Oblique Sounding and HF Communication Techniques for Very Long Haul Ionospheric Links

Abstract

El sistema de comunicació ràdio d’alta freqüència (HF, en anglès) és usat arreu del món per agències governamentals i no governamentals sempre que calgui una alternativa a les comunicacions via satèl•lit: vaixells a alta mar, avions fora de cobertura de xarxes ràdio amb visió directa, operacions militars, zones on la infraestructura ha estat destruïda per algun tipus de desastre o bé zones llunyanes sense cap altre tipus de comunicació. La ràdio HF representa una alternativa, o un sistema de backup al satèl•lit per a comunicacions de llarg abast i en redueix els costos, evita la vulnerabilitat i els problemes de sobirania. En aquesta tesi s’ha estudiat l’enllaç HF entre la base antàrtica espanyola Juan Carlos I, situada a l’illa Livingston a l’arxipèlag de les Shetland del Sud, i Espanya. L’objectiu d’aquest treball és estudiar els problemes que afecten la propagació; és a dir, la relació senyal a soroll i interferència, la dispersió multicamí i la dispersió per efecte Doppler, i dissenyar la capa física d’un enllaç HF de baixa velocitat, poca potència i llarg abast. Pel que fa aquest últim punt es fan un parell de propostes: espectre eixamplat per seqüència directa (DSSS, en anglès) i multiplexació per divisió en freqüència ortogonal (OFDM, en anglès). El repte que es planteja és el de la definició de les característiques dels símbols que millor encaixen en aquest canal per tal d’obtenir un benefici de la diversitat temporal i freqüencial que ofereix el canal. Des de l’any 2003 diverses campanyes han permès estudiar aquest canal HF, però no va ser fins la campanya 2009/2010 que s’obtingué un foto de les característiques, diürnes i nocturnes, de la ionosfera. En els articles que es presenten en aquesta tesi hem estès el rang freqüencial d’estudi respecte a investigacions prèvies i hem mostrat diferències de comportament entre el dia i la nit. Hem usat els resultats de la caracterització del canal per a dissenyar i comparar la bondat dels símbols DSSS i OFDM. Ambdues possibilitats han resultat ser candidates a implementar l’enllaç HF entre l’Antàrtida i Espanya. Tot i així, ambdues tècniques representen visions diferents de la implementació del mòdem: mentre que DSSS obté bons resultats a baixa velocitat en entorns amb baixa relació senyal a soroll, OFDM aconsegueix tasses de velocitat més elevades en canals més benignes.

Los sistemas de radio de alta frecuencia (HF, en inglés) son usados por agencias gubernamentales y no gubernamentales en todo el mundo siempre que se necesite una alternativa a las comunicaciones por satélite: barcos en alta mar, aviones fuera del rango de cobertura de las redes radio de visión directa, operaciones militares, zonas donde la infraestructura ha sido destruida por algún desastre. Ésta ofrece una alternativa, o representa un sistema de backup, a las comunicaciones vía satélite, evitando los costes, la vulnerabilidad y los problemas de soberanía de las comunicaciones por satélite. En esta tesis se ha estudiado el enlace HF entre la base antártica española Juan Carlos I en la isla Livingston, en las Shetland del sur y España. El objetivo de este trabajo es el estudio de las limitaciones de la propagación ionosférica (como la relación señal a ruido e interferencia, la dispersión multicamino y la dispersión por efecto Doppler) y el diseño de la capa física de un enlace HF de baja velocidad, baja potencia y largo alcance. Se han estudiado un par de propuestas para este enlace, como son el espectro ensanchado por secuencia directa (DSSS, en inglés) y la multiplexación por división en frecuencia ortogonal (OFDM, en inglés). El reto ha sido definir las características que mejor se adecuan a este enlace para poder aprovechar la diversidad temporal y frecuencial que ofrece el canal HF. Desde el año 2003 diversas campañas de sondeo han permitido estudiar el canal HF pero no es hasta la campaña 2009/2010 que se consigue una fotografía de la actividad ionosférica tanto nocturna como diurna. En los artículos que se presentan en esta tesis hemos extendido los estudios previos a todo el rango de frecuencias HF y hemos mostrado las diferencias entre el día y la noche. Hemos usado estos resultados de caracterización del canal para diseñar y comparar símbolos DSSS y símbolos OFDM. Ambas posibilidades han resultado ser posibles candidatas para implementar un enlace HF de baja velocidad entre la Antártida y España. Sin embargo ambas técnicas representan dos aproximaciones distintas a la implementación del módem. Mientras que DSSS consigue un buen funcionamiento a baja velocidad en escenarios con baja relación señal a ruido, OFDM consigue tasas de transmisión más altas en escenarios más benignos.

High Frequency (HF) radio is used by governmental and non nongovernmental agencies worldwide whenever an alternative to satellites for sky wave communication is needed: ships at sea, aircraft out of range of line-of-sight radio networks, military operations, disaster areas with communication infrastructure destroyed or distant regions lacking other communications. It offers an alternative to satellites, or a backup, for long-haul communications, thus avoiding the costs, vulnerabilities and sovereignty concerns of satellite communications.

In this thesis the HF link between the Antarctic Spanish Station Juan Carlos I in Livingston Island, South Shetlands and Spain is studied. The aim of this study is to address the impairments that affect HF propagation (i.e., signal-to-noise plus interference ratio, multipath and Doppler shift and spread) and to design the physical layer of a low rate, low power and long-haul HF link. Some proposals regarding this last issue are addressed, i.e., direct sequence spread spectrum (DSSS) and orthogonal frequency division multiplexing (OFDM). The challenge is to define the symbol characteristics that best fit the link to benefit from time and frequency diversity that offers the HF channel.

Since 2003 several transmission campaigns have allowed to study the HF channel but it is not until the 2009/2010 campaign that we have achieved a whole picture of both diurnal and nocturnal ionospheric activity. In the papers presented in this thesis we have extended the previous research to the whole range of HF frequencies and we have shown the differences on performance between day and night. We have used the results from channel characterization to design and compare the performance of DSSS and OFDM symbols. Both techniques have turned out to be possible candidates to implement a low rate HF link between Antarctica and Spain. However, both techniques stand for different approaches of the modem: DSSS achieves good performance at low data rate in low SNR scenarios, whereas OFDM achieves higher data rate in benign channels