List of Main Abbreviations

129

List of Main Abbreviations AFD AWGN BCH codes BER BPSK CDMA DLMSC DPSK DS-CDMA FEC FPLMTS (N) GEO(S) HEO ICO ISDN LCR LEO(S) LOS MEO(S) MRC MSC PASU PCS/ PCN PLMN PSTN QPSK RACE ROPE RS codes SR-ARQ UMTS

: Average fade duration : Average white Gaussian noise : Bose-Chaudhuri-Hocquenghem : Bit error ratio (or rate, in frequency interpretation of probability) : Binary phase shift keying : Code division multiple access : Digital land mobile satellite communication : Differential PSK : Direct sequence CDMA : Forward error correction : Future public land mobile telecommunication systems (networks) : Geostationary/geosynchronous earth orbit satellite (system) : Highly elliptical earth orbit : Inclined circular orbit : Integrated services digital network : Level crossing rate : Low earth orbit satellite (system) : Line-of-sight : Medium earth orbit satellite (system) : Maximum ratio combining : Mobile switching centre : Pay as you use : Personal communication services/ networks : Public land-mobile network : Public service telecommunication network : Quadrature PSK : Research in advanced communications for Europe : Reach-out point extension : Reed-Solomon codes : Selective-repeat automatic repeat request : Universal mobile telecommunication systems

130 Digital Land-Mobile Satellite Communication Systems

131

List of Symbols ak(t)

: the PN code of user k αk : the orthonormal basis vector representation of ak(t) such that Tb 1, j = k * ∫0 α j (t )α k (t )dt = 0, j ≠ k in which complex values are possible A : Signal amplitude : Signal amplitude of user k Ak : Average multipath power b0 : Average multipath power in path m. b0m bk(t) : the data sequence of user k : the ith data bit of user k bki c : Speed of light in free space : the symbols of the code words ck ck(t) : the code words formed by data blocks, bk(t), plus parity-check bits D : average time delay of the signal between the source and the destination : Bit energy (A2Tb/2) Eb G : Offered traffic I0(⋅) : Modified Bessel function of the first kind and order zero : Number of information symbols per code word kb K : Number of active users λ : Interleaving degree µ0 : Mean amplitude of the line-of-sight signal n : Length of a code word in either symbols or bits N : Number of chips per spread bit, processing gain : Maximum number of possible interferers at a specified error level Na : Number of code words Nc : Length of a packet in terms of either symbols or bits Np : No. of recoverable signals per frame Nr : Maximum number of pre-re-transmission idle slots NT : One-sided noise density spectrum N0 : Bit error probability pe : Packet error probability Per pr(⋅) : Probability density function of the propagating signal, narrowband prss(⋅) : Probability density function of the propagating signal, spread spectrum ptr(k) : Generation probability function for k packets : Packet success probability Ps r : Signal amplitude subject to fading S : Throughput 2 σz : Variance of the shadowed direct signal 2 σr : Variance (or mean power) of the scattered signal component σ i2 : Variance of the composite interfering signal σ0 2 : Variance of Gaussian noise 2 σ : Variance of noise plus interference : Bit time Tb


Tc Td

τmk τp t Tp Ts Wss

ωc

: Chip time : Average packet delay (no. of slots) : Time delay in path m for user k : Propagation delay (no. of slots) : Time (seconds) : Packet transmission time (slot duration) : Delay spread (seconds) : the system bandwidth : the radian frequency of the carrier

133

List of Publications by the Author. 1. Mqhele E. Dlodlo, Andrzej Rys and Akhter U. Ahmed; “Deep Level Defects in Ion Implanted Laser Annealed Bulk GaAs”; Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE) Proceedings, Symposium on Microelectronic Integrated Processing: Growth, Monitoring and Control, 10 October 1989. 2. Mqhele E. Dlodlo, Rogier van Wolfswinkel and Richard D. J. van Nee; “Performance Analysis of Hybrid Forward Error Correction Schemes in a Fast and Slow Rician Fading Wideband Land-Mobile Satellite Channel with BPSK and Path Diversity”; Proceedings, IEEE PIMRC’94, vol. II, pp. 579-583, The Hague, The Netherlands, September 18-22, 1994. 3. Mqhele E. Dlodlo and Shinsuke Hara; “Theoretical Analysis and Simulation of Burst-andRandom-Error-Prone Direct Sequence CDMA Channels”; Proceedings of the IEEE 3rd Symposium on Communications and Vehicular Technology in the Benelux, Telecommunications Division, Eindhoven University of Technology, Eindhoven, The Netherlands, 25-26 October 1995. 4. Mqhele E. Dlodlo and Ramjee Prasad; “Coded Spread Slotted ALOHA Performance in a LEO Satellite Communication Channel”; accepted for IEEE PIMRC’96, Session E2, Taipei, Taiwan, ROC, 16 - 18 October 1996. 5. Wai Hung Wong and Mqhele E. Dlodlo; “Performance Analysis of a Type-II Hybrid ARQ Scheme in a Slow Rician Fading Wideband Land-Mobile Satellite Channel”; accepted for the IEEE 4th Symposium on Communications and Vehicular Technology in the Benelux, Ghent, 7-8 October 1996. 6. Mqhele E. Dlodlo; “Burst-Error Correction Strategies in a Slotted DS-CDMA Mobile Satellite Channel”; accepted by Wireless Personal Communications: An International Journal, Kluwer Academic Publishers, 1997.


