Recent trends in IP/NGEO satellite communication systems: transport, routing, and mobility management concerns

科研費報告書収録論文(課題番号:17500030/研究代表者:加藤寧/インターネットと高親和性を有する次世代低軌道衛星ネットワークに関する基盤研究

Space-Air-Ground Integrated 6G Wireless Communication Networks: A Review of Antenna Technologies and Application Scenarios

A review of technological solutions and advances in the framework of a Vertical Heterogeneous Network (VHetNet) integrating satellite, airborne and terrestrial networks is presented. The disruptive features and challenges offered by a fruitful cooperation among these segments within a ubiquitous and seamless wireless connectivity are described. The available technologies and the key research directions for achieving global wireless coverage by considering all these layers are thoroughly discussed. Emphasis is placed on the available antenna systems in satellite, airborne and ground layers by highlighting strengths and weakness and by providing some interesting trends in research. A summary of the most suitable applicative scenarios for future 6G wireless communications are finally illustrated

Multipath Propagation, Mitigation and Monitoring in the Light of Galileo and the Modernized GPS

Among the numerous potential sources of GNSS signal degradation, multipath takes on a prominent position. Unlike other errors like ionospheric or tropospheric path delays which can be modeled or significantly reduced by differential techniques, multipath influences cannot be mitigated by such approaches. Although a lot of multipath mitigation techniques have been proposed and developed in the past among them many receiver internal approaches using special signal processing algorithms multipath (especially multipath with small geometric path delays) still remains a major error source. This is why multipath has been a major design driver for the definition of the Galileo signal structure carried out in the past years and the subsequent signal optimization activities. This thesis tries to provide a broad and comprehensive insight into various aspects of multipath propagation, mitigation and monitoring (without claiming to be exhaustive). It contains an overview of the most important aspects of multipath propagation, including the discussion of different types of multipath signals (e.g. specular vs. diffuse multipath, satellite vs. receiver multipath or hardware-induced multipath), typical characteristics such as periodic signal variations whose frequency depends on the satellite-antenna-reflector geometry and the impact on the signal tracking process within a GNSS receiver. A large part of this thesis is dedicated to aspects of multipath mitigation, first providing a summary of the most common multipath mitigation techniques with a special focus on receiver-internal approaches such as the narrow correlation technique, double-delta correlator implementations, the Early-Late Slope (ELS) technique or Early/Early tracking implementations. However, other mitigation approaches such as using arrays of closely spaced antennas or multipath-limiting antennas are discussed as well. Some of these techniques are used for subsequent multipath performance analyses considering signals of the (modernized) GPS and Galileo. These analyses base on a new methodology to estimate typical and meaningful multipath errors making use of multipath error envelopes that are scaled in a suitable way to account for different multipath environments. It will be shown that typical (mean) multipath errors can be derived from these scaled envelopes by computation of the envelopes running average and that these mean multipath errors are of the same order as multipath errors obtained from complex statistical channel models. Another part of this thesis covers various aspects of multipath detection and monitoring. First, current techniques for multipath detection and monitoring are described and discussed with respect to their benefits and drawbacks or their real-time capability. Among the considered approaches are techniques like code minus carrier monitoring, SNR monitoring, the use of differenced observations or spectral and wavelet analysis. Following this introductory overview, a completely new approach for real-time multipath monitoring by processing multi-correlator