Physical uplink layer for NVIS remote sensor networks in hostile channels

Abstract

L'objectiu d'aquesta tesi és estudiar i millorar la capa física d'un sistema NVIS, amb la finalitat d'utilitzar aquesta tecnologia dins d'un ecosistema de sensors remots sobre canals hostils. La tesi s'ha desenvolupat en el transcurs del projecte SHETLAND-NET, que tenia com a objectiu desplegar una xarxa de sensors NVIS per a l'arxipèlag de les illes Shetland del Sud. Es pretenia instal·lar una plataforma de baix cost i consum, el qual sigui capaç de transmetre senyals mitjançant propagació ionosfèrica, amb l'objectiu de comunicar dues illes Antàrtiques per a poder transferir dades de sensors.

S'ha realitzat un estudi de la bibligrafía actual i sustentada amb estudis anteriors dels temes: (1) Sondeig de canal HF amb diferents tècniques de millora de robustesa, (2) modulacions utilitzades en HF i en els nous estàndards de comunicació, fora de l'amplada de banda de HF i (3) antenes comunes en aquests sistemes i millores en la miniaturització.

Amb aquests tres punts, es desitja millorar les capacitats de la tecnologia NVIS, fent un sondeig de canal amb dues maneres de propagació amb l'objectiu d'utilitzar la tècnica de Diversitat de Polarització i així millorar la robustesa.

D'altra banda, a partir d'aquest estudi de canal, es dissenya la modulació SC-FDE la qual és presentada com l'alternativa de la OFDM en les capes ascendents, pel fet que redueix considerablement els efectes del PAPR que genera la subdivisió de subportadoras, i és capaç de mantenir els avantatges de la OFDM.

Finalment, la millora que es proposa és la miniaturització de les antenes que s'utilitzen en aquests sistemes, proposant una antena de 15 metres de tipus Dipol Horitzontal que s'enterra sota terra, amb la finalitat de reduir la contaminació actual que generen aquestes antenes posant en context que són antenes de grandàries de mínim 15 metres de llarg.

Totes aquestes proves han estat provades de manera experimental entre el radioenllaç de Barcelona i Cambrils a la disposició de l'Escola Tecnica Superior de Ingenieria de La Salle (Universitat Ramon Llull) que disten aproximadament 100 metres.

Com a prova final, part d'aquests estudis s'han pogut provar en la Campanya de Recerca Antàrtica 2021-2022.

El objetivo de esta tesis es estudiar y mejorar la capa física de un sistema NVIS con el fin de utilizar esta tecnología dentro de un ecosistema de sensores remotos sobre canales hostiles. La tesis se ha desarrollado en el transcurso del proyecto SHETLAND-NET que tenía como objetivo desplegar una red de sensores NVIS para el archipiélago de las islas Shetland del Sur. Se pretendía instalar una plataforma de bajo coste y consumo, el cual sea capaz de transmitir señales mediante propagación ionosférica, con el objetivo de comunicar dos islas Antárticas para poder transferir datos de sensores.

Se ha realizado un estudio de la bibligrafía actual y sustentada con estudios anteriores de los temas: (1) Sondeo de canal HF con diferentes técnicas de mejora de robustez, (2) modulaciones utilizadas en HF y en los nuevos estándares de comunicación, fuera del ancho de banda de HF y (3) antenas comunes en estos sistemas y mejoras en la miniaturización.

Con estos tres puntos, se desea mejorar las capacidades de la tecnología NVIS, haciendo un sondeo de canal con dos modos de propagación con el objetivo de utilizar la técnica de Diversidad de Polarización y así mejorar la robustez.

Por otro lado, a partir de este estudio de canal, se diseña la modulación SC-FDE la cual es presentada como la alternativa de la OFDM en las capas ascendentes, debido a que reduce considerablemente los efectos del PAPR que genera la subdivisión de subportadoras, y es capaz de mantener las ventajas de la OFDM.

Por último, la mejora que se propone es la miniaturización de las antenas que se utilizan en estos sistemas, proponiendo una antena de 15 metros de tipo Dipolo Horizontal que se entierra bajo tierra, con el fin de reducir la contaminación actual que generan estas antenas poniendo en contexto que son antenas de tamaños de mínimo 15 metros de largo.

Todas estas pruebas han sido probadas de manera experimental entre el radioenlace de Barcelona y Cambrils a disposición de la Escuela Tecnica Superior de Ingenieria de La Salle (Universidad Ramon Llull) que distan aproximadamente 100 metros.

Como prueba final, parte de estos estudios se han podido probar en la Campaña de Investigación Antártica 2021-2022.

The objective of this thesis is to study and improve the physical layer of an NVIS system in order to use this technology within a remote sensing ecosystem over hostile channels. The thesis has been developed in the course of the SHETLAND-NET project which aimed to deploy an NVIS sensor network for the South Shetland Islands archipelago. The aim was to install a low-cost, low-power platform capable of transmitting signals by ionospheric propagation, with the objective of communicating two Antarctic islands in order to transfer sensor data.

A study of the current bibligraphy has been carried out and supported with previous studies on the topics: (1) HF channel sounding with different robustness improvement techniques, (2) modulations used in HF and in the new communication standards, outside the HF bandwidth and (3) common antennas in these systems and improvements in miniaturization.

With these three points, it is desired to improve the capabilities of NVIS technology, making a channel sounding with two propagation modes in order to use the Polarization Diversity technique and thus improve robustness.

On the other hand, from this channel survey, the SC-FDE modulation is designed, which is presented as the alternative to OFDM in the ascending layers, because it considerably reduces the PAPR effects generated by the subdivision of subcarriers, and is able to maintain the advantages of OFDM.

Finally, the improvement proposed is the miniaturization of the antennas used in these systems, proposing a 15 meter antenna of Horizontal Dipole type that is buried underground, in order to reduce the current pollution generated by these antennas putting in context that they are antennas of sizes of minimum 15 meters long.

All these tests have been tested experimentally between the radio link of Barcelona and Cambrils at the disposal of the Escuela Tecnica Superior de Ingenieria de La Salle (Ramon Llull University) which are approximately 100 meters apart.

As a final test, part of these studies have been tested in the Antarctic Research Campaign 2021-2022.