Effects of space environment on path loss for stratospheric channels
Uzay ortamının stratosferik kanallar için yol kaybına etkisi
- Tez No: 863433
- Danışmanlar: PROF. DR. FUNDA AKLEMAN YAPAR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Bilişim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Uydu Haberleşmesi ve Uzaktan Algılama Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 67
Özet
Günümüzde 6. nesil (6G) ağlar her gecen gün gelişmekte ve bu alanda yapılan çalışmalar artmaktadır. Uzun yıllardır hedeflenmekte olan yüksek hızlı ve geniş kapsama alanına sahip iletişimin, Yüksek İrtifa Platform İstasyonları (HAPS, High Altitude Platform Stations) modellerinin geliştirilmesi ve yaygınlaştırılması ile birlikte mümkün olabileceği düşünülmüştür. HAPS, atmosferin 20 ile 50 km arasında konumlandırılması ve Alçak Dünya Yörüngesi (LEO, Low Earth Orbit) uyduları ile arasında elektromanyetik dalgaların iletilmesini sağlamak için aracı görevi görmesi tasarlanan tesislerdir. Elektromanyetik dalgalar HAPS ile LEO uyduları arasında yol alırken Dünya katmanlarından birisi olan iyonosfer boyunca ilerler. İyonosfer dünya atmosferinin üst katmanlarından birisidir ve deniz seviyesinin yaklaşık olarak 50 km yukarısından başlayarak, 1000 km yüksekliğe kadar devam ettiği kabul edilmiştir. Bu yükseklikler sıcaklık, uzay koşulları, mevsimsel etkiler ve benzerleri gibi birçok farklı faktörün etkisiyle değişebilmektedir. İyonosfer dünya atmosferinin iyonların ve serbest elektronların gözlemlendiği kısmıdır. Genel olarak uzay havası ya da ortamı olarak adlandırdığımız faktörler atmosferdeki moleküllerle etkileşime geçerek iyonlaşmalarına ya da elektronlarının serbest kalmasına neden olmaktadır. İyonlaşan moleküller ya da serbest kalan bu elektronlar ise elektromanyetik dalgaların yansımasına sebep olur. Son yıllarda 6G teknolojisinin gelişebilmesi için ortaya çıkan HAPS-LEO uydu modellerinin tasarımında en büyük soru işareti, iyonosferdeki serbest elektronların bu HAPS-LEO uydu modellerinin iyonosfer boyunca hareket edecek olan elektromanyetik dalgalar üzerine olan etkileridir. Bu çalışmada iyonosfer içerisindeki serbest elektron yoğunluğunu etkileyebilecek uzay havası/ortamı olarak adlandırılan faktörlerin hepsi incelenmiştir ve bunların iyonosfer boyunca yol alacak olan elektromanyetik dalga üzerinde neden olacağı yol kaybı analiz edilmiştir. Öncelikle uzay havası/ortamı kapsamı içerisinde yer almakta olan güneş aktiviteleri, kozmik ışınlar ve Dünya'nın manyetosferinin iyonosferdeki iyonlaşmaya ve serbest elektron yoğunluğuna olan etkileri araştırılmıştır. Yıldızlararası ortamdaki kozmik ışınlar çok yüksek enerjiye sahiptir ve kaynaklarının süpernova ve radyo galaksileri olduğu düşünülmektedir. Güneş rüzgârlarıyla Dünya'ya ulaşan yüklü parçacıklar, Dünya'nın manyetik alanıyla etkileşime girerek, Dünya çevresinde manyetosfer adı verilen gözyaşı damlası ，seklinde bir manyetik alan oluşturur. Bu manyetik alanın en dış sınırı manyetopoz adı verilen elektriksel bir katmandır. Manyetosferdeki plazma bölgeleri, akımlar ve manyetik alanlar ile bu akımların zaman içinde değişmesi sonucu ortaya çıkan manyetik fırtınalar, uzay araçlarına ciddi zararlar vermektedir. Buna rağmen iyonosferdeki serbest elektron yoğunluğuna, manyetosferin etkisinin görmezden gelinebilecek kadar küçük olduğu gözlemlenmiştir. Bütün uzay ortamı etkileri göz önüne alındığında uydu iletişiminde görülen anormalliklerin temel nedeni, Dünya'ya en yakın yıldız olan Güneş'te yaşanan olaylardır. Güneş'teki püskürme ve koronal kütle püskürmeleri sonucu yayılan radyasyon yüklü parçacıklar Dünya'ya yaklaştıklarında, dünya atmosferinin yapısını değiştirirler. Özellikle iyonosfer içerisindeki iyonlaşmanın ve serbest elektronların temel nedeni bu radyasyon yüklü parçacıklardır. Güneş aktivitelerindeki yoğunluk 11 yıllık bir dönem ile artıp azalmaktadır. Bu