Antenna and Random Access Solutions for nano-satellite and 5G networks operating in the millimiter-wave domain

L’obiettivo di questa tesi è la discussione di soluzioni per reti satellitari basate su nano-satelliti e reti 5G, operanti in onde millimetriche. I contributi originali di questo lavoro interessano due settori che ricoprono un ruolo chiave nel contesto delle comunicazioni digitali ad alta velocità e alta capacità: i meccanismi di condivisione del mezzo trasmissivo basati sull’accesso casuale e le antenne a schiera riconfigurabili e compatte. I risultati ottenuti in questi due ambiti sono poi applicati in un’architettura di rete che integra sistemi 5G terrestri e una costellazione di nanosatelliti in orbita bassa. Le comunicazioni satellitari sono sempre più parte integrante della vita quotidiana. Negli ultimi anni, si è registrata una crescita notevole dei piccoli satelliti (da 1 a 100 kg), sia in termini di tecnologia, che di frequenza di utilizzo. Non solo vengono lanciati in gran numero, ma si è iniziato ad utilizzarli in costellazioni da diverse decine di unità. Questa attività è l’indicatore di una prospettiva ormai prossima: gli sviluppi nel settore dell’Information and Communication Technology hanno avviato diverse iniziative che puntano ad utilizzare megacostellazioni di satelliti come reti per la fornitura di servizi di comunicazione a banda larga. Lo sfruttamento delle onde millimetriche rappresenta quindi un punto cardine per soddisfare la crescente richiesta di capacità dei sistemi radio di prossima generazione. Inoltre, lo scenario che ne risulta è tale da richiedere una connettività completa, così che ogni satellite operi come un nodo di rete a tutto tondo, con possibilità di collegamento tra la terra e lo spazio, e da satellite a satellite. In tale contesto, il ricorso a moderne tecniche di accesso casuale è particolarmente indicato. Negli ultimi anni si è assistito a un rinnovato interesse per i protocolli di tipo Aloha, grazie alla possibilità di dotare i ricevitori di sistemi di cancellazione dell’interferenza. A tale proposito, viene presentato un nuovo algoritmo che affianca alla cancellazione iterativa di interferenza lo sfruttamento dell’effetto cattura, tenendo al tempo stesso presente la possibile non idealità della cancellazione, e quindi la presenza di un residuo. Le sue prestazioni sono confrontate con i metodi attualmente adottati negli standard, mostrando un miglioramento del throughput pari al 31%. Viene inoltre presentata la sintesi di un’antenna a schiera operante in banda Ka adatta per l’uso su nanosatelliti. La schiera risultante offre interessanti benefici in termini di larghezza di banda, polarizzazione e versatilità, essendo possibile un utilizzo dual-task (downlink verso terra e collegamentointersatellitare). I risultati così ottenuti sono poi utilizzati per dimostrare, in un simulatore tempo discreto ed evento discreto, le prestazioni ottenibili da un’architettura di rete integrante segmenti di rete radiomobile 5G con una dorsale costituita da una costellazione di nanosatellti. Il simulatore si avvale inoltre di un modello teorico per valutare l’impatto della distribuzione geometrica dei nodi interferenti su una comunicazione in onde millimetriche di tipo line-of-sight. Tale modello, validato con simulazioni di tipo Monte Carlo, contempla i diagrammi di radiazione delle antenne e i recenti modelli di canale in onde millimetriche, che tengono in considerazione rumore, dispersione angolare, fading e bounded path loss. Sono state ricavate delle formulazioni analitiche per la distribuzione della potenza di rumore e interferenza, che consentono di valutare in forma chiusa la probabilità di cattura. Tale impostazione è stata infine usata per discutere gli effetti dell’interferenza sulla capacità di Shannon di un collegamento in uplink operante in onde millimetriche, prendendo in considerazione delle condizioni realistiche per il canale.