Channel Sounding and physical layer definition for the HF long-haul link between Antarctica and Spain

Abstract

La comunicació per rebot ionosfèric en la banda d’HF es presenta com una bona candidata en l’establiment de trucades i transmissió de dades per aplicacions militars, països en vies de desenvolupament, catàstrofes naturals o com a sistema de backup gràcies a la senzillesa de desplegament del sistema i al baix cost que suposa. Els estàndars actuals de comunicacions HF defineixen bit rates entre 75 i 12.800 bps, depenent de les condicions del canal, usant un ample de banda de 3 kHz. Els ultims avanços inclouen funcionalitats d’Automatic Link Establishment (ALE) i Automatic Repeat Request (ARQ), permitint establir l’enllaç de comunicació i solicitant la retransmissió de dades quan un paquet s’hagi perdut de manera automàtica, sense la necessitat de que l’usuari sigui un tècnic expert.

En aquest projecte s’han definit dos objectius científics: i) estudiar la variabilitat d’aquest canal ionosfèric HF durant un cicle solar complet i ii) proposar una nova capa física adaptada a aquest canal. Aquesta tecnologia s’utilitza com a sistema de transmissió de les dades dels sensors instal·lats en la Antarctic Station Juan Carlos I (ASJI) per la comunitat científica desplaçada a l'illa i Cambrils (Espanya), establint un ràdioenllaç unidireccional de 12.760 km. El sistema implementat és de molt baixa potència, 200 W, utilitzant un senzill monopol en transmissió a causa de les restriccions mediambientals imposades pel tractat antàrtic. S’han revisat els distints estàndards d’HF per poder desplegar aquest ràdioenllaç, no obstant això, cap d’ells compleix amb el baix nivell de SNR observat. Per tant, s’ha de dissenyar un nou esquema de modulació per poder establir la comunicació.

Aquesta tesi aplica els sondejos de banda estreta i banda ampla per a l'estudi de la variabilitat del canal, aplicant-los a la campanya 2013-2014 i obtenint els resultats d’aquesta per mantenir la sèrie històrica. Per a la proposta de capa física, s'han estudiat tècniques de modulació multi-carrier i d’espectre eixamplat, a partir de resultats previs, i s’analitzen i proven diverses tècniques de single carrier. Finalment, s’han definit dos propostes de trama de capa física per utilitzar-les en condicions de canal pobre (HRM - High Robustness Mode) i moderado (HTM - High Throughput Mode).

La comunicación por rebote ionosférico en la banda de HF se presenta como un buen candidato en el establecimiento de llamadas y transmisión de datos en aplicaciones militares, países en vías de desarrollo, catástrofes naturales o como sistema de backup gracias a la sencillez del despliegue del sistema y al bajo coste que supone. Los estándares actuales de comunicaciones HF definen bit rates entre 75 y 12.800 bps, dependiendo de las condiciones del canal, empleando un ancho de banda de 3 kHz. Los últimos avances incluyen funcionalidades de Automatic Link Establishment (ALE) y Automatic Repeat Request (ARQ), permitiendo establecer el enlace de comunicación y solicitando la retransmisión de datos cuando un paquete se haya perdido de manera automática, sin la necesidad de que el usuario sea un técnico experto.

En este proyecto se han definido dos objetivos científicos: i) estudiar la variabilidad de este canal ionosférico HF durante un ciclo solar completo y ii) proponer una nueva capa física adaptada a este canal. Esta tecnología se emplea como sistema de transmisión de los datos de los sensores instalados en la Antarctic Station Juan Carlos I (ASJI) por la comunidad científica desplazada a la isla y Cambrils (España), estableciendo un radio enlace unidireccional de 12.760km. El sistema implementado es de muy baja potencia, 200 W, empleando un sencillo monopolo en transmisión debido a las restricciones medioambientales impuestas por el tratado antártico. Se han revisado los distintos estándares de HF para poder desplegar este radio-enlace, sin embargo, ninguno de ellos cumple con los bajos niveles de SNR observados. Por lo tanto, se debe diseñar un nuevo esquema de modulación para poder establecer la comunicación.

Esta tesis aplica los sondeos de banda estrecha y banda ancha para el estudio de la variabilidad del canal, aplicándolos a la campaña 2013-2014 y obteniendo los resultados de ésta para mantener la serie histórica. Para la propuesta de capa física, se estudian técnicas de modulación multi-carrier y de espectro ensanchado, a partir de resultados previos, y se analizan y prueban diversas técnicas de single carrier. Finalmente, se han definido dos propuestas de trama de capa física para emplear en condiciones de canal pobre (HRM - High Robustness Mode) y moderado (HTM - High Throughput Mode).

Ionospheric communication in the HF band is presented as a candidate in call establishment and data transmission in military applications, developing countries and natural disasters, or as a backup system due to the simplicity of the system deployment and the low cost involved. Current HF communications standards define bit rates between 75 and 12,800 bps, depending on channel conditions, using a bandwidth of 3 kHz. Recent advances include Automatic Link Establishment (ALE) and Automatic Repeat Request (ARQ) features, allowing establishing the communication link and requesting retransmission of data automatically when a packet is lost, without expert technical requirements.

In this project, we have defined two scientific objectives: i) to study the variability of the ionospheric HF channel during a complete solar cycle, and ii) propose a new physical layer adapted to this channel performance. This technology is used by the scientific community in the island as a data transmission system from the sensors installed in the Antarctic Station Juan Carlos I (ASJI) to Cambrils (Spain). Establishing a unidirectional link of 12.760 km. The implemented system has low power transmission requirements, 200 W, and uses a simple monopole due to environmental restrictions imposed by the Antarctic Treaty. We reviewed the various standards to deploy this HF radio link, however, none of them meet the low SNR observed in the channel. Therefore, we must design a new modulation scheme to establish a communication channel between Antarctica and Spain.

This thesis applies narrowband and wideband sounding to study the variability of the channel performance. Both techniques have been applied to the 2013-2014 campaign data obtaining the results to maintain the historical series. To propose the physical layer, multi-carrier and spread spectrum modulation techniques had been previously studied, and new single carrier techniques has been analyzed and tested. Finally, two physical layer proposals have been defined to be used with poor channel conditions (HRM - High Robustness Mode) and moderate channel conditions (HTM - High Throughput Mode).