών η προτεινόμενη μεθοδολογία επωφελείται από τη χρήση πολυδιάστατων στοχαστικών διαφορικών εξισώσεων. Τέλος, στο χωροχρονικό μοντέλο 3 διαστάσεων που προτείνεται η κάθετη έκταση των νεφών λαμβάνεται υπόψη. Στο Κεφάλαιο 4, τα χωροχρονικά μοντέλα δύο και τριών διαστάσεων, που προτάθηκαν στο Κεφάλαιο 3, χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό και την πρόβλεψη της εξασθένησης του σήματος λόγω νεφών και της πιθανότητας για οπτική ζεύξη χωρίς νέφη (Cloud Free Line of Sight, CFLOS), τόσο για μεμονωμένες όσο και για πολλαπλές ζεύξεις (διαφορισμός θέσης, από κοινού στατιστικά χαρακτηριστικά). Αρχικά, τα σύννεφα κατηγοριοποιούνται με βάση την κάθετη έκταση τους και λαμβάνοντας υπόψη τις μικροφυσικές ιδιότητες των νεφών και τη γνωστή θεωρία σκέδασης Mie, προτείνεται ένα καθολικό χωροχρονικό μοντέλο για τον υπολογισμό και πρόβλεψη της εξασθένησης του σήματος λόγω νεφών για συχνότητες μεγαλύτερες της Ka μπάντας [26,5 - 40GHz] με εφαρμογή έως και τις οπτικές συχνότητες. Η προτεινόμενη μεθοδολογία συγκρίνεται με δεδομένα που λαμβάνονται από τη βιβλιογραφία, παρουσιάζοντας πολύ ενθαρρυντικά αποτελέσματα. Συνεχίζοντας, υποθέτοντας ένα ανοιχτό/κλειστό (on/off) οπτικό κανάλι, με την παρουσία των νεφών, δηλαδή αν υπάρχει σύννεφο, η ζεύξη διακόπτεται, παρουσιάζεται μια νέα μεθοδολογία για τη σύνθεση χρονικά και χωρικά συσχετισμένων CFLOS χρονοσειρών, τόσο για μεμονωμένες, όσο και για πολλαπλές ζεύξεις. Και οι δύο προτεινόμενες μεθοδολογίες λαμβάνουν υπόψη τόσο τη γωνία ανύψωσης της ζεύξης όσο και υψόμετρο των σταθμών βάσης (για σταθμούς βάσης σε μεγάλο υψόμετρο) και εφαρμόζονται τόσο σε συστήματα με γεωστατικούς δορυφόρους όσο και σε συστήματα με μη-γεωστατικούς δορυφόρους, όπου η γωνία ανύψωσης της ζεύξης είναι χρονικά μεταβαλλόμενη. Τέλος, η προτεινόμενη χωροχρονική μεθοδολογία σύνθεσης συσχετισμένων CFLOS χρονοσειρών χρησιμοποιείται για την εξαγωγή χρήσιμων συστημικών στατιστικών χαρακτηριστικών για ένα δίκτυο οπτικών σταθμών βάσεως, όπως ο αριθμός των εναλλαγών (switches) μεταξύ των οπτικών σταθμών βάσεως. Στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζεται ένα μαθηματικό μοντέλο για τον θεωρητικό υπολογισμό και την πρόβλεψη της πιθανότητας CFLOS, τόσο για μεμονωμένη οπτική δορυφορική ζεύξη όσο και για πολλαπλές χωρικά συσχετισμένες οπτικές δορυφορικές ζεύξεις. Για τον αξιόπιστο υπολογισμό της CFLOS πιθανότητας, η γωνία ανύψωσης της ζεύξης και το υψόμετρο του σταθμού βάσης λαμβάνονται υπόψη. Επιπλέον, υπολογίζεται η CFLOS από κοινού πιθανότητα για ταυτόχρονα διαθέσιμες οπτικές ζεύξεις για την εφαρμογή τεχνικών μετάδοσης χωρικής πολυπλεξίαςΤο Κεφάλαιο 6 της παρούσας Διατριβής επικεντρώνεται στην ανάπτυξη αλγορίθμων βελτιστοποίησης για