вкр Модели блокировки прямой видимости в миллиметровом и терагерцовом диапазонах частот между самолетами и наземной базовой станцией

Целью работы является разработка модели для измерения принимаемой
мощности объектом, находящимся за определенным количеством слоев облаков
разного типа, а также определения общего количества потерь сигнала и вероятности
блокировки прямой видимости, учитывая характеристики структуры облаков,
влияющих на затухание терагерцового сигнала.
Задачами работы являются:
1. Определение подходящего распределения вероятностей для блокировки
распространения облаками.
2. Нахождение характеристик модели блокировки прямой видимости в
миллиметровом и терагерцовом диапазонах частот между самолетами и наземной
базовой станцией.
3. Моделирование принимаемой мощности при различных
характеристиках передачи сигнала в условиях чистого неба.
Методами исследования является математическое моделирование
распространение сигнала в терагерцовом диапазоне в условиях блокировки
облаками с использованием аппарата теории вероятностей и интегральной
геометрии, а именно полиномиального распределения, понятий кинематической
меры и плотности, моделей распространения терагерцового сигнала с атмосферным
затуханием.
Научная новизна работы заключается в том, что на вопрос блокировки
облаками сигнала в терагерцовом диапазоне частот не было представлено
разрешения в аналитическом представления, а также тема затухания сигнала в
облачной атмосфере раскрыта в немногих работах других авторов. Исследования в
выпускной работе являются уникальными, так как итоговая модель, представленная
в данной работе, не был предложена ранее.
Работа состоит из трех глав. В первой главе дается общее описание
миллиметрового и терагерцового диапазона частот. В разделе 1.1 описываются
особенности миллиметрового и терагерцового диапазона частот в рамках
вышеописанных задач. В подразделе 1.2. рассматриваются и обобщаются
исследования по влиянию атмосферных условий на сигнал в миллиметровом и
терагерцовом диапазонах частот.
Вторая глава является обзорам необходимой математической и
характеристической базы для реализации итоговой модели. В подразделе 2.1
описаны классификация и характеристики облаков для различных атмосферных
слоев, раскрыты факторы величины затухания при прохождении сигнала для
каждого отдельного типа облаков. В подразделе 2.2. рассматриваются элементы
интегральной геометрии, подходящие под решение задач распространения сигнала в
условиях облачной атмосферы, которые необходимы для расчета вероятности
блокировки и построения итогового аналитического выражения принимаемой
мощности сигнала. В подразделе 2.3. поставлена задача исследования.
Третья глава представляет собой реализацию модели и тестирование ее
программными средствами. В подразделе 3.1. выведена вероятность блокировки при
прохождении каждого из типа облаков, представлено полиномиальное
распределение в качестве оптимального приближения для расчета вероятности
блокировки сигнала для комбинации слоев облаков. Подраздел 3.2. непосредственно
описывает саму аналитическую модель блокировки прямой видимости по схеме
«самолет-земля», представляя из себя величину итогового принимаемого сигнала. В
подразделе 3.3. приведены графики принимаемой мощности при различных
начальных параметрах в условиях облачной атмосферы, а также проведен анализ
полученных результатов

Список сокращений ........................................................................................................ 4
Введение ............................................................................................................................ 5
Глава 1. Сети связи mmWave/THz диапазона частот ............................................... 9
1.1. Особенности сетей mmWave/THz диапазона .................................................. 10
1.2. Влияние условий атмосферы на распространение сигнала .......................... 13
1.3. Постановка задачи исследования ..................................................................... 15
Глава 2. Характеристики атмосферных условий для оценки модели «самолет-
земля» ............................................................................................................................... 16
2.1. Классификация и структура облаков, определение их характеристик .......... 17
2.2. Элементы интегральной геометрии .................................................................. 24
Глава 3. Реализация аналитической модели «самолет-земля» ............................. 27
3.1. Вероятностные характеристики при условиях облачной атмосферы ............. 28
3.2. Программная реализация и тестирование модели ............................................ 29
3.3. Численные результаты ......................................................................................... 30
Заключение ..................................................................................................................... 37
Литература ...................................................................................................................... 39
Приложение А. Листинг программы ......................................................................... 42

Оригинальность по АП.Вуз на 27 февраля 2023 года более 70%.
В данной работе проведено математическое моделирование для анализа
вероятности блокировки сигнала связи в условиях облачной атмосферы между
самолетами и базовыми станциями сетей mmWave и THz диапазонов частот. В
исследовании были рассмотрены самолеты на высоте 7-14 километров в
присутствии различных конфигураций облаков. С помощью методов интегральной
геометрии получены оценки затухания сигнала связи в зависимости от разных типов
атмосферных условий, свойств облаков, а также полной вероятности блокировки.
Основным результатом является получение аналитического выражения блокировки
сигнала связи, проходящий через определенное число слоев облаков и вывод
формулы для вычисления мощности приема сигнала в различных атмосферных
условиях.

1. Schneider, T. (2015). Ultrahigh-bitrate wireless data communications via THz-links;

possibilities and challenges. Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves,

36(2), 159–179.

2. Seeds, A., Shams, H., Fice, M., & Renaud, C. (2015). Terahertz photonics for wireless

communications. Journal of Lightwave Technology, 33(3), 579–587.

3. Federici, J., Ma, J., & Moeller, L. (2016). Review of weather impact on outdoor

terahertz wireless communication links. Nano Communication Networks, 10, 13–26.

