Publication: Site Diversity in Downlink Optical Satellite Networks Through Ground Station Selection
Loading...
Date
Advisor
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE)
Type
Abstract
Los avances recientes han demostrado que la comunicación por satélite (SatCom) será un habilitador importante para las redes terrestres de próxima generación, ya que puede proporcionar numerosas ventajas, incluida la cobertura global, la conectividad de alta velocidad, la confiabilidad y el despliegue instantáneo. Una alternativa ideal para los satélites de radiofrecuencia (RF) es su contraparte óptica de espacio libre (FSO). FSO o láser SatCom pueden mitigar los problemas que ocurren en RF SatCom, al tiempo que proporcionan ventajas importantes, que incluyen una masa reducida, un menor consumo, un mejor rendimiento y menores costos. Además, el SatCom láser es inherentemente resistente a interferencias, intercepciones e interferencias. Debido a estos beneficios, este documento se centra en el SatCom láser de enlace descendente, donde se selecciona la mejor estación terrestre (GS) entre numerosos candidatos para proporcionar conectividad confiable y diversidad de sitios. Para cuantificar el rendimiento del esquema propuesto, derivamos la probabilidad de interrupción de forma cerrada y las expresiones de capacidad ergódica para dos escenarios de implementación de GS prácticos diferentes. A partir de entonces, se realiza un análisis asintótico para obtener el orden general de diversidad del sitio, y se estudia el promedio de apertura para ilustrar el impacto del diámetro de la abertura en el rendimiento general. Además, investigamos el orden de diversidad del sitio para una constelación de satélites que se comunican con el mejor GS mediante el uso de una programación oportunista. Finalmente, se describen pautas de diseño importantes que pueden ser útiles en el diseño de SatComs láser prácticos.
Les progrès récents ont montré que la communication par satellite (SatCom) sera un catalyseur important pour les réseaux terrestres de prochaine génération, car elle peut offrir de nombreux avantages, notamment une couverture mondiale, une connectivité à haut débit, une fiabilité et un déploiement instantané. Une alternative idéale pour les satellites radiofréquence (RF) est son homologue optique en espace libre (FSO). FSO ou laser SatCom peuvent atténuer les problèmes survenant dans RF SatCom, tout en offrant des avantages importants, notamment une masse réduite, une consommation réduite, un meilleur débit et des coûts réduits. En outre, le SatCom laser est intrinsèquement résistant au brouillage, à l'interception et aux interférences. En raison de ces avantages, cet article se concentre sur le SatCom laser en liaison descendante, où la meilleure station au sol (GS) est sélectionnée parmi de nombreux candidats pour fournir une connectivité fiable et une diversité de sites. Pour quantifier la performance du schéma proposé, nous dérivons des expressions de probabilité de panne de forme fermée et de capacité ergodique pour deux scénarios de déploiement de GS pratiques différents. Par la suite, une analyse asymptotique est effectuée pour obtenir l'ordre global de diversité du site, et la moyenne d'ouverture est étudiée pour illustrer l'impact du diamètre d'ouverture sur la performance globale. En outre, nous étudions l'ordre de diversité du site pour une constellation de satellites qui communiquent avec le meilleur GS en utilisant une planification opportuniste. Enfin, des directives de conception importantes qui peuvent être utiles dans la conception de SatComs laser pratiques sont décrites.
Recent advances have shown that satellite communication (SatCom) will be an important enabler for next generation terrestrial networks as it can provide numerous advantages, including global coverage, high speed connectivity, reliability, and instant deployment. An ideal alternative for radio frequency (RF) satellites is its free-space optical (FSO) counterpart. FSO or laser SatCom can mitigate the problems occurring in RF SatCom, while providing important advantages, including reduced mass, lower consumption, better throughput, and lower costs. Furthermore, laser SatCom is inherently resistant to jamming, interception, and interference. Owing to these benefits, this paper focuses on downlink laser SatCom, where the best ground station (GS) is selected among numerous candidates to provide reliable connectivity and site diversity. To quantify the performance of the proposed scheme, we derive closed-form outage probability and ergodic capacity expressions for two different practical GS deployment scenarios. Thereafter, asymptotic analysis is conducted to obtain the overall site diversity order, and aperture averaging is studied to illustrate the impact of aperture diameter on the overall performance. Furthermore, we investigate the site diversity order for a constellation of satellites that are communicating with the best GS by using opportunistic scheduling. Finally, important design guidelines that can be useful in the design of practical laser SatComs are outlined.