την επιλογή των οπτικών σταθμών βάσης, που σχηματίζουν ένα συνδεδεμένο δίκτυο για την αντιμετώπιση της νεφοκάλυψης. Αρχικά, σε αυτό το κεφάλαιο αποδεικνύεται ότι τα μηνιαία στατιστικά χαρακτηριστικά του ILWC μπορούν να περιγραφούν επαρκώς με τη λογαριθμική κατανομή. Στη συνέχεια, οι μεθοδολογίες που αναπτύχθηκαν στα Κεφάλαια 4 και 5 μετασχηματίζονται με βάση τα μηνιαία στατιστικά χαρακτηριστικά του ILWC και ως εκ τούτου η μηνιαία διακύμανση της νεφοκάλυψης και οι μηνιαίες διαφορές μεταξύ του βόρειου και του νότιου ημισφαιρίου λαμβάνονται υπόψη. Οι αλγόριθμοι βελτιστοποίησης που προτείνονται λαμβάνουν υπόψη τη μηνιαία διακύμανση της νεφοκάλυψης και εκμεταλλεύονται τις μηνιαίες διαφορές μεταξύ βόρειου και νότιου ημισφαιρίου. Τέλος, προτείνεται ένας αλγόριθμος βελτιστοποίησης για τον υπολογισμό του αναγκαίου αριθμού των ενεργών σταθμών ανά μήνα σε ένα δίκτυο οπτικών σταθμών βάσης.Το Κεφάλαιο 7 της παρούσας Διατριβής επικεντρώνεται στην ανάπτυξη νέων μοντέλων καναλιού για τη διάδοση του οπτικού σήματος κάτω από συνθήκες διάδοσης χωρίς νέφη, λαμβάνοντας υπόψη το φαινόμενο των ατμοσφαιρικών στροβιλισμών. Για τη μελέτη αυτή γίνεται ανάλυση μετρήσεων από το οπτικό δορυφορικό πείραμα ARTEMIS. Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζεται μια μεθοδολογία για τον υπολογισμό του παράγοντα μέσης λήψης σήματος (aperture averaging factor) για οπτικούς δέκτες με κεντρική σκίαση για κατερχόμενη ζεύξη. Επιπρόσθετα, προτείνεται μια μεθοδολογία για τη δημιουργία χρονοσειρών λαμβανόμενης ακτινοβολίας/ισχύος για ανερχόμενες οπτικές ζεύξεις γεωστατικών δορυφορικών συστημάτων. Η προτεινόμενη μεθοδολογία λαμβάνει υπόψη τις επιπτώσεις που δημιουργούν στη διάδοση του σήματος οι ατμοσφαιρικοί στροβιλισμοί και τα σφάλματα στόχευσης. Επιπλέον, η παρούσα μεθοδολογία επωφελείται από τη χρήση στοχαστικών διαφορικών εξισώσεων για την παραγωγή χρονοσειρών σπινθηρισμού του πλάτους του σήματος. Τα αποτελέσματα των προτεινόμενων μεθοδολογιών συγκρίνονται με πραγματικά δεδομένα από το οπτικό δορυφορικό πείραμα ARTEMIS, παρουσιάζοντας πολύ ενθαρρυντικά αποτελέσματα. Το Κεφάλαιο 8 της παρούσας Διατριβής επικεντρώνεται στο σχεδιασμό οπτικών ζεύξεων βαθέος διαστήματος. Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζεται μια μεθοδολογία για τον υπολογισμό του προϋπολογισμού ισχύος οπτικής ζεύξης, για ζεύξεις βαθέος διαστήματος. Επιπλέον, προτείνεται μια νέα μέθοδος για την επιλογή των παραμέτρων σηματοδότησης (ρυθμός κωδικοποίησης, διάρκεια συμβόλου κ.ά.) της οπτικής ζεύξης. Χρησιμοποιώντας τις προτεινόμενες μεθοδολογίες εξετάζεται η απόδοση των οπτικών ζεύξεων βαθέος διαστήματος.Τέλος, στο Κεφάλαιο 9, παρουσιάζονται συμπεράσματα και προτάσεις για μελλοντική έρευνα.