4. Federici, J., & Moeller, L. (2010). Review of terahertz and subterahertz wireless

communications. Journal of Applied Physics, 107(11), 6.

5. Nagatsuma, T., & Carpintero, G. (2015). Recent progress and future prospect of

photonics-enabled terahertz communications research. IEICE Transactions on

Electronics, 98(12), 1060–1070.

6. Lin, Z., Du, X., Chen, H.H., Ai, B., Chen, Z., & Wu, D. (2019). Millimeter-wave

propagation modeling and measurements for 5G mobile networks. IEEE Wireless

Communications, 26(1), 72–77.

7. Armstrong, C. (2012). The truth about terahertz. IEEE Spectrum, 49(9), 36–41.

8. Balal, Y., & Pinhasi, Y. (2019). Atmospheric effects on millimeter and sub-millimeter

(THz) satellite communication paths. Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz

Waves, 40(2), 219–230.

9. Xing, Y., & Rappaport, T. (2021). Propagation measurements and path loss models

for sub-THz in urban microcells. arXiv preprint arXiv:2103.01151.

10. Renaud, D., & Federici, J. (2019). Terahertz attenuation in snow and sleet. Journal of

Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, 40(8), 868–877.

11. Shawon, M., Chowdhury, M., Hossen, M., Ahmed, M., & Jang, Y. (2021). Rain

Attenuation Characterization for 6G Terahertz Wireless Communication. In 2021

International Conference on Artificial Intelligence in Information and

Communication (ICAIIC) (pp. 416–420).

12. Feigelson, E. (2013). Radiation in a cloudy atmosphere. (Vol. 6) Springer Science &

Business Media.

13. Petrov, V., Moltchanov, D., Kustarev, P., Jornet, J., & Koucheryavy, Y. (2016). On the

use of integral geometry for interference modeling and analysis in wireless networks.

IEEE Communications Letters, 20(12), 2530–2533.

14. WMO, G. (1996). Guide to meteorological instruments and methods of observation.

15. Brussaard, G., & Watson, P. (1994). Atmospheric modelling and millimetre wave

propagation. Springer Science & Business Media.

16. Pruppacher, H., & Klett, J. (2012). Microphysics of Clouds and Precipitation:

Reprinted 1980. Springer Science & Business Media.

17. Ulaby, F., Moore, R., & Fung, A. (1981). Microwave remote sensing: Active and

passive. volume 1-microwave remote sensing fundamentals and radiometry.

18. Dissanayake, A., Allnutt, J., & Haidara, F. (2001). Cloud attenuation modelling for

SHF and EHF applications. International journal of satellite communications, 19(3),

335–345.

19. Hulst, H., & Hulst, H. (1981). Light scattering by small particles. Courier

Corporation.

20. Attenuation due to Clouds and Fog, International Telecommunication Union ITU-R

Recommendation P.840-6, Sep. 2013.

21. Ishimaru, A. (1978). Wave propagation and scattering in random media. (Vol. 2)

Academic press New York.

22. Liebe, H. (1985). An updated model for millimeter wave propagation in moist air.

Radio Science, 20(5), 1069–1089.

23. Liebe, H. (1983). An atmospheric millimeter wave propagation model [White paper].

NATIONAL TELECOMMUNICATIONS AND INFORMATION

ADMINISTRATION BOULDER

24. Siles, G., Riera, J., & Garcia-del-Pino, P. (2015). Atmospheric attenuation in wireless

communication systems at millimeter and THz frequencies [wireless corner]. IEEE

Antennas and Propagation Magazine, 57(1), 48–61.

25. Luini, L., & Capsoni, C. (2014). Efficient calculation of cloud attenuation for earth–

space applications. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 13, 1136–1139.

26. Luini, L., Riva, C., Capsoni, C., & Martellucci, A. (2007). Attenuation in nonrainy

conditions at millimeter wavelengths: Assessment of a procedure. IEEE Transactions

on Geoscience and Remote Sensing, 45(7), 2150–2157.

27. Martellucci, A., Baptista, J., & Blarzino, G. (2002). New climatological databases for

ice depolarization on satellite radio links. In COST 280 1st International Workshop

on Propagation Impairment Mitigation for Millimetre Wave Radio Systems.

28. Беспалов, Д., Девяткин, А., Довгалюк, Ю., Кондратюк, В., Кулешов, Ю.,

Светлова, Т., Суворов, С., & Тимофеев, В. (2011). Атлас облаков. СПб.: Д’АРТ.

29. Sors, L., & Santal'o, L. (2004). Integral geometry and geometric probability.

Cambridge university press.

30. Begishev, V., Moltchanov, D., Gaidamaka, A., & Samouylov, K. (2022). Closed-

Form UAV LoS Blockage Probability in Mixed Ground-and Rooftop-Mounted Urban

mmWave NR Deployments. Sensors, 22(3), 977.

31. Доборщук В.В., Молчанов Д.А., & Бегишев В.О. (2022) Блокировка прямой

видимости в mmWave и THz диапазонах частот между самолётами и наземной

базовой станцией. Информационно-телекоммуникационные технологии и

математическое моделирование высокотехнологичных систем: материалы

Всероссийской конференции с международным участием. Москва, РУДН, 18–

22 апреля 2022 г., стр. 98-101. — Москва : РУДН. — 453 с. : ил.