Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, IIΙ, τεύχ. 1-2 2002, Tech. Chron. Sci. J. TCG, III, No 1-2 35 Διαφορική Λήψη σε Συστήματα Δορυφορικών Επικοινωνιών Π. Μ. ΑΡΑΠΟΓΛΟΥ Α. Δ. ΠΑΝΑΓΟΠΟΥΛΟΣ Π. Γ. ΚΩΤΤΗΣ Διπλ. Ηλεκτρολόγος Μηχ/κός Ε.Μ.Π. Δρ Ηλεκτρολόγος Μηχ/κός Ε.Μ.Π. Καθηγητής Ε.Μ.Π. Περίληψη Στην παρούσα εργασία αναλύονται οι τεχνικές διαφορικής λήψης θέσης και διαφορικής λήψης τροχιάς. Οι τεχνικές αυτές αποτελούν την πλέον αξιόπιστη λύση για την αντιμετώπιση των δυσμενών επιπτώσεων που οφείλονται στη διάδοση των ραδιοκυμάτων μέσω της ατμόσφαιρας. Σε ζώνες συχνοτήτων άνω των 10GHz, σημαντικότερη από τις δυσμενείς επιπτώσεις αυτές είναι η εξασθένηση λόγω βροχής που αντιμετωπίζουν δορυφορικά συστήματα τα οποία λειτουργούν σε κλιματικά επιβαρημένες περιοχές της γης. Εκτός από την αναλυτική περιγραφή της διαφορικής λήψης θέσης και τροχιάς, παρουσιάζεται η σχετική βιβλιογραφία και τα μοντέλα πρόβλεψης της επίδοσης των τεχνικών αυτών και σκιαγραφούνται οι μελλοντικές προοπτικές τους. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τα τελευταία έτη, οι τηλεπικοινωνιακές εφαρμογές έχουν αναβαθμισθεί ποσοτικά και ποιοτικά λόγω της ταχείας διάδοσης της χρήσης του Διαδικτύου και της τεχνολογικής προόδου που έχει συντελεσθεί σε συναφείς με τις τηλεπικοινωνίες τομείς της επιστήμης. Λόγω της εξέλιξης αυτής, το φάσμα συχνοτήτων που απαιτείται είναι ιδιαιτέρως αυξημένο. Οι δορυφορικές επικοινωνίες, προκειμένου να ανταποκριθούν στις αυξημένες απαιτήσεις μεταπήδησαν σταδιακά σε ζώνες συχνοτήτων υψηλότερες των 10GHz, όπως είναι η ζώνη Ku (12/14GHz) και η ζώνη Ka (20/30GHz), ενώ μελετάται και η επέκταση στη ζώνη V (40/50GHz). Στην περιοχή αυτή του φάσματος, εκτός από τη σημαντική αύξηση του διαθέσιμου εύρους ζώνης συχνοτήτων οι κεραίες εμφανίζουν αυξημένο κέρδος, ενώ αποφεύγονται και οι παρεμβολές με επίγεια ασύρματα δίκτυα που λειτουργούν, συνήθως, σε συχνότητες φέροντος κάτω των 10GHz. Ωστόσο, οι συνθήκες διάδοσης ραδιοκυμάτων σε συχνότητες άνω των 10GHz είναι δυσμενείς, αφού μία σειρά από φυσικά φαινόμενα που συμβαίνουν στην ατμόσφαιρα συμβάλλει στην υποβάθμιση της δορυφορικής ζεύξης. Έτσι, οι δορυφορικές ζεύξεις που λειτουργούν σε συχνότητες άνω των 10GHz υποφέρουν από διαλείψεις (fading) ή αποσβέσεις (attenuation) λόγω ατμοσφαιρικών κατακρημνίσεων (βροχή, χιόνι, χαλάζι, παγοκρύσταλλοι), απορρόφηση από αέρια όπως το οξυγόνο και οι υδρατμοί (gaseous absorption), σπινθηρισμούς (scintillations) που συντελούνται τόσο στο στρώμα της τροπόσφαιρας όσο και στο στρώμα της ιονόσφαιρας και αποπόλωση (depolarization) [1], [2], [3]. Από τις ανωτέρω δυσμενείς επιπτώσεις σημαντικότερη είναι η επίπτωση που έχουν οι διαλείψεις λόγω βροχής, λόγων των οποίων ένα σημαντικό ποσοστό της εκπεμπόμενης ισχύος χάνεται κατά τη μετάδοση του ηλεκτρομαγνητικού κύματος από το δορυφόρο στους επίγειους τερματικούς σταθμούς και αντιστρόφως. Στα ψηφιακά δορυφορικά συστήματα, οι διαλείψεις λόγω βροχής επιβαρύνουν τη λειτουργία του δέκτη δυσχεραίνουν την ορθή αναγνώριση του μεταδοθέντος δυαδικού ψηφίου (bit) και, συνεπώς, αυξάνουν το ρυθμό λανθασμένων ψηφίων (Bit Error Rate, BER) στην έξοδο του δέκτη. Υπό συνθήκες έντονης βροχόπτωσης, η σημαντική εισαγόμενη απόσβεση μειώνει σε τέτοιο βαθμό τον απαραίτητο για τη λειτουργία του δέκτη σηματοθορυβικό λόγο, ώστε το δορυφορικό σύστημα να τίθεται εκτός λειτουργίας (outage). Το γεγονός αυτό μειώνει τη συμπληρωματική ως προς τη διακοπή της λειτουργίας του συστήματος διαθεσιμότητα (availability), δηλαδή το χρονικό ποσοστό στη διάρκεια ενός έτους κατά το οποίο το σύστημα είναι ικανό να προσφέρει υπηρεσίες στους χρήστες του. Στα ψηφιακά δορυφορικά συστήματα η διαθεσιμότητα ορίζεται ως η πιθανότητα του ενδεχομένου ο ρυθμός BER να είναι χαμηλότερος κάποιου κατωφλίου. Όταν ο ρυθμός BER είναι μεγαλύτερος του κατωφλίου αυτού, ο δέκτης αδυνατεί να αναπαραγάγει το σήμα πληροφορίας έχοντας απωλέσει το συγχρονισμό του [4]. Σε άλλες περιπτώσεις, όταν οι βροχοπτώσεις είναι ηπιότερες, οι αποσβέσεις/διαλείψεις λόγω βροχής πλήττουν μόνο την ποιότητα υπηρεσιών του δορυφορικού συστήματος και όχι τη διαθεσιμότητά του. Ως μέτρο ποιότητας θεωρείται η επίδοση (performance), που αντιστοιχεί στην πιθανότητα του ενδεχομένου ο ρυθμός BER να είναι μικρότερος από μία δεδομένη στάθμη.