döneme güneş döngüsü denir. Güneş aktivitesinin zirve yaptığı dönemlerde iyonosferdeki iyonlaşmanın ve dolayısıyla elektron yoğunluğunun arttığı gözlenmektedir. Bu çalışmada yüksek güneş aktivitesinin HAPS-LEO uydu modelleri üzerindeki etkilerine odaklanılmıştır. Yüksek güneş aktivitesinin HAPS-LEO uydu modellerinin iyonosferi boyunca ilerleyen elektromanyetik dalgaların zayıflaması üzerindeki etkileri göz önüne alındığında, bu etkilerin göz ardı edilemeyecek düzeyde olması beklenmektedir. Bu çalışmada belli bir HAPS- LEO uydu modeli göz önüne alınmış ve tek bir model kullanılarak yüksek ve düşük güneş aktivitesi gözlemlenen dönemler için yol kaybı analizlerinin karşılaştırmalı sonuçlarını ortaya koymak hedeflenmiştir. Bu amaçla kullanılan modeldeki HAPS deniz seviyesinden 20 km yükseklikte konumlandırılırken, LEO uydusu 1500 km yükseklikte kabul edilmiştir. Bu nedenle yapılan bütün hesaplamalarda, elektromanyetik dalgaların deniz seviyesine göre 20 km ile 1500 km arasında alacağı yol dikkate alınmıştır. İyonosfer içerisindeki serbest elektronlar, elektromanyetik dalgaların yansıtılmasına ve emilmesine neden olur. Elektromanyetik dalgaların zayıflaması iletişimde kayıplar anlamına gelir. Bu çalışmada iyonosferde yayılan elektromanyetik dalgaların yol kaybını hesaplamak için yol kaybı matematiksel olarak modellenmiştir ve bu alanda bilinen en yaygın matematiksel model olan Appleton-Hartree modelinden yararlanılmıştır. Karmaşık dalga sayısının sanal kısmı ki, elektromanyetik dalganın zayıflaması ile ilişkili bir büyüklük olup, yol kaybının hesabına doğrudan etki eder. Karmaşık dalga sayısının ifadesinde en önemli parametrelerde birisi kırılma indisidir. Appleton-Hartree model iyonosfer katmanı içerisinde ilerleyen elektromanyetik dalgalar için kırılma indisini en iyi ifade eden matematiksel modellerden birisidir. Kırılma indisinin matematiksel ifadesindeki en önemli parametrelerden birisi ise plazma frekansıdır ve plazma frekansının matematiksel ifadesi için ise en bilinen matematiksel modellerden biri olan Chapman modelinden yararlanılmıştır. Bu modellerden yararlanılarak ortaya çıkartılan ve iyonosfer boyunca yayılan elektromanyetik dalganın yol kaybını ifade eden matematiksel modeldeki diğer önemli parametreler ise iyonosferdeki elektron çarpışma frekansı ve hedeflenen çalışma frekansıdır. İyonosfer içerisindeki elektron çarpışma frekansı için kaynak taraması yapılmış ve bu konuda yapılmış birçok kaynak bulunmuştur. Bu kaynaklardan bazıları ölçüm verilerine bazıları ise matematiksel modeller kullanılarak yapılan hesaplamalara dayanmaktadır. En doğru veriyi elde edebilmek için elektron çarpışma frekans verilerini ortaya koyan beş farklı kaynak seçilmiş ve bu kaynaklardaki elektron çarpışma frekanslarının belli yükseklik aralıklarındaki ortalamaları hesaplanmıştır. Bu çalışmamızdaki modele göre, elektromanyetik dalganın 20 km ile 1500 km arasında ilerleyecek olması dikkate alınarak, 40 - 500 km aralığında belirli kilometre aralıkları için elektron çarpışma frekansının ortalaması hesaplanmıştır. Deniz seviyesinden 40 km yüksekliğe kadar atmosferde iyonlaşma görülmediğinden, elektron çarpışma frekansı verisi bulunmamaktadır. Deniz seviyesinden 500 kilometrenin üzerindeki yüksekliklerde ise elektron çarpışma frekansı sıfıra oldukça yakındır ve görmezden gelinebilir. Bu nedenle 500 - 1500 km arasında elektron çarpışma frekansı sıfır olarak kabul edilmiştir. Hesaplamalarda kullanılacak çalışma frekansları olarak ise WRC-97 (WRC: World Radiocommunication Conference – Dünya Radyokomünikasyon Konferansı), WRC-2000 ve WRC-12'de HAPS sistemlerinin çalışma frekansı olarak kararlaştırılmış 47/48 GHz, 2 GHz, 27/31 GHz ve 6 GHz belirlenmiştir. Her bir frekans değeri için hesaplama yapılmış ve karşılaştırmalı sonuçları ortaya konulmuştur. Bu çalışmada ortaya konan ve iyonosfer boyunca yayılan elektromanyetik dalganın