observations will be introduced. Previously being used primarily for the detection of Evil Waveforms (signal failures that originate from a malfunction of the satellites signal generation and transmission hardware), the same basic observations (linear combinations of correlator outputs) can be used for the development of a multi-correlator-based real-time multipath monitoring system. The objective is to provide the user with instant information whether or not a signal is affected by multipath. The proposed monitoring scheme has been implemented in the form of a Matlab-based software called RTMM (Real-Time Multipath Monitor) which has been used to verify the monitoring approach and to determine its sensitivity.Die Qualität eines Satellitensignals wird durch eine Vielzahl potenzieller Fehlerquellen negativ beeinflusst. Neben atmosphärischen Einflüssen tragen Mehrwegeeinflüsse einen wesentlichen Anteil zum Gesamtfehlerbudget der Satellitennavigation bei. Während eine ganze Reihe von Fehlereinflüssen durch geeignete Modellierung oder differenzielle Verfahren deutlich reduziert werden können, ist dies durch die räumliche Dekorrelation der Mehrwegeeffekte nicht möglich. Obwohl in der Vergangenheit eine Vielzahl von Verfahren zur Mehrwegereduzierung vorgeschlagen und entwickelt wurden, stellen Mehrwegesignale noch immer eine wesentliche, stets zu berücksichtigende Fehlerquelle dar. Aus diesem Grund spielten die zu erwartenden Mehrwegefehler auch eine sehr wichtige Rolle im Zuge der Definition sowie der Optimierung der Galileo-Signalstruktur und können somit als wesentliches Design-Kriterium angesehen werden. Die vorliegende Arbeit gibt einen umfassenden Einblick in verschiedene Aspekte der Mehrwegeausbreitung, -reduzierung sowie der Detektion und der Überwachung auftretender Mehrwegeeffekte. Die Arbeit beschreibt zunächst die wichtigsten Aspekte der Mehrwegeausbreitung, wobei beispielsweise unterschiedliche Arten von Reflexionen oder unterschiedliche Entstehungsarten ebenso diskutiert werden wie typische Auswirkungen von Mehrwegesignalen wie die Entstehung periodischer Signalvariationen. Solche Signalvariationen sind in starkem Maße abhängig von der durch die Satellitenposition, dem Antennenstandpunkt und der Lage des Reflexionspunktes definierten Geometrie. Die Frequenz dieser Signalvariationen wird für unterschiedliche geometrische Verhältnisse berechnet. Zudem werden der Einfluss bzw. die Auswirkungen einer Mehrwegeausbreitung auf den Signalverarbeitungsprozess in einem GNSS Empfänger aufgezeigt. Einen weiteren Schwerpunkt dieser Arbeit bilden die derzeit gebräuchlichen Methoden zur Reduzierung von Mehrwegeeinflüssen. Dabei werden zunächst die wichtigsten empfängerinternen Ansätze vorgestellt. Aber auch Methoden wie die Verwendung von Antennenarrays oder spezieller Antennen bleiben nicht unberücksichtigt. Einige dieser Methoden bilden im Folgenden die Grundlage für die Bestimmung von typischen Mehrwegefehlern. Dazu wird eine neuartige Methodik vorgestellt, um aus Hüllkurven des Mehrwegefehlers aussagekräftige mittlere Mehrwegefehler zu bestimmen. Hierzu werden die Hüllkurven mit Hilfe einiger aus statistischen Kanalmodellen abgeleiteter Parameter in geeigneter Weise skaliert, um unterschiedlichen Mehrwegeumgebungen Rechnung zu tragen. Es wird gezeigt, dass die mit Hilfe dieser relativ einfachen und effizienten Methode ermittelten Mehrwegefehler in derselben Größenordnung liegen wie die aus komplexen statistischen Kanalmodellen ermittelten Fehler. Einen weiteren Themenkomplex stellen Methoden zur Detektion und zum Monitoring von Mehrwegeeinflüssen dar. Dabei werden zunächst derzeit verwendete Ansätze vorgestellt und hinsichtlich ihrer Vor- und Nachteile sowie hinsichtlich ihrer Echtzeitfähigkeit diskutiert. In Anschluss daran wird ein neuartiger Ansatz zur Detektion und zum Monitoring von Mehrwegesignalen in Echtzeit vorgestellt, der auf der Auswertung von Multikorrelatorbeobachtungen basiert. Ziel dieser Entwicklung ist es, einen potenziellen Nutzer sofort darüber informieren zu können, wenn ein Signal mit Mehrwegefehlern behaftet ist. Der vorgeschlagene Ansatz wurde in Form einer Matlab-basierten implementiert, welche im Folgenden zur Verifizierung und zur Bestimmung der Empfindlichkeit des Verfahrens verwendet wird