135

List of Students Supervised 1. ir. D. Y. Zhang, 1994/1995, who presented and defended her master’s thesis entitled “Interleaved FEC Coding for a Direct Sequence CDMA System in Land-Mobile Satellite Channel” on 10 March 1995 in the Department of Electrical Engineering at Delft University of Technology. 2. ir. W. H. Wong, 1995/1996, who presented and defend his master’s thesis entitled “Comparative Performance Analysis of Error Control Schemes in a LEO Mobile Satellite Channel using Spread Slotted Aloha” on 23 August 1996 in the Department of Electrical Engineering at Delft University of Technology. He was the principal author of our joint paper “Performance Analysis of a Type-II Hybrid ARQ Scheme in a Fast and Slow Rician Fading Wideband Land-Mobile Satellite Channel” listed elsewhere in the thesis.


137

Samenvatting (in Dutch) Digitale satellietcommunicatiesystemen die gebruikt worden voor mobiele communicatie op het vaste land (Digital Land Mobile Satellite Communication (DLMSC) systemen), zullen een belangrijke rol gaan spelen bij het bereiken van de doelstelling om aan iedereen telecommunicatiefaciliteiten te bieden, vooral in afgelegen gebieden. Voorwaarde hierbij is wel dat we kunnen profiteren van bestaande technische mogelijkheden om de prestatie van dergelijke systemen te verbeteren. Communicatiestations op het land hebben, in vergelijking met stations op schepen en in vliegtuigen, de slechtste communicatiemogelijkheden door een combinatie van kleine afmeting, een omgeving waarin de propagatie eigenschappen snel in de tijd veranderen, en het feit dat in de satelliet weinig of geen bewerking van ontvangen signalen mogelijk is. Veel van het huidige onderzoek richt zich op manieren om de invloed van deze effecten te verminderen door de ontwikkeling van betere meervoudige toegangstechnieken (multiple access technieken), modulatie methoden, signaalcodering, signaalvormen en apparatuur. De grootste verbeteringen zijn bereikt door toepassing van digitale technieken voor de bovengenoemde probleemgebieden. Het doel van dit proefschrift is om aannemelijk te maken hoe flexibiliteit in ontwerp en een bredere kijk op de implementatie ons dichter bij het bereiken van drie doelstellingen kan brengen. De eerste doelstelling is om de nieuwste onderzoeksresultaten te bekijken waarbij we ons concentreren op de invloed van technieken op het gebied van meervoudige kanaaltoegang, modulatie en foutenenverbetering maar ook kijken naar ondersteunende technieken die een mogelijke bijdrage kunnen leveren. Dit houdt ook in dat we voorspellingen moeten doen over implementatie-eisen waarvoor verder onderzoek noodzakelijk is, en dat we suggesties moeten doen over komende ontwikkelingen. De tweede doelstelling is om een prestatieanalyse uit te voeren van flexibele combinaties van meervoudige toegang, modulatie en foutenverbeterende technieken in een kanaal met ernstige fading, blokkering en vertraging. In heb bijzonder worden voorwaartse foutenverbetering (Forward Error Correction of FEC), hybride methoden met automatisch verzoek om herhaling (Automatic Repeat Request of ARQ), code interleaving en concatenated codes met elkaar vergeleken. De foutenverbeterende codes worden toegepast op slotted Aloha, spread slotted Aloha en Direct Sequence Code Division Multiple Access (DS-CDMA). De derde doelstelling is om een ‘Reach Out Point Extension’ (ROPE) model voor te stellen als implementatieconcept. Voor dit voorstel is het als eerste noodzakelijk om de betrokken systeem aspecten te bespreken. Dit wordt gevolgd door een case-study over een rurale gemeenschap in een ontwikkelingsland. Er wordt geprobeerd een inschatting te maken in hoeverre de ‘zachte’ politieke, sociale, economische e.d. factoren de ‘harde’


