MIMO optical satellite systems
Authors: Καψής Θεόδωρος 
Published: May 2024

Τα ασύρματα δίκτυα πέμπτης γενιάς (fifth-generation, 5G) έχουν σχεδιαστεί για να ανταποκρίνονται στις ολοένα και πιο απαιτητικές ανάγκες των διαφορετικών αναδυόμενων υπηρεσιών με ξεχωριστές απαιτήσεις: Ευρυζωνικές υπηρεσίες υψηλής ταχύτητας, ετερογενείς, εξαιρετικά αξιόπιστες, ασφαλείς και χαμηλής καθυστέρησης. Στα ασύρματα δίκτυα πέρα από το 5G (beyond 5G, B5G), οι δορυφορικές επικοινωνίες και γενικά τα μη-επίγεια δίκτυα θεωρούνται τεχνολογίες ενεργοποίησης λόγω της δυνατότητας παροχής παγκόσμιας κάλυψης, της συνδεσιμότητας απομακρυσμένων περιοχών, της επεκτασιμότητας και της ανθεκτικότητάς τους. Οι δορυφορικές τεχνολογίες είναι ήδη αρκετά ώριμες για ζεύξεις υποστήριξης (backhauling) και για εφαρμογές Διαδικτύου των Πραγμάτων κάνοντας χρήση δορυφόρων υψηλής ρυθμαπόδοσης στη ζώνη Ka (20/30 GHz). Επίσης, αρκετές εθνικές και πολυεθνικές διαστημικές υπηρεσίες συμμετέχουν στην εξερεύνηση του βαθέως διαστήματος, κοντά στη Γη, της Σελήνης και του Άρη και σχεδιάζουν και άλλες αποστολές. Η βελτιστοποίηση των δορυφορικών επικοινωνιών είναι ένας ακόμη σημαντικός τομέας στη βιομηχανία του νέου διαστήματος. Λόγω του περιορισμένου διαθέσιμου φάσματος, οι παραδοσιακές ζεύξεις ραδιοεπικοινωνιών (radio frequency, RF) αδυνατούν να παρέχουν τόσο υψηλή ρυθμαπόδοση. Η οπτική επικοινωνία ελευθέρου χώρου (free space optical, FSO) είναι μια εναλλακτική με ποικίλα πλεονεκτήματα έναντι της RF που έχει κερδίσει αυξημένη προσοχή στη δορυφορική κοινότητα. Ωστόσο, η FSO είναι ευάλωτη στις σοβαρές επιπτώσεις των ατμοσφαιρικών στροβιλισμών, των σφαλμάτων στόχευσης και των σπινθηρισμών. Η παρούσα Διατριβή επικεντρώνεται στην μελέτη των οπτικών δορυφορικών συστημάτων επικοινωνιών και ειδικότερα στην μοντελοποίηση του οπτικού διαύλου κάτω ζεύξης (downlink, DL) και στη βελτιστοποίηση της κατανομής ισχύος σε οπτικά δορυφορικά δίκτυα πολλαπλών εισόδων - εξόδων (multi-input multi-output, MIMO). Δίνεται έμφαση στα δυσμενή φαινόμενα που αντιμετωπίζει η δέσμη φωτός κατά τη διάδοση στη γήινη ατμόσφαιρα και στις τεχνικές άμβλυνσης των φαινομένων αυτών. Αρχικά, για την ακριβή πρόβλεψη του σπινθηρισμού έντασης ακτινοβολίας του DL οπτικού καναλιού αναπτύχθηκε μεθοδολογία που παράγει χρονοσειρές με χρήση στοχαστικών διαφορικών εξισώσεων η οποία επικυρώθηκε και επιβεβαιώθηκε ως προς τα στατιστικά πρώτης και δεύτερης τάξης (συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας, αθροιστική συνάρτηση κατανομής, φασματική πυκνότητα ισχύος) με πειραματικά δεδομένα. Στη συνέχεια, εξετάζονται σενάρια αμιγώς οπτικών δορυφορικών συστημάτων ΜΙΜΟ και προτείνονται αλγόριθμοι βέλτιστης και αποδοτικής εκχώρησης ισχύος. Το κύριο πρόβλημα διατυπώνεται ως κυρτό πρόβλημα βελτιστοποίησης με περιορισμούς μέγιστης επιτρεπτής εκπομπής ισχύος με σκοπό την μεγιστοποίηση της χωρητικότητας και κατόπιν αποσυντίθεται σε ανεξάρτητα κυρτά υποπροβλήματα. Η όλη προτεινόμενη μεθοδολογία είναι βασισμένη στον αλγόριθμο υδροπλήρωσης και ικανοποιεί τις συνθήκες Karush-Kuhn-Tucker. Επίσης, διερευνάται ο βέλτιστος έλεγχος ισχύος σε υβριδικά δορυφορικά δίκτυα (χρήση επιγείου relay). Θεωρείται η οπτική DL ζεύξη αποκωδικοποίησης-και-προώθησης διπλής αναπήδησης για μια γεωστατική δορυφορική πηγή. Λαμβάνονται υπόψη η χωρική συσχέτιση, οι μήτρες και συντελεστές συσχέτισης. Ακόμη, το πρόβλημα βελτιστοποίησης ισχύος διατυπώνεται και επιλύεται μη-γραμμικά για σχήματα υβριδικής αυτόματης αίτησης επανεκπομπής σε χαμηλής τροχιάς δορυφόρους. Ακολούθως, το πρόβλημα βελτιστοποίησης ισχύος ενσωματώνει τα σφάλματα στόχευσης και προτείνεται εύρωστη μεθοδολογία για την αντιμετώπιση της αβεβαιότητας της οπτικής διακύμανσης. Τέλος, η Διατριβή ολοκληρώνεται με την μελέτη αλγορίθμων νευρωνικών δικτύων, μηχανικής, βαθιάς και ενισχυτικής μάθησης. Προτείνεται αλγόριθμος χωρίς μοντέλο που με ακρίβεια προβλέπει τη βέλτιστη κατανομή ισχύος σε κάθε οπτικό κανάλι.