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

Abstract

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. Επιπλέον, αναπτύσσονται καινοτόμα ντετερμινιστικά και στατιστικά μοντέλα προσομοίωσης τριών διαστάσεων για διαύλους HAP‐MIMO, τα οποία βασίζονται στα προαναφερθέντα θεωρητικά μοντέλα στενής και ευρείας ζώνης. Για την ανάπτυξη των μοντέλων προσομοίωσης χρησιμοποιείται η μέθοδος αθροίσματος ημιτόνων (sum‐of‐sinusoids – SoS), η οποία έχει γίνει αποδεκτή ευρέως στον ακαδημαϊκό χώρο και στη βιομηχανία. Η αποδοτικότητα, η ακρίβεια και η πολυπλοκότητα των προτεινόμενων μοντέλων προσομοίωσης διερευνάται με γνώμονα τις στατιστικές ιδιότητες. Τα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν την υψηλή επίδοση των μοντέλων αυτών. Τέλος, προτείνεται μια καινοτόμος γεωμετρική σχεδιαστική μέθοδος μεγιστοποίησης της χωρητικότητας του διαύλου HAP‐MIMO σε συστήματα επικοινωνιών σταθερής ασύρματης πρόσβασης στις εκχωρημένες ζώνες συχνοτήτων Ka και V για σταθερές επικοινωνίες μέσω HAPs. Σε αυτές τις χιλιοστομετρικές συχνότητες η παρουσία ισχυρής απευθείας συνιστώσας είναι απαραίτητη και η βροχή επηρεάζει σημαντικά την ποιότητα της ζεύξης. Το ενδεχόμενο αυξημένο κέρδος χωρητικότητας του διαύλου της προτεινόμενης βελτιστοποιημένης αρχιτεκτονικής διερευνάται, υπό συνθήκες καθαρού ουρανού και βροχής. Τα προτεινόμενα μοντέλα διαύλου HAP‐MIMO παρέχουν σε άλλους ερευνητές τις κατάλληλες κατευθυντήριες γραμμές για τον χαρακτηρισμό, την ανάλυση, την αξιολόγηση και την σχεδίαση μελλοντικών συστημάτων κινητών και σταθερών επικοινωνιών τεχνολογίας HAP‐MIMO.