36 Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, IIΙ, τεύχ. 1-2 2002, Tech. Chron. Sci. J. TCG, III, No 1-2 2. ΑΝΤΙΜΕΤΡΑ ΚΑΤΑ ΤΩΝ ΔΙΑΛΕΙΨΕΩΝ ΛΟΓΩ ΒΡΟΧΗΣ Με βάση τεχνικά και οικονομικά κριτήρια, η Διεθνής Ένωση Τηλεπικοινωνιών (International Telecommunications Union-Radiocommunications Sector, ITU-R) έχει θεσπίσει συγκεκριμένες συστάσεις όσον αφορά την επίδοση που πρέπει να διασφαλίζουν τα συστήματα δορυφορικών επικοινωνιών για διάφορες τιμές του ρυθμού μετάδοσης δεδομένων. Το γεγονός αυτό έχει οδηγήσει στην ανάπτυξη διάφορων τεχνικών προκειμένου να αντιμετωπισθούν οι δυσμενείς συνέπειες των διαλείψεων λόγω βροχής και να ικανοποιούνται οι προδιαγραφές διαθεσιμότητας και επίδοσης. Τα αντίμετρα κατά των διαλείψεων λόγω βροχής (Rain Fade Countermeasures) διακρίνονται σε τρεις κατηγορίες: Έλεγχος της ισχύος (Power Control) Kωδικοποίηση για διόρθωση σφαλμάτων (Forward Error Correction) Σχήματα διαφορικής προστασίας (Diversity Protection Configurations) Η τεχνική ελέγχου της ισχύος συνίσταται στην αύξηση της εκπεμπόμενης ισχύος είτε από τους επίγειους σταθμούς (έλεγχος ισχύος της προς τα άνω ζεύξης) είτε από τους δορυφόρους (έλεγχος ισχύος της προς τα κάτω ζεύξης), ώστε να αντισταθμισθούν οι απώλειες που εισάγουν οι διαλείψεις λόγω βροχής [5], [6]. Οι περιορισμοί στο μέγεθος του δορυφόρου έχουν οδηγήσει στην επικράτηση του ελέγχου της ισχύος της προς τα άνω ζεύξης, σύμφωνα με τον οποίο η ισχύς εξόδου του επίγειου σταθμού μεταβάλλεται με δυναμικό τρόπο, ώστε να αντισταθμίζει τη στιγμιαία μεταβολή της απόσβεσης και η πυκνότητα ισχύος που φθάνει στο δορυφόρο να μην πέφτει κάτω από κάποιο επίπεδο [7]. Η λειτουργία αυτή προϋποθέτει την εκτίμηση της απόσβεσης της προς τα άνω ζεύξης από μετρήσεις της απόσβεσης της προς τα κάτω ζεύξης με κατάλληλη αναγωγή συχνότητας. Μέχρι σήμερα, οι διάθεσιμες μέθοδοι για την εκτίμηση της απόσβεσης μέσω αναγωγής συχνότητας σε πραγματικό χρόνο δεν είναι ιδιαίτερα αποδοτικές [8]. Η τεχνική της κωδικοποίησης για διόρθωση σφαλμάτων αφορά την εισαγωγή πλεοναζόντων ψηφίων στη μεταδιδόμενη ακολουθία ψηφίων πληροφορίας με σκοπό την ανίχνευση και διόρθωση σφαλμάτων ανταλλάσσοντας εύρος ζώνης με σηματοθορυβική βελτίωση. Στις δορυφορικές επικοινωνίες η κωδικοποίηση εφαρμόζεται με τέτοιο τρόπο, ώστε η ανίχνευση και η διόρθωση σφαλμάτων να γίνεται στο δέκτη χωρίς αυτός να προσφεύγει σε κάποιας μορφής ανάδραση από τον πομπό [9]. Αυτού του τύπου η κωδικοποίηση ονομάζεται FEC (Forward Error Correction) και η χρήση της επιτρέπει την ικανοποιητική λειτουργία του δέκτη υπό χαμηλότερους σηματοθορυβικούς λόγους. Παράλληλα, όμως, τα πλεονάζοντα ψηφία που εισάγονται στο σήμα δημιουργούν μεγαλύτερες απαιτήσεις σε εύρος ζώνης συχνοτήτων. Από την άλλη πλευρά, η τεχνική της κωδικοποίησης δεν αποτελεί πάντα το κατάλληλο εργαλείο για την αντιμετώπιση των δυσμενών επιπτώσεων λόγω της διάδοσης ραδιοκυμάτων σε συχνότητες άνω των 10GHz. Συγκεκριμένα, η τεχνική αυτή ανταποκρίνεται επιτυχώς στην αντιμετώπιση μεμονωμένων και χρονικά αραιών σφαλμάτων, όπως είναι τα σφάλματα που οφείλονται στο θερμικό θόρυβο. Όμως, τα σφάλματα που οφείλονται σε έντονες βροχοπτώσεις είναι παροξυσμικού χαρακτήρα (καταιγισμός σφαλμάτων) και όταν υπερβούν ένα ορισμένο πλήθος, η δορυφορική ζεύξη παύει να λειτουργεί. 3. ΣΧΗΜΑΤΑ ΔΙΑΦΟΡΙΚΗΣ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ Τα μειονεκτήματα που συνοδεύουν τη χρήση των τεχνικών του ελέγχου της ισχύος και της κωδικοποίησης καθώς και η καλύτερη κατανόηση των μηχανισμών που επηρεάζουν το ραδιοκύμα κατά τη διάδοσή του μέσω της ατμόσφαιρας οδήγησαν στην ανάπτυξη των σχημάτων διαφορικής προστασίας. Όπως και τα υπόλοιπα αντίμετρα κατά των διαλείψεων λόγω βροχής, η διαφορική προστασία έχει ως στόχο τη διατήρηση της διαθεσιμότητας της δορυφορικής ζεύξης εντός των προδιαγραφών και τη λειτουργία του δορυφορικού συστήματος υπό χαμηλό περιθώριο διαλείψεων (fade margin). Το περιθώριο διαλείψεων είναι σε db η διαφορά μεταξύ της τιμής της απόσβεσης η οποία οδηγεί το σύστημα σε διακοπή λειτουργίας και της τιμής της απόσβεσης υπό συνθήκες καθαρού ουρανού. Η τιμή της απόσβεσης υπό συνθήκες καθαρού ουρανού προκύπτει από το άθροισμα όλων των αποσβέσεων της δορυφορικής ζεύξης εκτός από την απόσβεση λόγω βροχής, και για δεδομένη δορυφορική ζεύξη είναι μία σταθερή ποσότητα. Αντίθετα, η απόσβεση που οφείλεται στη βροχή παρουσιάζει μία τυχαία συμπεριφορά κατά τη διάρκεια ενός έτους. Κατά τη σχεδίαση δορυφορικών ζεύξεων το κέρδος του συστήματος (system gain) επιλέγεται τόσο ώστε το περιθώριο διαλείψεων που προκύπτει να αντιμετωπίζει τις διαλείψεις λόγω βροχής και να διασφαλίζει την απαιτούμενη ποιότητα υπηρεσίας (Quality of Service). Τα σχήματα διαφορικής προστασίας διακρίνονται σε δύο κατηγορίες: Διαφορική λήψη θέσης (Site Diversity) Διαφορική λήψη δορυφορικής τροχιάς (Orbital Diversity) Τα ανωτέρω σχήματα διαφορικής λήψης στηρίζονται στην ταυτόχρονη λήψη του σήματος της προς τα κάτω ζεύξης μέσω δύο (διπλή διαφορική λήψη), ή σε περιοχές με έντονες βροχοπτώσεις, μέσω τριών (τριπλή διαφορική λήψη) διαφορετικών οδεύσεων του ηλεκτρομαγνητικού κύματος. Όταν οι πολλαπλές οδεύσεις του ίδιου σήματος έχουν ως κατάληξη περισσότερους του ενός επίγειους σταθμούς,
Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, IIΙ, τεύχ. 1-2 2002, Tech. Chron. Sci. J. TCG, III, No 1-2 37 η τεχνική ονομάζεται διαφορική λήψη θέσης, ενώ όταν οι πολλαπλές οδεύσεις του ίδιου σήματος έχουν ως αφετηρία περισσότερους του ενός δορυφόρους η τεχνική ονομάζεται διαφορική λήψη δορυφορικής τροχιάς. Τα συστήματα που χρησιμοποιούν διαφορική λήψη τίθενται εκτός λειτουργίας σπανιότερα από ένα σύστημα απλής λήψης, δηλαδή από ένα σύστημα το οποίο δεν διαθέτει επιπλέον εξοπλισμό για την αντιμετώπιση των δυσμενών επιπτώσεων της βροχής. Η βελτίωση στη διαθεσιμότητα και την επίδοση μέσω διαφορικής λήψης οφείλεται στο γεγονός ότι οι πυρήνες καταιγιστικής βροχής (βροχοπυρήνες), στο εσωτερικό των οποίων εμφανίζονται οι χειρότερες περιπτώσεις διαλείψεων, είναι χωρικά περιορισμένοι. Συγκεκριμένα, ανάλογα με την εποχή του έτους και τη γεωγραφική τοποθεσία, η βροχή μπορεί να είναι είτε στρωσιγενούς τύπου (stratiform rain) είτε συνεκτικού τύπου (convective rain) [10]. Στην πρώτη περίπτωση, η βροχόπτωση είναι μέτριας έως χαμηλής έντασης και εμφανίζει μεγάλη χωρική ομοιογένεια. Αντίθετα στη δεύτερη περίπτωση, υπάρχουν βροχοπτώσεις δηλαδή περιοχές διαμέτρου μερικών χιλιομέτρων όπου επικρατεί ισχυρή βροχόπτωση με μεγάλη χωρική ανομοιογένεια. Οι βροχπυρήνες περιβάλλονται από περιοχές στρωσιγενούς βροχής. Η ανομοιογένεια της βροχόπτωσης στο εσωτερικό των βροχοπυρήνων έχει ως συνέπεια η βροχόπτωση και, επομένως, η απόσβεση των σημάτων που ακολουθούν διαφορετικές οδούς διάδοσης να μην εμφανίζει ισχυρή συσχέτιση. Οι τεχνικές διαφορικής λήψης εκμεταλλεύονται το γεγονός της αποσυσχέτισης της απόσβεσης, με