yol kaybını ortaya koyan matematiksel ifadenin diğer önemli parametreleri Toplam Elektron İçeriği/Birimi (TEC, Total Electron Content) ve zenit görüş acısıdır. TEC bir metrekarelik silindir boyunca iki nokta arasındaki toplam elektron sayısını göstermektedir. Yani doğrudan iyonosferin elektron yoğunluğuna ve belirlenen iki noktanın mesafesine bağlıdır. Daha önce de belirtildiği üzere IRI-2020 modelinden yararlanılarak Dünya üzerinde farklı konumlara sahip İstanbul, Oslo ve Rio De Janeiro şehirlerinin 1 Aralık 2001 tarihi ve 14:00 yerel saatindeki TEC değerleri kullanılarak yol kayıpları hesaplanmıştır. 1 Aralık 2001 tarihi, 11 yıllık güneş döngüsünde güneş aktivitelerinin en yoğun olarak gözlemlendiği günlerden birisidir. 14:00 yerel saati yine güneş aktivitelerinin en yoğun gözlemlendiği saat olarak seçilmiştir. Sonuçlar göstermektedir ki yüksek güneş aktivitesi sırasında 6 GHz çalışma frekansında Oslo'da 5.2 dB, Rio De Janeiro'da 4.5 dB, İstanbul'da ise 3.7 dB'e kadar yol kayıpları görülmektedir. Çalışma frekansı arttıkça yol kayıpları azalmakta, her üç şehir için 15 GHz'in üzerindeki çalışma frekanslarında 1 dB'in altına düşmektedir. Ayrıca güneş aktivitelerinin yoğun olduğu zamanlar ile olmadığı zamanlardaki yol kaybının karşılaştırılabilmesi adına 30 Temmuz 2020 tarihi ve 14:00 saatinde İstanbul için hesaplamalar tekrarlanmış ve bu iki tarihin karşılaştırmalı sonuçları gösterilmiştir. Düşük güneş aktivitelerinin gözlemlendiği tarih olan 30 Temmuz 2020 tarihinde yol kaybı en yüksek değerini aldığı 6 GHz çalışma frekansında dahi 1 dB'in altındadır. Buna ek olarak gün içerisinde değişen güneş aktivitelerinin yol kaybına etkisini görebilmek için yine İstanbul'un 1 Aralık 2001 tarihi ve de 19:00 ve 04:00 saatlerindeki verileri kullanılarak hesaplamalar tekrarlanmıştır. 19:00 yerel saatinde yine en yüksek yol kaybının görüldüğü 6 GHz çalışma frekansında 1.5 dB yol kaybı görülürken, 04:00'da kayıp 1 dB'in de altına düşmektedir. Bütün hesaplamalar sırasında zenit acısı 30 derece olarak kabul edilmiştir. Son olarak Güneş'in zenit açısının yol kaybına etkisini görebilmek için İstanbul, şehrinin 1 Aralık 2001 14:00 yerel saatindeki hesaplamalar 1 – 45 derece arasındaki bütün zenit görüş açısı değerleri için tekrarlanmıştır. Bu çalışma sırasında iyonosfer boyunca yayılan elektromanyetik dalganın yol kaybının çalışma frekansına, elektron çarpışma frekansına, iyonosferin elektron yoğunluğuna, zenit açısına ve güneş zenit acısına bağlı olduğu gözlemlenmiştir. Bu parametreler ve elde edilen sonuçlar dikkate alınarak HAPS-Uydu kanalları modellenirken yol kaybının en aza indirilmesi amaçlanabilir. Bu çalışmalar sırasında manyetik etkiler ihmal edilmiştir. Bu çalışmada kullanılan modelin ve benzer modellerin manyetik etkilerin yüksek olduğu dönemlerde nasıl etkileneceği bilinmemektedir. Daha iyi modelleme için gerekli verileri sağlamak amacıyla gelecekteki çalışmalar bu konuya odaklanabilir.
Özet (Çeviri)
Today, 6th generation (6G) networks are being developed, and the number of studies in this field is increasing. It is thought that high-speed and wide-coverage communication, which has been targeted for many years, will be possible with the development and dissemination of High Altitude Platform Stations (HAPS) models. HAPS are facilities designed to be positioned between 20 and 50 km above the sea level and serve as an intermediary to transmit electromagnetic waves between Low Earth Orbit (LEO) satellites. As electromagnetic waves travel between HAPS and LEO satellites, they progress through the ionosphere, one of the Earth's layers. The ionosphere is one of the upper layers of the earth's atmosphere and is considered to start at approximately 50 km above the sea level and continue up to an altitude of 1000 km. These altitudes can change under the effects of many different factors, such as temperature, space