Use of high-resolution numerical weather predictions for the design and operation of earth-space links

The increasing use of satellites has led to the saturation of the lower frequency bands (e.g. Kuband). Consequently new technological solutions are investigated so that higher bands (e.g. Ka band, Q band and V band) can be exploited by the next generations of communication systems,giving access to wider bandwidths. However high frequencies suffer more from tropospheric impairments, including absorption and scattering due to rain, clouds and gases.In this context, this thesis aims at exploring the use of of the high-resolution numerical weather predictions provided by the The Weather Research and Forecasting model (WRF)to predict tropospheric impairments affetcing Earth-space links. Specifically, the work presented in this thesis aims at using these refined high resolution forecasts for the prediction of tropospheric attenuation for Earth-space links at frequencies in the K- and Ka-band. In turn, these outcomes can be used both to design the link (e.g. transmit power) and for its operation, for example by adapting the modulation and coding scheme on the basis of the attenuation predicted in advance. Indeed, the accurate characterization of the troposheric signal attenuation represents a main challenge for the design of new satellite communication systems.

L'incremento del numero di satelliti ha portato alla saturazione delle frequenze in banda Ku. Nuove soluzioni tecnologiche puntano all'utilizzo di frequenze più elevate (ad esempio, le bande Ka, Q e V) per i sistemi di comunicazione via satellite di nuova generazione, che potranno così contare su una maggiore larghezza di banda. Tuttavia, l'aumento della frequenza porta anche all'incremento degli effetti negativi indotti dalla troposfera, come ad esempio l'attenuazione di segnale dovuta a pioggia, nubi e gas. In tale contesto, questa tesi punta a sfruttare le predizioni meteorologiche prodotte dal modello Weather Research and Forecasting (WRF). Più in dettaglio, il lavoro presentato in questa tesi utilizza le predizioni meteorologiche ad alta risoluzione per predire l'attenuazione troposferica a cui sono soggetti link terra-spazio operanti in banda Ka e Q. A loro volta, tali risultati possono essere utilizzati per progettare collegamenti terra-spazio (ad esempio supportando la determinazione della potenza trasmessa) e per la loro gestione operativa, ad esempio adattando lo schema di codifica e modulazione sulla base dell'attenuazione predetta. Di fatto, l'accurata caratterizzazione dell'attenuazione troposferica rappresenta una grande sfida per la progettazione di nuovi sistemi di comunicazione satellitare.