αποτέλεσμα κάθε χρονική στιγμή η απόσβεση να μην είναι ισχυρή και στις δύο ή τρεις εναλλακτικές ζεύξεις. Η αποτελεσματικότητα ενός σχήματος διαφορικής λήψης προκύπτει από τη σύγκριση της πιθανότητας υπέρβασης P S μιας στάθμης απόσβεσης κατά την απλή λήψη του σήματος με την πιθανότητα ταυτόχρονης υπέρβασης P J μιας στάθμης απόσβεσης κατά τη διαφορική λήψη του σήματος [11]. Ο ορισμός των δύο αυτών πιθανοτήτων στη διπλή διαφορική λήψη, που αποτελεί και τη συνηθέστερη περίπτωση, δίδεται στις (3.1) και (3.2), αντίστοιχα P P S P A x, 1, 2 Si S i (3.1) J P AS1 xd, AS 2 xd (3.2) όπου Α Si η απόσβεση απλής λήψης του σήματος σε db και x S, x D οι στάθμες απόσβεσης, η υπέρβαση των οποίων πραγματοποιείται κατά την απλή και τη διαφορική λήψη του σήματος αντίστοιχα, επίσης σε db. Η βελτίωση που προκύπτει από ένα σχήμα διαφορικής λήψης γίνεται αντιληπτή με χρήση δύο ισοδύναμων μεγεθών: του διαφορικού κέρδους (diversity gain) και του διαφορικού πλεονεκτήματος (diversity improvement). Το διαφορικό κέρδος G ορίζεται ως η διαφορά μεταξύ της απόσβεσης στην απλή λήψη Α S και της απόσβεσης στη διαφορική λήψη A J, για το ίδιο ποσοστό του χρόνου P G P A P A P (3.3) S J Αντίστοιχα, το διαφορικό πλεονέκτημα Ι ορίζεται ως ο λόγος του ποσοστού του χρόνου στην απλή λήψη P S προς το ποσοστό του χρόνου στη διαφορική λήψη P J, για τα οποία υπερβαίνεται η ίδια στάθμη απόσβεσης Α I A A A PS (3.4) P J Μέσω των (3.3) και (3.4) ποσοτικοποιείται η βελτίωση που προέρχεται από τα σχήματα διαφορικής προστασίας σε σχέση με την απλή λήψη, σε όρους απόσβεσης και πιθανότητας υπέρβασης μίας δεδομένης στάθμης απόσβεσης, αντίστοιχα. Ορίσθηκαν για πρώτη φορά από τον Hodge [12] και θεωρητικά είναι ισοδύναμα. Όμως, στην πράξη από τους σχεδιαστές μηχανικούς χρησιμοποιείται περισσότερο το διαφορικό κέρδος για λόγους αξιοπιστίας [13]. Η μεγαλύτερη στατιστική αξιοπιστία του διαφορικού κέρδους G προέρχεται από το γεγονός ότι υπολογίζεται από ισοπίθανα ενδεχόμενα με το ίδιο μέγεθος δείγματος. Αντίθετα, το διαφορικό πλεονέκτημα Ι θεωρείται περισσότερο ευάλωτο σε στατιστικά σφάλματα, αφού υπολογίζεται από δείγματα διαφορετικών μεγεθών, γεγονός που ισχύει ιδιαίτερα για τις πολύ βαθιές διαλείψεις, δηλαδή για μικρά ποσοστά του χρόνου στη διάρκεια ενός έτους. Στη συνέχεια, παρατίθεται ένα αριθμητικό παράδειγμα, για τον υπολογισμό των G και Ι σε κάθε σχήμα διαφορικής λήψης. Το παράδειγμα βασίζεται στις καμπύλες του σχήματος 1, όπου έχουν σχεδιασθεί η πιθανότητα υπέρβασης P S μιας στάθμης απόσβεσης με απλή λήψη του σήματος και η πιθανότητα υπέρβασης P J με διαφορική λήψη, όπως αυτές ορίσθηκαν στις (3.1) και (3.2), αντίστοιχα. Η ταυτόχρονη υπέρβαση οποιασδήποτε στάθμης απόσβεσης σε περισσότερους του ενός επίγειους σταθμούς συμβαίνει σπανιότερα από ότι στον καθένα από αυτούς ξεχωριστά και, συνεπώς, η καμπύλη P J στο σχήμα 1 βρίσκεται χαμηλότερα της P S. Από το σχήμα 1 προκύπτει ότι κατά την απλή λήψη του σήματος από έναν επίγειο σταθμό η απόσβεση λόγω βροχής είναι υψηλότερη των 12dB για P=0.29% του ολικού χρόνου. Σημειώνεται ότι οποιοδήποτε χρονικό ποσοστό (ή πιθανότητα υπέρβασης) μπορεί να αντιστοιχηθεί σε λεπτά ανά έτος για τα οποία η απόσβεση είναι υψηλότερη από κάποια στάθμη, μέσω της απλής σχέσης T 525,600 P min year (3.5)
38 Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, IIΙ, τεύχ. 1-2 2002, Tech. Chron. Sci. J. TCG, III, No 1-2 10-1 10-2 10-3 10-4 P S (12dB) P J (12dB) G A J (0.29%) A S (0.29%) 2 4 6 8 10 12 14 16 18 2 db των βροχοπτώσεων και για το λόγο αυτό στη βιβλιογραφία αναφέρεται και ως διαφορική λήψη χώρου. Η γεωμετρία ενός συστήματος διπλής διαφορικής λήψης θέσης δίδεται στο σχήμα 2. Προκειμένου να βελτιωθεί ο σηματοθορυβικός λόγος του συστήματος, το σήμα από το δορυφόρο συλλέγεται από περισσότερους του ενός επίγειους σταθμούς. Στη συνέχεια, τα σήματα αποστέλλονται (με ενσύρματο ή ασύρματο τρόπο) σε ένα κεντρικό σημείο στο οποίο γίνεται η περαιτέρω επεξεργασία τους είτε με την επιλογή του σήματος από το σταθμό με τον υψηλότερο σηματοθορυβικό λόγο είτε με συνδυασμό των σημάτων με στόχο την αύξηση του επιπέδου ισχύος [14]. Σχήμα 1: Υπολογισμός του διαφορικού κέρδους και του διαφορικού πλεονεκτήματος. Figure 1: Calculation of diversity gain and diversity improvement. Σε σχέση και με την προηγούμενη παρατήρηση από το σχήμα 1, όταν το σήμα λαμβάνεται από έναν μόνο επίγειο σταθμό η απόσβεση λόγω βροχής είναι υψηλότερη των 12dB για 1,524min/year. Το σχήμα διαφορικής λήψης, για το ίδιο ποσοστό του ολικού χρόνου (ή ισοδύναμα για τα ίδια λεπτά στη διάρκεια του έτους) υπόκειται σε απόσβεση υψηλότερη των 3dB. Επομένως, για την πιθανότητα 0.29% το διαφορικό κέρδος είναι G 0.29% 12dB 3dB 9dB Όσον αφορά το διαφορικό πλεονέκτημα, αυτό εξετάζεται σε σχέση με τη στάθμη απόσβεσης Α=12dB. Η υπέρβαση της στάθμης αυτής πραγματοποιείται κατά την απλή λήψη του σήματος με πιθανότητα 0.29% (1,524min/year), ενώ κατά τη διαφορική λήψη η πιθανότητα η απόσβεση να υπερβεί τα 12dB ταυτόχρονα στις εναλλακτικές ζεύξεις είναι 0.015% (79min/year). Ο λόγος των δύο πιθανοτήτων αποδίδει το διαφορικό πλεονέκτημα για τη στάθμη απόσβεσης 12dB, δηλαδή I 0.29% 0.015% 1,524 min year 79min year 12dB 19. 3 3.1. Διαφορική λήψη θέσης Η τεχνική της διαφορικής λήψης θέσης στηρίζεται στην ταυτόχρονη λήψη του σήματος μέσω δύο (διπλή διαφορική λήψη θέσης), ή, σε περιοχές με έντονες βροχοπτώσεις, μέσω τριών (τριπλή διαφορική λήψη θέσης) διαφορετικών επίγειων σταθμών. Εκμεταλλεύεται τις χωρικές μεταβολές Σχήμα 2: Γεωμετρία συστήματος διπλής διαφορικής λήψης θέσης. Figure 2: Configuration of a double site diversity system. Ήδη, από τη δεκαετία του 70 επισημάνθηκε η χρησιμότητα της διαφορικής λήψης θέσης στην αντιμετώπιση της απόσβεσης που προκαλείται από ατμοσφαιρικές κατακρημνίσεις και κυρίως από τη βροχή. Στο διάστημα που μεσολάβησε έχουν λάβει χώρα πολυάριθμες πειραματικές εργασίες που επιβεβαίωσαν τον αρχικό ισχυρισμό. Οι Lin et al. [15] παρέχουν μία εκτενή περιγραφή πειραμάτων διαφορικής λήψης θέσης για ένα διάστημα δέκα ετών (πριν από το 1980). Στο άρθρο περιλαμβάνονται περισσότερες από 100 παραπομπές σχετικά με την απόσβεση λόγω βροχής σε κεκλιμένους ραδιοδρόμους γης-δορυφόρου. Ο Ippolito [3], επίσης, συνοψίζει αρκετά πειράματα διαφορικής λήψης θέσης που διεξήχθησαν πριν από το 1982. Κάποια πιο πρόσφατα πειράματα για τη διπλή διαφορική λήψη θέσης έγιναν με χρήση του γεωστατικού δορυφόρου OLYMPUS [16], ενώ οι Tang et al. [17] και οι Goldhirsh et al. [10] περιγράφουν πειράματα τριπλής διαφορικής λήψης θέσης που πραγματοποιήθηκαν στις Η.Π.Α. με τη βοήθεια των γεωστατικών δορυφόρων COMSTAR και ACTS αντίστοιχα. Όπως αποδεικνύεται και από όλες τις ανωτέρω πειραματικές εργασίες, η επίδοση ενός συστήματος διαφορικής λήψης θέσης εξαρτάται τόσο από τα μετεωρολογικά, όσο και από τα γεωμετρικά και ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του.
Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, IIΙ, τεύχ. 1-2 2002, Tech. Chron. Sci. J. TCG, III, No 1-2 39 Όσον αφορά τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά, ιδιαίτερη είναι η σημασία της ραδιοσυχνότητας, καθώς η αύξησή της επιδεινώνει σημαντικά την επίδοση της διαφορικής λήψης θέσης. Από το σχήμα 3 γίνεται σαφές ότι σε ένα σύστημα διαφορικής λήψης θέσης η αύξηση της ραδιοσυχνότητας oδηγεί σε σημαντική αύξηση της από κοινού πιθανότητας υπέρβασης. Το φαινόμενο αυτό αιτιολογείται αν ληφθεί υπόψη ότι με την αύξηση της συχνότητας μειώνεται το μήκος κύματος σε επίπεδα συγκρίσιμα με το μέγεθος της σταγόνας βροχής. Επομένως, οι σταγόνες βροχής μετατρέπονται σε ισχυρούς σκεδαστές της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, γεγονός που ερμηνεύει μικροσκοπικά το φαινόμενο των διαλείψεων λόγω βροχής κατά τη διάδοση ραδιοκυμάτων. Σε κάθε σχήμα διαφορικής λήψης θέσης, το διαφορικό κέρδος κάθε χρονική στιγμή εξαρτάται από την απόσταση D μεταξύ των επίγειων σταθμών. Όσο μεγαλύτερη είναι η απόσταση διαχωρισμού τους, τόσο λιγότερο συσχετισμένη είναι η απόσβεση επί των εναλλακτικών κεκλιμένων ραδιοδρόμων. Η ιδανική συνθήκη για τη διαφορική λήψη είναι η πλήρης αποσυσχέτιση των αποσβέσεων γεγονός, όμως, που μεταφράζεται σε μεγάλες αποστάσεις μεταξύ των σταθμών. Ενδεικτικό της επίδρασης της απόστασης διαχωρισμού D μεταξύ των επίγειων σταθμών στο κέρδος G διπλής διαφορικής λήψης θέσης είναι το σχήμα 5. 10-1 10-2 10-3, f=20ghz, f=10ghz, f=20ghz, f=30ghz 10-1 10-2 10-3 10-4, =30 o, =20 o, =30 o, =40 o 10-4 10-5 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 db Σχήμα 3: Εξάρτηση της πιθανότητας υπέρβασης σε σύστημα διαφορικής λήψης θέσης από τη ραδιοσυχνότητα f. Figure 3: Dependence of the site diversity joint exceedance probability on the radio frequency f. Περαιτέρω, επιβάλλεται η μελέτη των γεωμετρικών χαρακτηριστικών που επηρεάζουν την από κοινού πιθανότητα υπέρβασης κατά τη διαφορική λήψη θέσης. Αυτά είναι η γωνία ανύψωσης φ και η απόσταση διαχωρισμού D μεταξύ των επίγειων σταθμών. Ως προς τη γωνία ανύψωσης σημειώνεται ότι λόγω της τεράστιας απόστασης γης-δορυφόρου, αυτή μπορεί να θεωρηθεί κοινή για τους δύο ή παραπάνω επίγειους σταθμούς που απαρτίζουν το σύστημα διαφορικής λήψης θέσης. Όπως προκύπτει από το σχήμα 4, αύξηση της γωνίας ανύψωσης οδηγεί στη μείωση της πιθανότητας υπέρβασης. Το φαινόμενο σχετίζεται με το μήκος του τμήματος του ραδιοδρόμου προς το δορυφόρο που βρίσκεται υπό βροχή. Για μικρές γωνίες ανύψωσης, το μήκος αυτό είναι μεγαλύτερο και, συνεπώς, το ραδιοκύμα διανύει μεγαλύτερο τμήμα της πορείας του προς το δορυφόρο υπό βροχή. Υπό αυτές τις συνθήκες, οι ίδιες στάθμες απόσβεσης υπερβαίνονται με μεγαλύτερη πιθανότητα. 10-5 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 db Σχήμα 4: Εξάρτηση πιθανότητας υπέρβασης σε σύστημα διαφορικής λήψης θέσης από τη γωνία ανύψωσης φ. Figure 4: Dependence of the site diversity joint exceedance probability on the elevation angle φ. db 14 12 10 8 6 4 2 A s1<a s2<a s3 A s1 A s2 A s3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 D km Σχήμα 5: Εξάρτηση του κέρδους διπλής διαφορικής λήψης θέσης από την απόσταση των σταθμών D. Figure 5: Dependence of the double site diversity gain on the site separation distance D.
