A space-time model of clouds for the design of space communications at optical frequencies

Optical communication systems are seen as a solution to cope with the increasing performance requirements for satellite telecommunications and the growing congestion issues in the RF spectrum. Optical communications offer higher data rates, unlicensed bandwidth usage and reduced mass and power requirements. However, signals using this frequency are severely affected by the weather conditions present at the ground stations. Clouds provide a significant level of attenuation and, because of their higher occurrence than rain, are a critical aspect in the design of optical communications. This work proposes a space-time model of clouds, with high spatial and temporal resolutions, as a tool to estimate the attenuation induced by clouds along the signal trajectory at optical wavelengths. The model is validated against radiosonde observations whilst its spatial and temporal correlations are validated against satellite observations. The model is then used as tool to analyse site-diversity as a fade mitigation scheme, considering the scenario of a GEO satellite operating at optical wavelengths. The results of the analysis show that using three different ground stations, adequately distanced, the link margin to achieve 90% link availability drops from 130 dB (for one station) to 4.8 dB (for three stations). Thus, indicating that optical frequencies could be viable solution for future satellite communications, provided that it is developed further to increase the link availability.

I sistemi di comunicazione ottica sono visti come una soluzione per far fronte ai crescenti requisiti sulle prestazioni di telecomunicazioni satellitari, e ai crescenti problemi di congestione nello spettro RF. Le comunicazioni ottiche offrono: velocità di trasmissione dati più elevate, utilizzo della larghezza di banda senza licenza e requisiti di massa e alimentazione ridotti. Tuttavia, i segnali che utilizzano le frequenze ottiche sono gravemente influenzati dalle condizioni meteorologiche presenti nelle stazioni terrestri. Le nuvole forniscono un livello significativo di attenuazione e, a causa della loro maggiore presenza rispetto alla pioggia, sono un aspetto critico nella progettazione delle comunicazioni ottiche. Questo lavoro propone un modello spazio-temporale delle nuvole, con elevate risoluzioni spaziali e temporali, come strumento per stimare l'attenuazione indotta dalle nuvole lungo la traiettoria del segnale con lunghezza d'onda nella banda ottica. Il modello è convalidato rispetto alle osservazioni radiosonde mentre, le sue correlazioni spaziali e temporali, sono convalidate rispetto alle osservazioni satellitari. Il modello, viene quindi utilizzato come strumento per analizzare lo schema di site diversity per ridurre l’attenuazione del segnale considerando la trasmissione, in banda ottica, da un satellite geostazionario. I risultati delle analisi mostrano che utilizzando tre diverse stazioni terrestri, adeguatamente distanziate, il margine di collegamento per raggiungere il 90% di disponibilità del collegamento scende da 130 dB (per una stazione) a 4,8 dB (per tre stazioni). Pertanto, indicando che le frequenze ottiche potrebbero essere una soluzione praticabile per le future comunicazioni satellitari, a condizione che sia ulteriormente sviluppata per aumentare la disponibilità del collegamento.