weather conditions, and seasonal effects. The ionosphere is the part of the Earth's atmosphere where ions and free electrons are observed. Factors that we generally call space weather or the environment interact with molecules in the atmosphere and cause them to ionize or release their electrons. These ionized molecules, or released electrons, cause the reflection of electromagnetic waves. The biggest question mark in the design of HAPS-LEO satellite models that have emerged in recent years for the development of 6G technology is the effects of free electrons in the ionosphere on the electromagnetic waves of these HAPS-LEO satellite models that will move through the ionosphere. Since the density of free electrons in the ionosphere depends on many different parameters, detailed and comparative analyses are needed to predict and draw definitive conclusions on their effects. In this study, all the factors related to space weather or space environment that may affect the free electron density in the ionosphere are examined, and the path loss they will cause on the electromagnetic wave that will travel through the ionosphere is analyzed. First of all, the effects of solar activities, cosmic rays, and the Earth's magnetosphere on ionization and free electron density in the ionosphere, which are within the scope of space weather, are investigated. Cosmic rays in the interstellar medium have very high energy, and their sources are thought to be supernovae and radio galaxies. Although they have high energy, their effect on the free electron density in the ionosphere is not very large and was not taken into account in this study. Charged particles reaching the Earth with solar winds interact with the Earth's magnetic field, creating a teardrop-shaped magnetic field around the Earth called the magnetosphere. The outermost boundary of this magnetic field is an electrical layer called the magnetopause. The magnetopause is the place where the dynamic pressure of the solar-wind plasma and the static pressure of the geomagnetic field are balanced. Plasma regions, currents, and magnetic fields in the magnetosphere, and magnetic storms that occur as a result of the change of these currents over time, cause serious damage to spacecraft. However, it has been observed that the effect of the magnetosphere on the free electron density in the ionosphere is so small that it can be ignored. Considering all space environment effects, the main reason for the anomalies seen in satellite communications is the events occurring on the Sun, the closest star to Earth. When radiation-laden particles emitted as a result of solar eruptions and coronal mass ejections approach the earth, they change the structure of the Earth's atmosphere. In particular, these radiation-charged particles are the main cause of ionization and free electrons in the ionosphere. The intensity of solar activities increases and decreases over a period of 11 years. This period is called the solar cycle. It is observed that during periods of peak solar activity, ionization and, therefore, electron density in the ionosphere increase. In this study, the effects of space junk on satellite communication were also considered, and literature research was conducted to see the possible effects. This study focused on the effects of high solar activity on HAPS-LEO satellite models. Considering the effects of high solar activity on the attenuation of electromagnetic waves propagating through the ionosphere of the HAPS-LEO satellite models, these effects cannot be ignored. A specific HAPS-LEO satellite model is designed, and it is aimed to reveal the comparative results of path loss analyses for periods of high and low solar activity by using a single model. In the model used in this study, HAPS is positioned at an altitude of 20 km above the sea level, while the LEO satellite