40 Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, IIΙ, τεύχ. 1-2 2002, Tech. Chron. Sci. J. TCG, III, No 1-2 3.1.1. Μοντέλα πρόβλεψης της επίδοσης για συστήματα διαφορικής λήψης θέσης Παρά το μεγάλο πλήθος διαθέσιμων πειραματικών δεδομένων που σχετίζονται με τη διαφορική λήψη θέσης, το γεγονός ότι αυτά έχουν προέλθει από γεωγραφικές περιοχές με συγκεκριμένα κλιματικά χαρακτηριστικά και συστήματα με συγκεκριμένες προδιαγραφές κάνει αμφίβολης αξιοπιστίας την επέκτασή τους σε διαφορετικές τοποθεσίες και συστήματα. Επομένως, κρίνεται απαραίτητη η ύπαρξη μοντέλων πρόβλεψης της επίδοσης της τεχνικής. Στη διεθνή βιβλιογραφία, τέτοιου είδους μοντέλα υπάρχουν διαθέσιμα και διακρίνονται σε εμπειρικά, τα οποία προτείνουν απλές σχέσεις προερχόμενες από στατιστική παλινδρόμηση πειραματικών αποτελεσμάτων, και σε φυσικά, τα οποία βασίζονται σε φυσικές θεωρήσεις θεμελιωμένες στην κατανόηση των μηχανισμών που προκαλούν απόσβεση [18]. Τα φυσικά μοντέλα χρησιμοποιούν πειραματικά δεδομένα για λόγους επιβεβαίωσης και μόνο. Τα πλέον αντιπροσωπευτικά εμπειρικά μοντέλα πρόβλεψης ανήκουν στους Allnutt και Rogers [19], Goldhirsh [20] και Hodge [13]. Το τελευταίο περιλαμβάνεται και σε πρόσφατη σύσταση της ITU-R [1]. Η προσέγγιση των Allnutt και Rogers συνίσταται στον υπολογισμό του διαφορικού κέρδους από την πιθανότητα υπέρβασης της απόσβεσης για την απλή λήψη. Το μοντέλο του Goldhirsh υπολογίζει το κέρδος διπλής διαφορικής λήψης θέσης από την απόσταση διαχωρισμού μεταξύ των δύο επίγειων σταθμών. Περισσότερες εισόδους απαιτεί το μοντέλο του Hodge, όπου το διαφορικό κέρδος προκύπτει από τα δεδομένα της ζεύξης (συχνότητα, γωνία ανύψωσης, απόσταση μεταξύ των σταθμών και γωνία προσανατολισμού τους). Από την άλλη πλευρά, τα κυριότερα φυσικά μοντέλα είναι το μοντέλο EXCELL [21] και τα μοντέλα των Mass [22], Matricciani [23], Manning [24], Kanellopoulos et al. [25]. Στο πρώτο από αυτά υποτίθεται ότι το περιβάλλον των κατακρημνίσεων μπορεί να περιγραφεί από ένα πλήθος απομονωμένων βροχοπυρήνων, στο εσωτερικό των οποίων η βροχή είναι κατανεμημένη εκθετικά και διαθέτει περιστροφική συμμετρία. Αντίθετα, από το μοντέλο του Mass προτείνονται βροχοπυρήνες με σταθερά χαρακτηριστικά, περιστροφική συμμετρία και ομοιόμορφη χωρική κατανομή. Ο Matricciani μοντελοποιεί τη δομή της βροχής μέσω δύο στρωμάτων με σταθερή ένταση ατμοσφαιρικών κατακρημνίσεων στο εσωτερικό τους. Τέλος, το μοντέλο των Kanellopoulos et al. στηρίζεται στο μοντέλο των συνεκτικών βροχοπυρήνων και σε αντιδιαστολή με τα προηγούμενα μπορεί να επεκταθεί σε συστήματα τριπλής διαφορικής λήψης θέσης [26], ενώ βάσει αυτού είναι δυνατό να μοντελοποιηθούν και πολύπλοκα προβλήματα παρεμβολής [27], [28], [29], [30], [31]. 3.2. Διαφορική λήψη δορυφορικής τροχιάς Η τεχνική της διαφορικής λήψης δορυφορικής τροχιάς, ή απλούστερα διαφορική λήψη τροχιάς, μπορεί να θεωρηθεί ως η συμμετρική προς το σχήμα διαφορικής λήψης θέσης διάταξη. Σχήμα 6: Γεωμετρία συστήματος διπλής διαφορικής λήψης τροχιάς. Figure 6: Configuration of a double orbital diversity system. Με την τεχνική αυτή, η πολλαπλότητα των σταθμών αφορά τώρα τους σταθμούς στο διάστημα, αφού ο μοναδικός επίγειος σταθμός λαμβάνει το σήμα από δύο (διπλή διαφορική λήψη τροχιάς) ή τρεις (τριπλή διαφορική λήψη τροχιάς) γωνιακά μετατοπισμένους δορυφόρους. Η βελτιωτική ικανότητα της τεχνικής στηρίζεται και στην περίπτωση αυτή στο γεγονός ότι κάθε χρονική στιγμή η απόσβεση λόγω ατμοσφαιρικών κατακρημνίσεων στις εναλλακτικές οδεύσεις του ραδιοκύματος εμφανίζει διαφορετικές τιμές. Έτσι, παρέχεται στον επίγειο σταθμό η δυνατότητα επιλογής του σήματος από το ραδιοδρόμο με τον υψηλότερο σηματοθορυβικό λόγο. Παρά τις ομοιότητες με το σχήμα διαφορικής λήψης θέσης, η διαφορική λήψη τροχιάς εμφανίζει τη διαφορά ότι στην πράξη μπορεί να λειτουργήσει αποκλειστικά ως δορυφορικό σύστημα κοινών πόρων (resource shared satellite system) [32]. Έτσι, ενώ κατά την ανάλυση της διαφορικής λήψης θέσης θεωρείται ότι οι πρόσθετοι σταθμοί στο έδαφος λειτουργούν μονίμως, η σχεδίαση της διαφορικής λήψης τροχιάς γίνεται με τέτοιο τρόπο ώστε η ζεύξη από τους εφεδρικούς δορυφόρους να ενεργοποιείται μόνο όταν η απόσβεση από τον κύριο δορυφόρο υπερβαίνει κάποιο κατώφλι. Διαφορετικά, οι εφεδρικοί δορυφόροι πρέπει να δεσμεύουν μεγάλο μέρος από το διαθέσιμο εύρος ζώνης τους (που είναι πόρος σε ανεπάρκεια) διατηρώντας αντίγραφα όλων των σημάτων με προορισμό τον τερματικό επίγειο σταθμό, του οποίου την εξυπηρέτηση αναλαμβάνουν μόνο περιστασιακά. Κατά την περιγραφή των σχημάτων διαφορικής λήψης ανακύπτει η έννοια του ισοσταθμισμένου συστήματος διαφορικής λήψης (balanced diversity system) όταν οι ραδιοζεύξεις κατά τους εναλλακτικούς κεκλιμένους ραδιοδρόμους γης-δορυφόρου έχουν τον ίδιο σηματοθορυβικό λόγο. Στη διαφορική λήψη θέσης, οι προϋποθέσεις του ισοσταθμισμένου συστήματος συνήθως ικανοποιούνται, σε αντιδιαστολή με τη διαφορική λήψη τροχιάς, όπου το γεγονός αυτό συμβαίνει σπανίως λόγω των διαφορετικών γωνιών ανύψωσης υπό τις οποίες φαίνονται οι διαφορετικοί
Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, IIΙ, τεύχ. 1-2 2002, Tech. Chron. Sci. J. TCG, III, No 1-2 41 δορυφόροι από το μοναδικό επίγειο σταθμό. Το θέμα της αδυναμίας ισοστάθμισης κατά τη διαφορική λήψη τροχιάς έχει μία σειρά από συνέπειες. Η κυριότερη από αυτές είναι ότι προκύπτουν διαφορετικές τιμές για τα μεγέθη G, I ανάλογα με το ποια από τις ζεύξεις απλής λήψης λαμβάνεται ως ζεύξη αναφοράς. Σε αντίθεση με τη διαφορική λήψη θέσης, για τη διαφορική λήψη τροχιάς έχουν διεξαχθεί σαφώς λιγότερα πειράματα ή προσομοιώσεις μέσω ραντάρ λόγω της πρόσφατης ανάπτυξής της. Χαρακτηριστικότερα είναι τα πειράματα διπλής διαφορικής λήψης τροχιάς που πραγματοποίησαν Ιταλοί ερευνητές με τη βοήθεια των γεωστατικών δορυφόρων SIRIO και ΟΤS που λειτουργούν στη ζώνη συχνοτήτων Ku [33] και των γεωστατικών δορυφόρων ITALSAT και OLYMPUS ζώνης συχνοτήτων Ka [34]. Άλλωστε, και κατά τη διαφορική λήψη τροχιάς, οι επιδράσεις των μετεωρολογικών, γεωμετρικών και ηλεκτρικών χαρακτηριστικών του συστήματος στην επίδοση της διαφορικής λήψης είναι παρόμοιες με εκείνες που μελετήθηκαν για το σχήμα διαφορικής λήψης των προηγούμενων παραγράφων. Μεγάλη σημασία για τη διαφορική λήψη τροχιάς, αντίστοιχη αυτής που έχει η απόσταση D στη διαφορική λήψη θέσης, έχει η γωνιακή απόσταση θ μεταξύ των δορυφόρων. Η γωνία θ σχηματίζεται από τις ευθείες των ραδιοδρόμων που ενώνουν το μοναδικό επίγειο σταθμό με τους εναλλακτικούς δορυφόρους και όταν αυτή λαμβάνει μεγάλες τιμές οι αποσβέσεις επί των ραδιοδρόμων αποσυσχετίζονται. Η διερεύνηση της επίδρασης της γωνιακής απόστασης θ στο κέρδος G διπλής διαφορικής λήψης τροχιάς γίνεται μέσω του σχήματος 7. 