Estudio, diseño e implementación del enlace ascendente de comunicaciones NVIS multiportadora de baja potencia y diversidad de polarización

Abstract

Cada dia el nombre de dispositius IoT (Internet of Things) és major, apareixent conseqüentment nous protocols i tecnologies radio enfocades a la comunicació d'aquesta mena de dispositius segons les seves necessitats. En el cas de dispositius RIoT (Remote Internet of Things) que es troben en zones molt allunyades d'infraestructures de telecomunicacions o que l'orografia no permet la visió directa entre transmissor i receptor, les comunicacions per satèl·lit i HF (High Frequency) són opcions que poden garantir l'enllaç. En el cas de les comunicacions HF, són una alternativa de baix cost degut a les característiques de propagació de les seves ones capaces de ser reflectides per la ionosfera abastant milers de quilòmetres. A pesar que la banda d'ús (3-30 MHz) es troba molt per sota de la satel·litària, són una opció vàlida per a l'amplada de banda requerida en dispositius RIoT. Respecte als estàndards de les comunicacions HF podem destacar el MIL-STD-188-110D i el STANAG 4539, els quals varien la modulació i l'amplada de banda segons la velocitat de bits requerida. Aquest tipus d'estàndards són genèrics per als subtipus d'enllaços HF: DX (Distance X) per a enllaços superiors a 250 km i NVIS (Near Vertical Incidence Skywave) per a enllaços menors a 250 km. A causa de les diferències en els paràmetres del canal entre tots dos subtipus d'enllaços, els estàndards actuals poden ser més robustos si es basen en un únic subtipus d'enllaç. Per això, a través d'aquesta tesi doctoral, s'ha caracteritzat el canal ionosfèric NVIS a la regió polar antàrtica amb la finalitat de definir un protocol de transmissió de la capa física el més delimitat a les característiques del canal. Amb tal propòsit, pel fet que les modulacions de banda estreta són susceptibles principalment al delay spread del canal es proposa l'ús de la modulació multiportadora OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) a causa del seu disseny capaç d’evitar el delay spread. Amb el propòsit de verificar els resultats, s'ha provat la OFDM dissenyada en un escenari real, mantenint la velocitat de bit i amplada de banda dels estàndards per a poder comparar la robustesa de la comunicació. A més, pel fet que els estàndards no estan enfocats a transmissions de potències molt baixes, en dispositius RIoT la gestió energètica és de gran importància pel fet que es troben fora de la xarxa elèctrica i requereixen altes autonomies energètiques. Per això la recerca s'ha centrat també en l'anàlisi de les modulacions de banda estreta i de la modulació OFDM a molt baixes potències (menors de 6 W). Finalment, per a augmentar més la robustesa de la modulació, s'ha analitzat el comportament de les modulacions de banda estreta i la modulació OFDM fent ús de tècniques de diversitat de polarització com SC (Selection Combining) i EGC (Equal-Gain Combining) en un enllaç SIMO (Single Input Multiple Output) per a rebre les ones ordinària i extraordinària.

