Comunicacions avançades d'HF entre la Base Antàrtica Espanyola i l'Observatori de l'Ebre: caracterització de canal i transmissió de dades

Abstract

En els darrers quinze anys la velocitat de bit dels sistemes de comunicació ionosfèrica s'ha incrementat significativament, passant dels 75 bps als 14400 bps en un ample de banda de 3 KHz. Les millores experimentades en el modelatge i simulació de canal, el desenvolupament dels sistemes ALE i l'aplicació de tècniques digitals (software radio, modulacions de banda ampla, etc.) són, entre altres, alguns dels motius que han permès aquest increment en les prestacions dels equips, fent-los aptes per comunicacions de llarga distància amb requeriments de velocitat de bit moderada.<br/>En particular, la propagació ionosfèrica és una tècnica especialment interessant per enllaços des de l'Antàrtida, on la comunicació amb satèl·lits geostacionaris no és sempre possible.<br/>El Departament de Comunicacions i Teoria del Senyal de l'Escola d'Enginyeria La Salle (Universitat Ramon Llull) està involucrat, juntament amb l'Observatori de L'Ebre, en un projecte de recerca que té per objectiu l'estudi de l'enllaç ionosfèric que s'estableix entre la Base Antàrtica Espanyola i Roquetes. L'enllaç, que té una longitud de més de 12700 quilòmetres, ha de servir per transmetre les dades procedents d'un sensor geomagnètic situat a la Base, cap a l'Observatori.<br/>Aquesta tesi estudia diversos aspectes d'aquest projecte, principalment pel que fa a la caracterització de canal i al disseny de la capa física adaptada per transmissió eficient de dades.<br/>En referència a la caracterització de canal es mostren els resultats d'una campanya de 60 dies de sondeig duta a terme durant l'estiu austral 2006/07 en la que s'han realitzat proves de banda estreta i banda ampla per tal d'obtenir, entre altres, la disponibilitat de l'enllaç, relació senyal a soroll i dispersió temporal i freqüencial.<br/>En l'àmbit de la transmissió de dades es proposa, justifica i verifica experimentalment una part d'una capa física basada en espectre eixamplat per seqüència directa especialment adaptada a enllaços a llocs remots: (i) Sense atribució de freqüències; (ii) Amb potència de transmissió relativament baixa; (iii) Infraestructura de radiació limitada. La proposta contempla el funcionament amb relacions SNR negatives, dispersió temporal i freqüencial moderada, robustesa a la interferència i baixa densitat espectral de potència.

En los últimos quince años la velocidad de bit de los sistemas de comunicación ionosférica se ha incrementado significativamente, pasando de los 75 bps a los 14400 bps en un ancho de banda de 3 kHz. Las mejoras experimentadas en el modelado y simulación del canal, el desarrollo de los sistemas ALE y la aplicación de técnicas digitales (software radio, modulaciones de banda ancha, etc.) son, entre otros, algunos de los motivos que han permitido este incremento en las prestaciones de los equipos, haciéndolos aptos para comunicaciones de larga distancia con requerimientos de velocidad de bit moderada.<br/>En particular, la propagación ionosférica es una técnica especialmente interesante para enlaces desde la Antártida, donde la comunicación con satélites geostacionarios no es siempre posible.<br/>El Departamento de Comunicaciones y Teoría de la Señal de la Escuela de Ingeniería La Salle (Universidad Ramon Llull) está involucrado, junto al Observatorio del Ebro, en un proyecto de investigación que tiene por objetivo el estudio del enlace ionosférico que se establece entre la Base Antártica Española y Roquetes. El enlace, que tiene una longitud de más de 12700 kilómetros, debe servir para transmitir los datos procedentes de un sensor geomagnético situado en la Base, hacia el Observatorio.<br/>Esta tesis estudia varios aspectos de este proyecto, principalmente por lo que respecta a la caracterización del canal y al diseño de la capa física adaptada para la transmisión eficiente de datos.<br/>En lo referente a la caracterización del canal se muestran los resultados de una campaña de 60 días de sondeo llevada a cabo durante el verano austral 2006/07 en la que se han realizado pruebas de banda estrecha y banda ancha para obtener, entre otros, la disponibilidad del enlace, relación señal a ruido y dispersión temporal y frecuencial.<br/>En el ámbito de la transmisión de datos se propone, justifica y verifica experimentalmente una parte de una capa física basada en espectro ensanchado por secuencia directa especialmente adaptada a enlaces a lugares remotos: (i) Sin atribución de frecuencias; (ii) Con potencia de transmisión relativamente baja; (iii) Infraestructura de radiación limitada. La propuesta contempla el funcionamiento con relaciones SNR negativas, dispersión temporal y frecuencial moderada, robustez a la interferencia y baja densidad espectral de potencia.

In the last fifteen years the data rate of the ionospheric communication systems has increased significantly from 75 bps to 14400 bps in a 3 KHz bandwidth. The improvements achieved in the field of channel modeling and simulation, ALE systems and the application of digital techniques (e.g. software radio, wideband modulations, etc.) have permitted the design of new equipment with better performance. As a result, the establishment of low power, very long radio links with moderate data rate has become feasible.<br/>In special, the ionospheric propagation technique is very appropriate for radio links from the Antarctica, where the communication to geostationary satellites is not always possible.<br/>The Communications and Signal Theory Department of La Salle School of Engineering (Universitat Ramon Llull) and the Observatori de l'Ebre are involved in a research project dealing with the study of an ionospheric radio link between the Spanish Antarctic Base and Roquetes. The link is 12700 Km. long and is going to be used to transmit the low data rate information from a geomagnetic sensor installed in the Spanish Antarctic Base.<br/>This thesis has been carried out in the framework of this project, and its goals are related to the channel characterization and the partial design of a physical layer adapted to an efficient transmission of information over that link.<br/>Regarding the channel characterization, the results of a 60-days sounding survey corresponding to the 2006/07 southern summer are shown. These results include, among others, link availability, signal to noise ratio and delay and Doppler spread.<br/>In the field of data transmission a new physical layer is proposed and experimentally verified, on the basis of the channel measurements and adapted to the requirements and the special conditions in the Antarctica. This physical layer is based on direct sequence spread spectrum and his main characteristics are: (i) Intended for an HF communication without a fixed frequency allocation; (ii) Low emitted power; (iii) Simple radiation infrastructure. The proposal takes into account the operation with negative signal to noise ratios, moderate delay and Doppler spreads, robustness against interference and low power spectral density.