is positioned at an altitude of 1500 km. For this reason, all calculations were made taking into account that electromagnetic waves will travel between 20 and 1500 km above the sea level. Free electrons within the ionosphere cause electromagnetic waves to be reflected and absorbed. The weakening of electromagnetic waves means losses in communication. In this study, the path loss was modeled mathematically to calculate the path loss of electromagnetic waves propagating in the ionosphere, and the Appleton-Hartree model, the most common mathematical model known in this field, was used. In the generally known expression of path loss, its magnitude in decibels is expressed as the ratio of the received electric field magnitude to the transmitted electric field magnitude. In other words, the imaginary part of the complex wave number, k_i, represents the attenuation of the electromagnetic wave, that is, the path loss. One of the most important parameters for expressing the complex wave number is the refractive index. The Appleton-Hartree model is one of the mathematical models that best expresses the refractive index for electromagnetic waves traveling through the ionosphere. One of the most important parameters in the mathematical expression of the refractive index is the plasma frequency, and the Chapman model, one of the most well-known mathematical models, was used for the mathematical expression of the plasma frequency. In order to obtain comparative results, plasma frequency data on selected dates and in certain cities were taken from the International Reference Ionosphere (IRI-2020) model. Other important parameters in the mathematical model that express the path loss of the electromagnetic wave propagating throughout the ionosphere are the electron collision frequency in the ionosphere and the targeted operating frequency. A literature search was conducted for the electron collision frequency in the ionosphere, and many resources on this subject were found. Some of these sources are based on measurement data, and some are based on calculations made using mathematical models. In order to obtain the most accurate data, five different sources providing electron collision frequency data were selected, and the averages of electron collision frequencies in these sources in certain altitude ranges were calculated. According to the model in our study, the average electron collision frequency was calculated for certain ranges of kilometers between 40 km and 500 km, taking into account that the electromagnetic wave will travel between 20 km and 1500 km. Since ionization is not observed in the atmosphere up to an altitude of 40 km above the sea level, there is no electron collision frequency data. At altitudes above 500 kilometers above the sea level, the electron collision frequency is very close to zero and can be ignored. For this reason, the electron collision frequency between 500 km and 1500 km was accepted as zero. These average electron collision frequencies for each kilometre interval were used directly in calculating the results in our study. The operating frequencies to be used in the calculations are 47/48 GHz, 2 GHz, 27/31 GHz, and 6 GHz, which were decided as the operating frequencies of HAPS systems in WRC-97 (WRC: World Radiocommunication Conference), WRC-2000, and WRC-12 has been determined. Calculations were made for each frequency value, and comparative results were presented. Two important parameters of the mathematical expression put forward in this study, which reveals the path loss of the electromagnetic wave propagating through the ionosphere, are the total electron content (TEC) value and the viewing zenith angle. TEC is calculated by integrating the total number of electrons between two points along a one-square-meter cylinder. That is, it directly depends on the electron density of the ionosphere and the distance between two determined points. As mentioned before, using the IRI-2020 model, path losses were calculated using the TEC values of the cities of Istanbul, Oslo, and Rio de Janeiro, which are located in different locations around the world, on December 1, 2001, and at 14:00 local time. December 1, 2001, is one of the days when the highest solar activity is observed in the 11-year solar cycle. 