3.2.1. Μοντέλα πρόβλεψης της επίδοσης για συστήματα διαφορικής λήψης τροχιάς K db 10 9 8 7 6 5 4 3 2 A s1<a s2<a s3 A s1 A s2 A s3 1 10 20 30 40 50 60 70 80 90 µ Σχήμα 7: Εξάρτηση του κέρδους διπλής διαφορικής λήψης τροχιάς από τη γωνιακή απόσταση θ μεταξύ των δορυφόρων. Figure 7: Dependence of the double orbital diversity gain on the angular separation θ between the satellites. Όπως και στα συστήματα διαφορικής λήψης θέσης, τα μοντέλα πρόβλεψης κατηγοριοποιούνται σε απλά και φυσικά. Η απουσία πειραματικών εργασιών έχει οδηγήσει στην ανάπτυξη απλών μοντέλων (αντί εμπειρικών) για τα οποία η τράπεζα δεδομένων αποτελείται από αποτελέσματα των αντίστοιχων φυσικών και όχι από πειραματικές τιμές. Ένα απλό μοντέλο που αναπτύχθηκε προσφάτως ανήκει στους Panagopoulos et al. [35], όπου εκτός των χαρακτηριστικών του συστήματος, ως είσοδοι του μοντέλου απαιτούνται και οι κλιματικές συνθήκες της περιοχής όπου λειτουργεί η ζεύξη. Το γεγονός αυτό προσθέτει ευελιξία στο μοντέλο και δίνει προοπτικές ευρείας αποδοχής του. Δύο είναι τα φυσικά μοντέλα τα οποία συμπεριλαμβάνονται στην επισκόπηση των μοντέλων πρόβλεψης της επίδοσης της διαφορικής λήψης τροχιάς. Tο πρώτο από αυτά ανήκει στον Matricciani [36] με φυσικές θεωρήσεις όμοιες με εκείνες που έγιναν στο μοντέλο [23]. Το δεύτερο ανήκει στους Kanellopoulos et al. [37] και αποτελεί την επέκταση του μοντέλου των συνεκτικών βροχοπυρήνων, ενώ για τροπικές περιοχές συνιστάται η χρήση του μοντέλου των Kanellopoulos et al. [38]. 4. ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΤΩΝ ΤΕΧΝΙΚΩΝ ΔΙΑΦΟΡΙΚΗΣ ΛΗΨΗΣ ΘΕΣΗΣ ΚΑΙ ΤΡΟΧΙΑΣ Αν και η αποτελεσματικότητα της διαφορικής λήψης θέσης θεωρείται δεδομένη, οι σοβαρές επιφυλάξεις για την ανταποδοτικότητά της από πλευράς οικονομικού κόστους οδήγησαν στην ανάπτυξη της διαφορικής λήψης τροχιάς, ως εναλλακτικής τεχνικής για την αντιμετώπιση των διαλείψεων λόγω ατμοσφαιρικών κατακρημνίσεων. Από οικονομικής σκοπιάς τα πλεονεκτήματα της διαφορικής λήψης τροχιάς οφείλονται στο γεγονός ότι όλες οι λειτουργίες διαφορικής λήψης πραγματοποιούνται συγκεντρωτικά σε έναν επίγειο σταθμό. Ο επιπλέον εξοπλισμός ειναι πολύ λιγότερος σε σχέση με συστήματα διαφορικής λήψης θέσης όπου απαιτείται διπλασιασμός (διπλή διαφορική λήψη θέσης), ή τριπλασιασμός (τριπλή διαφορική λήψη θέσης) του συνόλου του εξοπλισμού ενός επίγειου σταθμού. Εντούτοις, τα συστήματα διαφορικής λήψης τροχιάς είναι συστήματα κοινών πόρων. Επομένως, όταν η απόσβεση του ραδιοκύματος από τον κύριο δορυφόρο υπερβαίνει κάποιο κατώφλιο, η ζεύξη πρέπει να μετάγεται στον εφεδρικό δορυφόρο. Όμως, η διαδικασία που προηγείται της μεταγωγής, εισάγει χρονική καθυστέρηση, ώστε ο εφεδρικός δορυφόρος να έλθει σε κατάσταση ετοιμότητας και να αναλάβει τη μετάδοση προς τον επίγειο σταθμό. Η καθυστέρηση αυτή είναι τουλάχιστον ίση προς το χρόνο διάδοσης του ραδιοκύματος σε μία πλήρη διαδρομή γης-γεωστατικού δορυφόρου-γης (περίπου 0.25s). Tέλος, εύκολα διαπιστώνεται από τη γεωμετρία των αντίστοιχων συστημάτων ότι οι αποστάσεις που δημιουργούνται μεταξύ των κεκλιμένων ραδιοδρόμων στο τμήμα
42 Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, IIΙ, τεύχ. 1-2 2002, Tech. Chron. Sci. J. TCG, III, No 1-2 που βρίσκεται υπό βροχή είναι μεγαλύτερες στη διαφορική λήψη θέσης, γεγονός που οδηγεί σε μεγαλύτερη ικανότητα παράκαμψης του πυρήνα βροχής και επομένως μεγαλύτερο διαφορικό κέρδος. Ανάλογα συμπεράσματα που καταδεικνύουν την υπεροχή της διαφορικής λήψης θέσης έναντι της διαφορικής λήψης τροχιάς έχουν προέλθει και από το μοναδικό στο είδος του συγκριτικό πείραμα [39]. 5. ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ ΤΩΝ ΣΧΗΜΑΤΩΝ ΔΙΑΦΟΡΙΚΗΣ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ Οι μελλοντικές προοπτικές των σχημάτων διαφορικής προστασίας, όπως η διαφορική λήψη θέσης και η διαφορική λήψη τροχιάς συνδέονται σε μεγάλο βαθμό με το πόσο συμβατά θα αποδειχθούν αυτά με τις σύγχρονες τάσεις στις δορυφορικές επικοινωνίες. Ανάμεσα στις καινοτόμες εξελίξεις στο χώρο των δορυφορικών συστημάτων συγκαταλέγονται οι δορυφόροι σε τροχιές χαμηλότερες της γεωστατικής, δηλαδή τα συστήματα μεσαίας (Medium Earth Orbit, MEO) και χαμηλής (Low Earth Orbit, LEO) τροχιάς. Άλλωστε, οι πρώτες ενδείξεις για την ενσωμάτωση των σχημάτων διαφορικής προστασίας σε δορυφορικά συστήματα με περίοδο περιστροφής περί τη γη μικρότερη από 24 ώρες είναι θετικά, καθώς η διαφορική λήψη θέσης βρίσκει ήδη ευρεία εφαρμογή στο σύστημα χαμηλής τροχιάς IRIDIUM [40]. Στον αντίποδα, η διαφορική λήψη τροχιάς μελετάται ως λύση στα προβλήματα των διαλείψεων πολλαπλών διοδεύσεων (multipath fading) και της σκίασης (shadowing) που απασχολούν τις κινητές επικοινωνίες μέσω δορυφόρων χαμηλής τροχιάς [41]. Ιδιαίτερη βαρύτητα αποκτά η χρήση σχημάτων διαφορικής προστασίας λόγω της επιδίωξης για συνεχή μείωση των διαστάσεων των σταθμών λήψης. Η μείωση των διαστάσεων των σταθμών κρίνεται απαραίτητη προκειμένου οι δορυφορικές επικοινωνίες να καταστούν ανταγωνιστικές προς τα υπόλοιπα συστήματα μετάδοσης της πληροφορίας (συστήματα οπτικών ινών, επίγειες μικροκυματικές ζεύξεις, κυψελωτά συστήματα κινητών επικοινωνιών). Αποτέλεσμα των σχετικών προσπαθειών αποτελεί η ανάπτυξη μικροσταθμών χαμηλού κόστους με την ονομασία VSAT (Very Small Aperture Terminals). Πρόκειται για μία εναλλακτική προς τα ενσύρματα δίκτυα δεδομένων πρόταση για μετάδοση πληροφορίας χωρίς ενσύρματη διασύνδεση. Μάλιστα, η διαφορική λήψη τροχιάς έχει ήδη υιοθετηθεί από το σύστημα VSAT του δικτύου HIT (Hokkaido Integrated Telecommunications) [42]. 6. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στην εργασία αυτή μελετήθηκαν εκτενώς οι τεχνικές της διαφορικής λήψης θέσης και δορυφορικής τροχιάς. Έγινε μία επισκόπηση των κυριότερων πειραμάτων που έχουν διεξαχθεί και των αντιπροσωπευτικότερων μοντέλων πρόβλεψης για κάθε τεχνική. Επιπλέον, συνοψίσθηκαν οι κυριότερες διαφορές μεταξύ των τεχνικών και δόθηκε το στίγμα των μελλοντικών τους εφαρμογών. Τέλος, δίδεται πλήθος βιβλιογραφικών αναφορών από τη σχετική με τα θέματα διεθνή βιβλιογραφία. 7. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. ITU-R Propagation-Series, P.618-7 Recommendation: Propagation data and prediction methods required for the design of earthspace telecommunication systems, 2001 2. W.L. Stutzman: The special section on propagation effects on satellite communication links, Proceedings of the IEEE, Vol. 81, No. 6, 1993, pp. 850-855 3. L.J. Ippolito: Propagation effects handbook for satellite system design, NASA Ref. Pub., 1092 (04), 1989, pp. 7-87 4. S.N. Livieratos, P.G. Cottis: Availability and performance of single/multiple site diversity satellite systems under rain fades, Telecommunication Transmissions, Vol. 12, No.1, 2001, pp. 55-65 5. P.M. Bakken, T. Maseng: Adaptive-control of satellite EIRP to reduce outage caused by fading, IEEE Transactions on Communications, Vol. 31, No.5, 1983, pp. 726-734 6. A.W. Dissanayake: Application of open-loop uplink power control in Ka-band satellite links, Proceedings of the IEEE, Vol. 85, No.6, 1997, pp. 959-969 7. T.T. Ha: Digital Satellite Communications, MacMillan Publishing Company, New York, 1986 8. B.R. Arbesser-Rastburg, A. Paraboni: European research on Kaband slant path propagation, Proceedings of the IEEE, Vol. 85, No.6, 1997, pp. 843-852 9. M. Richharia: Satellite Communication Systems, 2 nd edition, Macmillan Press LTD, 1999 10. J. Goldhirsh, B.H. Musiani, A.W. Dissanayake, K. Lin: Three-site space-diversity experiment at 20 GHz using ACTS in the