Cada día el número de dispositivos IoT (Internet of Things) es mayor, apareciendo consecuentemente nuevos protocolos y tecnologías radio enfocadas a la comunicación de este tipo de dispositivos según sus necesidades. En el caso de dispositivos RIoT (Remote Internet of Things) que se encuentran en zonas muy alejadas de infraestructuras de telecomunicaciones o que la orografía no permite la visión directa entre transmisor y receptor, las comunicaciones por satélite y HF (High Frequency) son opciones que pueden garantizar el enlace. En el caso de las comunicaciones HF, son una alternativa de bajo coste debido a las características de propagación de sus ondas capaces de ser reflejadas por la ionosfera abarcando miles de kilómetros. A pesar de que la banda de uso (3-30 MHz) se encuentra muy por debajo de la satelital, son una opción válida para el ancho de banda requerido en dispositivos RIoT. Respecto a los estándares de las comunicaciones HF podemos destacar el MIL-STD-188-110D y el STANAG 4539, los cuales varían la modulación y el ancho de banda según la velocidad de bits requerida. Este tipo de estándares son genéricos para los subtipos de enlaces HF: DX (Distance X) para enlaces superiores a 250 km y NVIS (Near Vertical Incidence Skywave) para enlaces menores a 250 km. Debido a las diferencias en los parámetros del canal entre ambos subtipos de enlaces, los estándares actuales pueden ser más robustos si se basan en un único subtipo de enlace. Por ello, a través de esta tesis doctoral, se ha caracterizado el canal ionosférico NVIS en la región polar antártica con el fin de definir un protocolo de transmisión de la capa física lo más acotado a las características del canal. Con tal propósito, debido a que las modulaciones de banda estrecha son susceptibles principalmente al delay spread del canal se propone el uso de la modulación multiportadora OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) debido a su diseño capaz de evitar el delay spread. Con el propósito de verificar los resultados, se ha probado la OFDM diseñada en un escenario real, manteniendo la velocidad de bit y ancho de banda de los estándares para poder comparar la robustez de la comunicación. Además, debido a que los estándares no están enfocados a transmisiones de potencias muy bajas, en dispositivos RIoT la gestión energética es de gran importancia debido a que se encuentran fuera de la red eléctrica y requieren altas autonomías energéticas. Por ello la investigación se ha centrado también en el análisis de las modulaciones de banda estrecha y de la modulación OFDM a muy bajas potencias (menores de 6 W). Por último, para aumentar más la robustez de la modulación, se ha analizado el comportamiento de las modulaciones de banda estrecha y la modulación OFDM haciendo uso de técnicas de diversidad de polarización como SC (Selection Combining) y EGC (Equal-Gain Combining) en un enlace SIMO (Single Input Multiple Output) para recibir las ondas ordinaria y extraordinaria.

The number of IoT (Internet of Things) devices is increasing every day, and consequently new protocols and radio technologies are appearing focused on the communication of these types of devices according to their needs. In the case of RIoT (Remote Internet of Things) devices that are located in areas far away from telecommunications infrastructures or where the orography does not allow direct vision between transmitter and receiver, satellite and HF (High Frequency) communications are options that can guarantee the link. In the case of HF communications, they are a low-cost alternative due to the propagation characteristics of their waves, which are capable of being reflected by the ionosphere, covering thousands of kilometres. Although the band of use (3-30 MHz) is well below than the satellite, they are a valid option for the bandwidth required in RIoT devices. Regarding HF communications standards, we can highlight MIL-STD-188-110D and STANAG 4539, which vary the modulation and bandwidth according to the required bitrate. These standards are generic for HF link subtypes: DX (Distance X) for links above 250 km and NVIS (Near Vertical Incidence Skywave) for links below 250 km. Due to the differences in channel parameters between the two link subtypes, current standards can be more robust if they are based on a single link subtype. Therefore, through this PhD thesis, the NVIS ionospheric channel in the antarctic polar region has been characterised in order to define a physical layer transmission protocol as close as possible to the channel characteristics. For this purpose, due to the fact that narrowband modulations are mainly susceptible to the channel delay spread, the use of OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) multicarrier modulation is proposed due to its design to avoid the delay spread. In order to verify the results, the designed OFDM has been tested in a real scenario, maintaining the bitrate and bandwidth of the standards in order to compare the robustness of the communication. Furthermore, since the standards are not focused on very low power transmissions, in RIoT devices energy management is of great importance because they are off-grid and require high energy autonomy. Therefore, the research has also focused on the analysis of narrowband modulations and OFDM modulation at very low powers (less than 6 W). Finally, to further increase the robustness of the modulation, the behaviour of narrowband modulations and OFDM modulation has been analysed using polarisation diversity techniques such as SC (Selection Combining) and EGC (Equal-Gain Combining) in a SIMO (Single Input Multiple Output) link to receive ordinary and extraordinary waves.