14:00 local time was again chosen as the hour when the highest solar activities are observed. The results show that during high solar activity, path losses of up to 5.2 dB in Oslo, 4.5 dB in Rio de Janeiro, and 3.7 dB in Istanbul are observed at the 6 GHz operating frequency. As the operating frequency increases, path losses decrease below 1 dB at operating frequencies above 15 GHz for all three cities. In addition, in order to compare the path loss when solar activities are high and low, the calculations were repeated for Istanbul, Oslo, and Rio de Janeiro on July 30, 2020, at 14:00, and the comparative results of these two dates are shown. On July 30, 2020, the date when low solar activities were observed, the path loss was below 1 dB even at the 6 GHz operating frequency, where it reached its highest value. In addition, in order to see the effect of changing solar activities during the day on path loss, the calculations were repeated using the data from Istanbul on December 1, 2001, and at 19:00 and 04:00. At 19:00 local time, a path loss of 1.5 dB is observed at the 6 GHz operating frequency, where the highest path loss is observed, while at 04:00 the loss decreases below 1 dB. During all calculations, the viewing zenith angle was accepted as 30 degrees. Finally, in order to see the effect of the viewing zenith angle on path loss, the calculations of the city of Istanbul on December 1, 2001, at 14:00 local time were repeated for all viewing zenith angle values between 1 degree and 45 degrees. The results show that as the 45-degree angle is approached, the path loss increases. During this study, it was observed that the path loss of the electromagnetic wave propagating through the ionosphere depends on the operating frequency, electron collision frequency, electron density of the ionosphere, viewing zenith angle, and solar viewing zenith angle. By taking these parameters and the results obtained into account, it can be aimed at minimizing path loss when modeling HAPS-LEO satellite channels. Magnetic effects are neglected during these studies. It is not known how the model used in this study and similar models will be affected during periods when magnetic effects are high. Future studies could focus on this issue to provide the necessary data for better modeling.
Benzer Tezler
- 6N yüksek irtifa platform sistemleri için antipodal vivaldi anten tasarımı
Antipodal vivaldi antenna design for 6G high altitude platform system (HAPS)
ALİ ALPEREN KILIÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FUNDA AKLEMAN YAPAR
- Predictive and adaptive channel estimation models for cooperative wireless communications
İşbirlikli kablosuz haberleşme için öngörüsel ve adaptif kanal kestirim modelleri
OMAR GATERA
Doktora
İngilizce
2017
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET HAMDI KAYRAN
- Wireless channel modeling in the TVWS band based on measurements
TVBB Bantlarinda Ölçüme Dayali Kablosuz Kanal Modellerinin Çikarimi
MUHAMMAD HASHIR SYED
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Medipol ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği ve Siber Sistemler Ana Bilim Dalı
Assist. Prof. Dr. TUNÇER BAYKAŞ
- Kafes kodlamalı-dik kısmi yanıtlı sistemlerin )QPR-TCM) hata başarım analizi
Performance analysis of quadrature partiel response trellis coded modulation
OSMAN NURİ UÇAN
Doktora
Türkçe
1995
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. ERDAL PANAYIRCI