Eastern United States, Proceedings of the IEEE, Vol. 85, No.6, 1997, pp. 970-980 11. A.V. Bosisio, C. Capsoni, E. Matricciani: Comparison among prediction methods of site diversity system performances, Proceedings of the 10 th ICAP Conference, Edinburgh, Scotland, April 1993, pp. 60-63 12. D.B. Hodge: An empirical relationship for path diversity gain, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 24, no.3, 1976, pp. 250-251 13. D.B. Hodge: An improved model for diversity gain on earth-space propagation paths, Radio Science, Vol. 17, No.6, 1982, pp. 1393-1399 14. A.V. Bosisio, C. Riva: A novel method for the statistical prediction of rain attenuation in site diversity systems: theory and comparative testing against experimental data, International Journal of Satellite Communications, Vol. 16, 1998, pp. 47-52 15. S.H. Lin, H.J. Bergmann, M.V. Pursley: Rain attenuation of earthsatellite paths-summary of 10-years experiments and studies, Bell Systems Technical Journal, Vol. 59, No.2, 1980, pp. 183-228 16. J.P.V. Poiares Baptista: Reference Book on Attenuation Measurement and Prediction, Vol. 1, Noordwijk, The Netherlands: OPEX, ESA-WPP 083, 1994, chap. VI, pp. 67-86 17. D.D. Tang, D. Davidson, S.C. Block: Diversity reception of COMSTAR satellite 19/29-GHz beacons with Tampa Triad, 1978-1981, Radio Science, Vol. 17, No.6, 1982, pp. 1477-1488 18. A.V. Bosisio, C. Riva: Site diversity performance in 10/30GHz band: a comparison of prediction methods, Electronics Letters, Vol. 32, No.19, 1996, pp. 1760-1761 19. J.E. Allnut, D.V. Rogers: Novel method for predicting site diversity gain on satellite-to-ground radio paths, Electronics Letters, Vol. 18, No.5, 1982, pp. 233-235 20. J. Goldhirsh: Space diversity performance prediction for earthsatellite paths using radar modelling techniques, Radio Science, Vol. 17, No. 6, 1982, pp. 1400-1410
Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, IIΙ, τεύχ. 1-2 2002, Tech. Chron. Sci. J. TCG, III, No 1-2 43 21. C. Capsoni, F. Fedi, A. Paraboni: A comprehensive meteorologically oriented methodology for the prediction of wave propagation parameters in telecommunication application beyond 10 GHz, Radio Science, Vol. 22, No.3, 1987, pp. 387-393 22. J. Mass: A simulation study of rain attenuation and diversity effects on satellite links, Comsat Technical Review, Vol. 17, No.1, 1987, pp. 159-186 23. E. Matricciani: Prediction of site diversity performance in satellite communications systems affected by rain attenuation: extension of the two layer rain model, European Transactions on Telecommunications, Vol. 5, No.3, 1994, pp. 327-336 24. R. M. Manning: A rain attenuation model for satellite link attenuation predictions incorporating the spatial inhomogeneity of rainrate, International Journal of Satellite Communications, Vol. 2, 1984, pp. 187-197 25. J.D. Kanellopoulos, S.G. Koukoulas, N.J. Koliopoulos, C.N. Capsalis, S.G. Ventouras: Rain attenuation problems affecting the performance of microwave communication systems, Annals Telecommunications, 45, No.7-8, 1990, pp. 437-451 26. J.D. Kanellopoulos, S.G. Koukoulas: Prediction of triplesite diversity performance in earth-space communication, Journal of Electromagnetic Waves and Applications, Vol. 4, 1990, pp. 341-358 27. J.D. Kanellopoulos, V.A. Houdzoumis: A model for the prediction of differential rain attenuation on adjacent earth-space propagation paths, Radio Science, Vol. 25, 1990, pp. 853-864 28. J.D. Kanellopoulos, S. Ventouras: Analysis of the interference due to differential rain attenuation induced by an adjacent path on a dual site diversity earth-space system, Radio Science, Vol. 31, No.6, 1996, pp. 1435-1448 29. J.D. Kanellopoulos, S.N. Livieratos: Analysis of the interference due to differential rain attenuation induced by an adjacent path on a triple site diversity earth-space system, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 47, No.1, 1999, pp. 200-211 30. J.D. Kanellopoulos, S.N. Livieratos: Analysis of the total carrierto-noise plus interference ratio statistics applied to adjacent satellite interference under the presence of rain, Journal of Electromagnetic Waves and Applications, Vol. 12, 1998, pp. 527-552 31. S.N. Livieratos, G. Ginis, P.G. Cottis: Availability and performance of satellite links suffering from interference by an adjacent satellite and rain fades, IEE Proceedings on Communications, Vol. 146, No.1, 1999, pp. 61-67 32. E. Matricciani: Orbital diversity in resource-shared satellite communication systems above 10 GHz, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Vol. 5, No.4, pp. 714-723 33. C. Capsoni, E. Matricciani, M. Mauri: SIRIO-OTS 12 GHz orbital diversity experiment at Fucino, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 38, No.6, 1990, pp. 777-782 34. Ε. Μatricciani, M. Mauri: ITALSAT-OLYMPUS 20-GHz orbital diversity experiment at Spino d Adda, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 43, No.1, 1995, pp. 105-107 35. A.D. Panagopoulos, J.D. Kanellopoulos: A simple model for orbital diversity gain on earth-space propagation paths, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 51, No.6, 2003, pp.1403-1405 36. E. Matricianni: Prediction of orbital diversity performance in satellite communication systems affected by rain attenuation, International Journal of Satellite Communications, Vol. 15, 1997, pp. 45-50 37. J.D. Kanellopoulos, A. Reppas: Prediction of outage performance of an orbital diversity earth-space system, European Transactions on Telecommunications, Vol. 2, No.6, 1991, pp. 729-735 38. J.D. Kanellopoulos, S. Ventouras, S. Koukoulas: Prediction of the outage performance of an unbalanced orbital diversity earth-space system (gamma-case), Journal of Electromagnetic Waves and Applications, Vol. 7, No.9, 1993, pp. 1257-1270 39. C. Capsoni, E. Matricciani: Orbital and site diversity systems in rain enviroment-radar derived results, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. AP-33, No.5, 1985, pp. 517-522 40. D. Diekelman: IRIDIUM system description, Proceedings Ka Band Utilization Conference, 1995, pp. 203-211 41. P. Loreti, M. Luglio: A generalized N-state model to characterize satellite diversity for arbitrary number of satellites in case of uncorrelated channels, IEEE Communication Letters, Vol. 5, No.11, 2001, pp. 447-449 42. T. Hatsuda, N. Okuno, K. Inoue, K. Itoh, R. Mitsuhashi: Comparison of multiple satellites diversity characteristics between rain and snow attenuation for 14/12 GHz band Proceedings of the IEEE AP-S International Symposium, 1997, pp. 2556-2559 Π. Μ. Αράπογλου Ηλεκτρολόγος Μηχανικός & Μηχανικός Υπολογιστών Ε.Μ.Π. Α. Δ. Παναγόπουλος Διδάκτωρ Ηλεκτρολόγος Μηχανικός & Μηχανικός Υπολογιστών Ε.Μ.Π., Τομέας Συστημάτων Μετάδοσης Πληροφορίας & Τεχνολογίας Υλικών, Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Υπολογιστών, Ε.Μ.Π. Π. Γ. Κωττής Καθηγητής Ε.Μ.Π., Τομέας Συστημάτων Μετάδοσης Πληροφορίας & Τεχνολογίας Υλικών, Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Υπολογιστών, Ε.Μ.Π.
