A simplified yet effective rain attenuation time series synthesizer for Earth-Space links

Current commercial and technological trends are promoting advanced telecommunication services which result in higher data rates all over the world. Facing much tighter user requirements and the progressive saturation of the lower radio spectrum, Earth-space links are nowadays shifting towards the 20 − 50 GHz frequency range because of its potentialities in terms of allocable bandwidth and data transfer. Nonetheless, the interaction of the tropospheric constituents with electromagnetic signals above 10 GHz induces a severe attenuation, especially due to rain. Several mitigation techniques are currently under investigation to be adopted as real-time fade countermeasures; their successful operation clearly depends on accurate estimates of rain impairments. This thesis aims at developing a simple yet effective rain attenuation time series synthesizer which preserves the signal dynamics as well as its long-term statistics; simplicity and limited need for inputs are additional desirable figures of merit. The numerical analysis focuses on identifying a corrective function, depending only on the local rain rate, adapting ITU-R Recommendation P.618-13 (a well-established algorithm for long-term rain attenuation statistics prediction) to a time series synthesizer generating valuable instantaneous estimates. The proposal is assessed against a full-year record of rain attenuation at Ka and Q band at the propagation terminal of Politecnico di Milano, where two continuous beacons transmitted by the Aldo Paraboni payload onboard the Alphasat satellite are collected; auxiliary meteorological parameters are extrapolated from ERA5 database managed by the ECMWF. This simple novel methodology proves superior on both first and second order statistics, hence offering an improved time series synthesizer supporting the effective implementation of fade mitigation techniques.

I recenti sviluppi tecnologici e commerciali hanno promosso servizi di telecomunicazione avanzati che richiedono maggior trasferimento di dati su vasta scala. In risposta a requisiti più stringenti e alla progressiva saturazione della fascia inferiore dello spettro delle radiofrequenze, i collegamenti satellitari sono attualmente soggetti ad una transizione verso l’intervallo 20 − 50 GHz, vantaggioso in termini di larghezza di banda e velocità di trasmissione. Tuttavia, l’interazione dei costituenti troposferici con segnali elettromagnetici superiori ai 10 GHz determina una forte attenuazione prevalentemente riconducibile alla pioggia. Molteplici tecniche di mitigazione sono attualmente in fase di studio per essere adottate come contromisura in tempo reale, ma per un adeguato funzionamento necessitano di una stima accurata dell’indebolimento del segnale. Questa tesi si propone di sviluppare un generatore di serie temporali semplice ma efficace nel replicare la dinamica del segnale e le sue statistiche sul lungo periodo; ulteriori caratteristiche desiderabili sono la semplicità e la limitata richiesta di input. L’analisi numerica si incentra sull’identificazione di una funzione correttiva, dipendente dal rateo di pioggia locale, in grado di convertire la Recommendation P.618-13 di ITU-R (ben noto algoritmo adibito alla produzione di statistiche a lungo termine dell’attenuazione da pioggia) in un generatore di serie temporali con funzionamento istantaneo. La proposta è validata rispetto ad un anno di misurazioni dell’attenuazione da pioggia, in bande Ka e Q, presso la stazione ricevente del Politecnico di Milano, laddove i due segnali trasmessi dallo strumento Aldo Paraboni imbarcato su Alphasat vengono registrati; i parametri meteorologici ausiliari sono estrapolati dal database ERA5 di ECMWF. Questa nuova e semplice metodologia si dimostra superiore nel replicare le statistiche del primo e del secondo ordine, offrendo pertanto un importante miglioramento nella generazione di serie temporali a supporto dell’implementazione efficace delle tecniche di mitigazione.