أظهرت التطورات الحديثة أن الاتصالات عبر الأقمار الصناعية (SatCom) ستكون عاملاً تمكينياً مهماً للشبكات الأرضية من الجيل التالي لأنها يمكن أن توفر العديد من المزايا، بما في ذلك التغطية العالمية والاتصال عالي السرعة والموثوقية والنشر الفوري. البديل المثالي لأقمار الترددات الراديوية (RF) هو نظيره البصري في الفضاء الحر (FSO). يمكن لـ FSO أو LASER SatCom التخفيف من المشاكل التي تحدث في RF SatCom، مع توفير مزايا مهمة، بما في ذلك انخفاض الكتلة، وانخفاض الاستهلاك، وإنتاجية أفضل، وانخفاض التكاليف. علاوة على ذلك، فإن ساتكوم بالليزر مقاوم بطبيعته للتشويش والاعتراض والتداخل. نظرًا لهذه الفوائد، تركز هذه الورقة على اتصالات الأقمار الصناعية بالليزر الهابطة، حيث يتم اختيار أفضل محطة أرضية (GS) من بين العديد من المرشحين لتوفير اتصال موثوق وتنوع الموقع. لتحديد أداء المخطط المقترح، نستمد احتمالية انقطاع النموذج المغلق وتعبيرات السعة الإرجودية لسيناريوهين عمليين مختلفين لنشر GS. بعد ذلك، يتم إجراء تحليل مقارب للحصول على ترتيب التنوع العام للموقع، ويتم دراسة متوسط الفتحة لتوضيح تأثير قطر الفتحة على الأداء العام. علاوة على ذلك، نقوم بالتحقيق في ترتيب تنوع الموقع لمجموعة من الأقمار الصناعية التي تتواصل مع أفضل GS باستخدام الجدولة الانتهازية. أخيرًا، تم تحديد إرشادات التصميم المهمة التي يمكن أن تكون مفيدة في تصميم اتصالات الأقمار الصناعية بالليزر العملية.
Les progrès récents ont montré que la communication par satellite (SatCom) sera un catalyseur important pour les réseaux terrestres de prochaine génération, car elle peut offrir de nombreux avantages, notamment une couverture mondiale, une connectivité à haut débit, une fiabilité et un déploiement instantané. Une alternative idéale pour les satellites radiofréquence (RF) est son homologue optique en espace libre (FSO). FSO ou laser SatCom peuvent atténuer les problèmes survenant dans RF SatCom, tout en offrant des avantages importants, notamment une masse réduite, une consommation réduite, un meilleur débit et des coûts réduits. En outre, le SatCom laser est intrinsèquement résistant au brouillage, à l'interception et aux interférences. En raison de ces avantages, cet article se concentre sur le SatCom laser en liaison descendante, où la meilleure station au sol (GS) est sélectionnée parmi de nombreux candidats pour fournir une connectivité fiable et une diversité de sites. Pour quantifier la performance du schéma proposé, nous dérivons des expressions de probabilité de panne de forme fermée et de capacité ergodique pour deux scénarios de déploiement de GS pratiques différents. Par la suite, une analyse asymptotique est effectuée pour obtenir l'ordre global de diversité du site, et la moyenne d'ouverture est étudiée pour illustrer l'impact du diamètre d'ouverture sur la performance globale. En outre, nous étudions l'ordre de diversité du site pour une constellation de satellites qui communiquent avec le meilleur GS en utilisant une planification opportuniste. Enfin, des directives de conception importantes qui peuvent être utiles dans la conception de SatComs laser pratiques sont décrites.