44 Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, IIΙ, τεύχ. 1-2 2002, Tech. Chron. Sci. J. TCG, III, No 1-2 Extended Summary Diversity Reception in Satellite Communication Systems P. Μ. ARAPOGLOU Α. D. PANAGOPOULOS P.G. COTTIS Dipl. Electrical Eng. N.T.U.A. Dr. Electrical Eng. N.T.U.A. Professor N.T.U.A. Abstract In the present paper site and orbital diversity techniques are presented. These techniques constitute the most reliable solution for satellite communications in order to mitigate the impairments caused when radiowaves propagate through the atmosphere. Rain fades play the dominant role for satellite systems operating in heavy climatic regions at frequencies above 10GHz. Apart from the analytical description of the site and orbital diversity techniques, this paper also summarizes the most representative prediction models concerning these techniques and investigates their future prospects. 1. INTRODUCTION The increasing growth in capacity requirements has led to the development of satellite communication systems operating at frequencies above 10GHz (such as the Ku and Ka frequency bands). At these frequencies, apart from the large communication capacities available, the antennas are considerably more directive, and interference problems with terrestrial radio relay systems are negligible. However, at these frequencies a series of atmospheric mechanisms cause signal impairments, such as rain-induced attenuation, gaseous absorption, scintillations and depolarization [1], [2], [3]. Of these impairments, rain fades are the major limiting factor affecting the availability and performance of a satellite system. For a satellite system, the availability may be defined as the time percentage in a year for which the Bit Error Rate (BER) is lower than a certain threshold, beyond which the receiver loses its synchronization [4]. The term performance is used as a measure of the quality of service of a satellite communication system and is defined as the time percentage for which the BER is lower than a certain level. 2. RAIN FADE COUNTERMEASURES Both availability and performance are specified by the International Telecommunications Union (ITU-R). Several techniques have been developed in order to mitigate rain fades and satisfy the specifications. The rain fade countermeasures can be divided into three categories: Power Control Forward Error Correction Diversity Protection Configurations Power control [5], [6], and, particularly, uplink power control, is achieved by varying the earth station transmit power to keep the satellite flux density from falling below a certain level [7]. For active fade restoration systems, such as uplink power control, the existence of methods to estimate the attenuation on the uplink from the attenuation measured at the downlink frequency is very important. To date, such instantaneous scaling methods do not provide good results [8]. Furthermore, power control increases the level of both terrestrial and adjacent satellite interference. In most satellite systems error correction coding is applied in such a way that error detection and correction is possible at the receiver s end without resorting to any feedback from the transmitter [9]. This type of coding is called forward error correction (FEC). Even though coding reduces the signal-to-noise ratio requirements of a satellite system, it is not recommended in case of heavy rain fades, during which bit errors occur in bursts. 3. DIVERSITY PROTECTION CONFIGURATIONS The drawbacks in the use of power control and error correction coding to compensate for rain induced attenuation, and the extensive research concerning radiowave propagation through the atmosphere have led to the development of diversity protection schemes, such as site and orbital diversity. These techniques are widely used to reduce the outage time due to severe rainfalls and permit operation at low fade margins. The fade margin in db is defined as the
Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, IIΙ, τεύχ. 1-2 2002, Tech. Chron. Sci. J. TCG, III, No 1-2 45 difference between the attenuation value that leads to an outage and the attenuation value under clear sky conditions. Both techniques overcome the effects of rainfall attenuation by taking advantage of the tendency of rainfall to occur in limited spatial regions. Τhe effectiveness of the diversity protection schemes can be deduced by comparing the probability P S of a certain attenuation exceeded in a single link with the joint probability P J of attenuation exceeded in all the available links [8]. There are two factors widely used to concisely describe diversity performance: the diversity gain G and the diversity improvement I. The former is defined as the difference between the single-site and joint attenuations (both expressed in db), for the same probability level. The latter is defined as the ratio of the single site to the joint exceedance probabilities, for the same attenuation value. Moreover, site diversity (see figure 1) engages either two (double site diversity) or three (triple site diversity) earth stations to ensure that the probability of rainfall attenuation occurring simultaneously on the alternative Earth space paths is significantly less than the probability of rainfall occurring on either individual path. Similarly, with orbital diversity (see figure 6) the fade margin can be reduced by selecting the least attenuated radiopath from two (double orbital diversity) or three (triple orbital diversity) satellites angularly spaced in the geostationary orbit. The performance of a system employing either site or orbital diversity depends on meteorological factors, as well as on the geometrical and electrical characteristics of the system. In this context, figures 3 and 4 show the dependence of diversity reception on the radiofrequency f and the elevation angle φ of the system, respectively. Furthermore, in each technique there is a geometrical parameter representing the separation distance between the alternative slant paths, i.e. the separation distance between earth stations D (site diversity) and the angular separation between satellites θ (orbital diversity). These parameters play a crucial role with regard to the diversity gains offered by each technique, since larger values result in surpassing intense raincells (see figures 5 and 7). As the available experimental data concerning site [3], [10], [15], [16], [17] and orbital [33], [34] diversity come from different locations and refer to systems with different specifications, extension to other climatic regions and operational characteristics is questionable. Therefore, prediction models are necessary. They are classified into two major categories: empirical and physical. The first include methods proposing simple formulas with parameters to fit the existing data. The empirical models of Allnutt and Rogers [19], Goldhirsh [20], Hodge [13] for site diversity and Panagopoulos et al. [35] for orbital diversity fall into this category. On the other hand, the physical models are based on considerations based on the understanding of the physical mechanisms causing attenuation and use experimental data for validation purposes only [18]. This is the case for the site diversity prediction models presented by Capsoni et al. [21], Mass [22], Matricciani [23], Manning [24] and Kanellopoulos et al. [25]. In comparison to the rest, the latter can be extended to triple site diversity [26] and can effectively model complicated interference problems [27], [28], [29], [30], [31]. To predict the performance of an orbital diversity system physical models developed by Matricciani [36] and Kanellopoulos et al. [37] can be used. 4. COMPARISON OF THE SITE AND ORBITAL DIVERSITY TECHNIQUES Although the efficiency of site diversity is well acknowledged, there is much consideration concerning its cost-effectiveness since a second (double site diversity) or a third (triple site diversity) earth station must be provided. In orbital diversity systems the apparatus is located at the same site and the redundant satellites should be already in orbit. However, orbital diversity can only be used as a resourceshared satellite communication system and, therefore, a resource satellite is requested whenever the main satellite experiences fades greater than a given level [32]. All the resource-shared systems have a common problem: ideally, the switching between the main and resource satellite should be instantaneous. But this is not the case, since a delay of at least 0.25s occurs due to the radiowave propagation for a round Earth-satellite trip. Finally, from the technical point of view, site diversity achieves larger diversity gains than orbital diversity. This is due to the geometrical configuration of each technique. A site versus orbital diversity experiment carried out in Italy [39] has verified the superiority of site diversity over the orbital diversity scheme. 5. PROSPECTS OF THE DIVERSITY PROTECTION CONFIGURATIONS The future prospects of the diversity protection schemes, such as site and orbital diversity, depend on how compatible these techniques will turn out to be with the concurrent trends and developments in satellite communications. Among these developments, one can single out the non-geostationary constellations, such as the LEO (Low Earth Orbit) and MEO (Medium Earth Orbit) systems, and the trend to significantly reduce the size and cost of earth stations enabling the location of terminals to be on the customers premises. In this course, diversity techniques have been considered or even already used in many of the above advanced technologies. For example, site diversity has been applied in the case of the IRIDIUM LEO constellation [40] and orbital diversity in the case of the VSAT (Very Small Aperture Terminals) HIT
46 Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, IIΙ, τεύχ. 1-2 2002, Tech. Chron. Sci. J. TCG, III, No 1-2 (Hokkaido Integrated Telecommunication) network in Japan [42]. It is worth mentioning that by directly interconnecting VSATs entire public switched networks can be bypassed. P. M. Arapoglou Electrical & Computer Engineer N.T.U.A. A. D. Panagopoulos Dr Electrical & Computer Engineer N.T.U.A., Division of Information Transmission Systems and Materials Technology, School of Electrical & Computer Engineering, National Technical University of Athens. P. G. Cottis Professor N.T.U.A., Division of Information Transmission Systems and Materials Technology, School of Electrical & Computer Engineering, National Technical University of Athens.