Characterization and Mo deling of Marine Channels for Millimeter Radiowaves

Abstract

Bu çalışmada, deniz kanallarında denize açılmış gemiden gemiye milimetre dalga yayılım simülasyon sonuçları verilmiş ve analiz edilmiştir. `Wireless InSite` yazılımının ışın izleme avanta jı kullanılarak, kanalın yol kaybı, alınan güç, ortalama karekök (RMS) gecikme yayılımı ve güç gecikme profili gibi kanal parametreleri dikkate alınarak kanal karakterizasyonu yapılmıştır. Minimum su ve oksijen zayıflamasına sahip olan 35 GHz ve 94 GHz pratikteki performanslarıyla diğer bantlara kıyasla daha iyi sonuç vermesi dolayısıyla seçilmiş bantlardır. Çalışmamızda ışın aralığının, yeryüzü eğriliğinin ve denizin yüzey pürüzlülüğünün deniz kanallarının özelliklerine etkisi araştırılmıştır. Elde ettiğimiz sonuç- lar 2-ışını (2-ray) analitik modelinin sadece yüksek frekanslarda yayılım gösteren deniz üzerinde kısa menzillerde kullanılması gerektiğini göstermektedir. Bunların dışında serbest uzay yolu kaybı modeli kanalların su yüzeyindeki davranışlarını yüksek frekansta kısa mesafede olsa bile görememektedir. Ayrıca bu çalışmada deniz aşırı kanalların ortalama kanal gecikmesi, ortalama karekök (RMS) gecikme yayılımı, uyumluluk bant genişliği, Doppler yayılımı ve uyumluluk zamanı ve mesafesi de analiz edilmiştir. Zaman gecikme parametrelerinin Kümülatif Dağılım Fonksiyonları (CDFs) 35 GHz ve 94 GHz de gönderilen sinyallerin bant genişlikleri 750 MHz ve 1.53 GHz'i aşmadığı sürece deniz kanallarının frekans seçici olmadığı kabul edilebileceğini göstermektedir. Bunlara ek olarak, Doppler spektrumundan elde edilen sonuçlara göre deniz kanalları gemilerin hareketinden etkilenmez ve bu nedenle bu iki frekansta deniz ortamında Doppler frekansının etkisi ihmal edilebilir. Sonuç olarak, karşılık gelen uyumluluk süresi hareketten dolayı distorsiyon meydana getirmeyecek kadar uzundur. Uyumluluk mesafesine gelince, sonuçlarımız denize açılmış gemiler için deniz kanallarının uyumluluk mesafesinin çok büyük olmasından ötürü deniz kanallarında bir çeşitlilik sunmamaktadır. Dolayısıyla, bu tez çalışması milimetre dalga aralığındaki iki frekans için hem büyük hem de küçük ölçekli varyasyonları değerlendirdiği için önemlidir.

In this work, we present and analyze the simulation results of millimeter-wave propagation channel p erformed over the sea surface for off shore ship to ship scenario. Wepresent a channel characterization study where channel parameters such as path loss,received p ower, ro ot mean square delay spread, and p ower delay profile are insp ectedby taking the ray tracing advantages of the `Wireless InSite` software. 35 GHz and94 GHz are the bands of interest, as they have minimum water and oxygen attenuation and their performances in practice would be the best among the other frequencybands. In our study, we investigate the effect of ray spacing, Earth 's curvature, and thesea surface roughness on marine channel characteristics. Our results demonstrate that2-ray analytical model should be only used for some short ranges over the sea surfacepropagating at high frequencies. Besides, free space path loss model cannot predict thebehavior of channel over the sea surface in high frequencies even for the short ranges.Moreover, the main time dispersion parameters of maritime channel such as mean excess delay, Root Mean Square (RMS) delay spread, coherence bandwidth (Bc), Dopplerspread as well as coherence time and coherence distance have been investigated in thiswork. Cumulative Distribution Functions (CDFs) of time delay parameters indicate thatthe maritime channels can be assumed frequency non-selective as long as the bandwidth of transmitted signal does not exceed 750 MHz and 1.53 GHz at 35 GHz and 94 GHz, respectively. In addition, based on the results obtained from the Doppler spectrum, the sea channel is not affected by vessel movements and therefore the efficacy of Doppler frequency is negligible in maritime environments at these two frequencies. Consequently, the corresponding coherence times are relatively long enough not to cause distortion due to motion. As for the coherence distance, our results illustrate that the coherence distance for off shore marine channels is so large that it offers no space diversity over the sea channel. Therefore, this thesis study is prior in considering both large and small scale variations for two different frequencies at the range of millimeter radiowave.