Recent advances have shown that satellite communication (SatCom) will be an important enabler for next generation terrestrial networks as it can provide numerous advantages, including global coverage, high speed connectivity, reliability, and instant deployment. An ideal alternative for radio frequency (RF) satellites is its free-space optical (FSO) counterpart. FSO or laser SatCom can mitigate the problems occurring in RF SatCom, while providing important advantages, including reduced mass, lower consumption, better throughput, and lower costs. Furthermore, laser SatCom is inherently resistant to jamming, interception, and interference. Owing to these benefits, this paper focuses on downlink laser SatCom, where the best ground station (GS) is selected among numerous candidates to provide reliable connectivity and site diversity. To quantify the performance of the proposed scheme, we derive closed-form outage probability and ergodic capacity expressions for two different practical GS deployment scenarios. Thereafter, asymptotic analysis is conducted to obtain the overall site diversity order, and aperture averaging is studied to illustrate the impact of aperture diameter on the overall performance. Furthermore, we investigate the site diversity order for a constellation of satellites that are communicating with the best GS by using opportunistic scheduling. Finally, important design guidelines that can be useful in the design of practical laser SatComs are outlined.
أظهرت التطورات الحديثة أن الاتصالات عبر الأقمار الصناعية (SatCom) ستكون عاملاً تمكينياً مهماً للشبكات الأرضية من الجيل التالي لأنها يمكن أن توفر العديد من المزايا، بما في ذلك التغطية العالمية والاتصال عالي السرعة والموثوقية والنشر الفوري. البديل المثالي لأقمار الترددات الراديوية (RF) هو نظيره البصري في الفضاء الحر (FSO). يمكن لـ FSO أو LASER SatCom التخفيف من المشاكل التي تحدث في RF SatCom، مع توفير مزايا مهمة، بما في ذلك انخفاض الكتلة، وانخفاض الاستهلاك، وإنتاجية أفضل، وانخفاض التكاليف. علاوة على ذلك، فإن ساتكوم بالليزر مقاوم بطبيعته للتشويش والاعتراض والتداخل. نظرًا لهذه الفوائد، تركز هذه الورقة على اتصالات الأقمار الصناعية بالليزر الهابطة، حيث يتم اختيار أفضل محطة أرضية (GS) من بين العديد من المرشحين لتوفير اتصال موثوق وتنوع الموقع. لتحديد أداء المخطط المقترح، نستمد احتمالية انقطاع النموذج المغلق وتعبيرات السعة الإرجودية لسيناريوهين عمليين مختلفين لنشر GS. بعد ذلك، يتم إجراء تحليل مقارب للحصول على ترتيب التنوع العام للموقع، ويتم دراسة متوسط الفتحة لتوضيح تأثير قطر الفتحة على الأداء العام. علاوة على ذلك، نقوم بالتحقيق في ترتيب تنوع الموقع لمجموعة من الأقمار الصناعية التي تتواصل مع أفضل GS باستخدام الجدولة الانتهازية. أخيرًا، تم تحديد إرشادات التصميم المهمة التي يمكن أن تكون مفيدة في تصميم اتصالات الأقمار الصناعية بالليزر العملية.
Description
Subject
Signal Processing (eess.SP), Telecommunications link, Free-Space Optical Communication, Aerospace Engineering, FOS: Mechanical engineering, Engineering, Agile Satellite Scheduling, Optical Communication Networks and Energy Efficiency, Satellite Communication Networks and Systems, FOS: Electrical engineering, electronic engineering, information engineering, free-space optical communication, Electrical Engineering and Systems Science - Signal Processing, Electrical and Electronic Engineering, Spectrum Allocation, Laser satellite communication, Antenna diversity, Optical Wireless Communication Systems and Technologies, Computer network, Electronic engineering, Diversity scheme, atmospheric turbulence and attenuation, Geology, FOS: Earth and related environmental sciences, Diversity gain, Remote sensing, Satellite Communications, site diversity, Computer science, Diversity combining, TK1-9971, Fading, Physical Sciences, Telecommunications, Wireless, Electrical engineering. Electronics. Nuclear engineering, Decoding methods