Rain attenuation mitigation for EHF NGSO systems using site and/or orbital diversity

In this thesis, a simulation-based framework to investigate rain attenuation on extremely high-frequency (EHF) NGSO satellite links is presented, aimed at quantifying the performance gains achievable through spatial-diversity Fade Mitigation Techniques, namely Site Diversity (SD), Orbital Diversity (OD), and their joint application. Rain attenuation—dominant at Ka, Q and V bands—is modelled by coupling NGSO link geometry with 200 km × 200 km space–time precipitation fields generated by ST-MultiEXCELL over one-year period. The simulator is extended to multi-gateway scenarios by supporting configurable ground-station layouts (line, triangle, square) and inter-site separations, enabling systematic diversity assessments. Simulated attenuation time series are stored and post-processed to derive long-term Complementary Cumulative Distribution Functions (CCDFs) and diversity gains. OD is evaluated via per-epoch selection of the least attenuated link among a controllable number of simultaneously visible satellites, showing monotonic improvement with diversity order. SD is assessed through selection combining across geographically separated gateways, highlighting the dependence of gain on both inter-site distance and the number of deployed sites. Joint SD+OD provides the largest benefit, yielding a further reduction of exceedance probability, especially in the high-attenuation tail relevant to high-availability design. Finally, a statistical OD model is introduced. The model relates the absolute attenuation difference between simultaneously visible links to their three-dimensional angular separation. Conditional |∆A| statistics are fitted with a lognormal distribution whose parameters are expressed as continuous functions of separation angle and characterized across multiple frequencies, enabling the generation of OD-related attenuation-difference statistics without time-domain simulation. Overall, the proposed simulation and modelling approach provides practical tools for dimensioning and designing diversity strategies in future EHF NGSO systems.

La crescente adozione di costellazioni satellitari in orbita non geostazionaria (NGSO) e la migrazione verso frequenze elevate (bande Ka, Q e V) rendono l’attenuazione da pioggia uno dei principali vincoli di progetto per i collegamenti Earth–space. Questa tesi studia in modo quantitativo l’impatto del fading da pioggia su collegamneti NGSO in banda EHF e valuta l’efficacia di tecniche di mitigazione basate sulla diversità spaziale: Site Diversity (SD), Orbital Diversity (OD) e la loro combinazione. A tal fine viene impiegato un ambiente di simulazione che integra campi di precipitazione spazio-temporali generati dal modello ST-MultiEXCELL (mappe 200 km × 200 km) con la geometria istantanea dei collegamenti verso una costellazione NGSO. Il simulatore è esteso a scenari multi-gateway, consentendo il posizionamento di più stazioni di terra secondo geometrie configurabili (linea, triangolo, quadrato) e con distanze inter-sito variabili, in modo da analizzare sistematicamente le prestazioni in diversità. Le serie temporali ottenute vengono elaborate per ricavare CCDF a lungo termine e guadagni di diversità. L’OD, implementata selezionando a ogni istante il link con attenuazione minima tra un numero controllabile di satelliti simultaneamente visibili, mostra un miglioramento crescente all’aumentare dell’ordine di diversità. La tecnica di SD, ottenuta selezionando la stazione meno attenuata tra siti geograficamente separati, evidenzia un guadagno che aumenta sia con la distanza inter-sito sia con il numero di stazioni impiegate. L’applicazione congiunta SD+OD risulta la soluzione più efficace, poiché riduce ulteriormente la probabilità di superamento nelle condizioni più severe. Infine, viene proposto un modello statistico per descrivere l’OD senza ricorrere a simulazioni nel dominio temporale: la distribuzione della differenza assoluta di attenuazione |ΔA| tra collegamenti simultaneamente visibili viene modellata in funzione della loro separazione angolare tridimensionale. Le statistiche, ottenute per diverse frequenze, sono approssimate con una distribuzione lognormale, i cui parametri sono descritti mediante funzioni continue dell’angolo di separazione. Nel complesso, i risultati forniscono strumenti utili per il dimensionamento e la progettazione di strategie di diversità in futuri sistemi NGSO operanti in banda EHF.