systeemoplossingen beïnvloeden zodat het systeem binnen een realistische omgeving toe te passen is. Het overzicht in hoofdstuk 2 beschrijft een model van de architectuur van een communicatiesysteem met drie lagen: de transport-, netwerk- en applicatielaag . Dit model kan het zoeken naar hoe verschillende systemen kunnen samenwerken, vergemakkelijken zodat deze systemen geïntegreerd kunnen worden binnen een communicatieomgeving. Communicatiesystemen gebaseerd op satellieten zullen een onmisbaar deel van deze geïntegreerde omgeving vormen. Het blijkt nodig te zijn om het statistische gedrag te onderzoeken van de storing, en van de vertraging in de verschillende propagatiepaden in nietgeostationaire satellietsystemen. De prestatie analyse in de hoofdstukken 3 t/m 5 toont aan dat code interleaving en concatenated codes een krachtige combinatie vormen om signaalverstoring in satelliet kanalen als gevolg van foutenbursts, te verminderen. Hierbij moet wel de statistiek van de duur van de signaalverstoring bekend zijn. Bij minder extreme shadowing, geeft hybride ARQ met een enkele code een hoge throughput. Bij een implementatie zijn mens-systeem interfaces betrokken die geen invloed hebben bij laboratoriumexperimenten waar men de omstandigheden in de hand heeft. In hoofdstuk 6 wordt het implementatieprobleem eerst in de context geplaatst van de gebruikers, aanbieders, regering en ingenieurs die het belangrijkst zijn bij de bepaling van het uiteindelijke product. Gezien de ervaringen van andere landen, wordt er besproken hoe belangrijk het is om een zorgvuldige afweging te maken tussen regulatie en vrije markt bij het aanbieden van communicatiefaciliteiten en -diensten. Het voorgestelde ROPE concept heeft als doel om rurale gemeenschappen met beperkte budgetten zo soepel mogelijk op te nemen in het wereldomvattende telecommunicatiedorp (the global village). Sommige uitdagingen worden echter niet opgelost. In dit proefschrift hebben we bijvoorbeeld aangetoond dat spread-spectrum gecombineerd met slotted Aloha voordelen biedt in een realistische omgeving zoals bij een satellietcommunicatiesysteem gebaseerd op satellieten in lage banen (LEOS, Low Earth-Orbiting Satellites). We moeten echter zeer zorgvuldig te werk gaan bij de specificatie van de belangrijke ontwerpparameters om ervoor te zorgen dat we voldoende stabiliteit, hoge throughput en weinig vertraging hebben. Bij systemen gebaseerd op satellieten in lage banen, bewegen de satellieten erg snel ten opzichte van de mobielen waarmee ze communiceren hetgeen zorgt voor Doppler effecten. We hebben op algemene wijze benadrukt dat de invloed van de elevatiehoek en de hoogte van de antenne van het mobiel op de vertraging, belangrijke ontwerpoverwegingen zijn. Als er ook communicatie tussen de satellieten onderling is, moeten de verkeersverdelingen voor alle mogelijke routes bekend zijn alvorens men gemiddelde vertragingen kan berekenen. Bij het beheer van middelen en beheersing van het verkeer, zijn verdere theoretische studies nodig naar de throughput en vertraging in kanalen van DLMSC systemen met fading voor zowel geostationaire als niet-geostationaire systemen. Uit prestatietesten blijkt dat een foutbeheersingsalgoritme dat de toestand van het kanaal aftast, het makkelijker maakt voor

139

foutbeheersingslussen om zich aan te passen aan dynamische veranderingen in de foutconditie van het kanaal. Met de toenemende interesse voor storingsbegrensde systemen, is er zeker behoefte om de statistiek van de storing en het ontwerp van de cellen van niet geostationaire systemen te onderzoeken. Er zijn pogingen om de ontwikkeling van rurale communicatiesystemen te combineren met de ontwikkeling en verbetering van software en procedures voor internetworking en beveiliging van computergegevens. Nu moeten in deze pogingen echter ook de satellietcomponent en de internationale opvattingen zoals deze besloten liggen in de visie van een wereldomvattend telecommunicatiedorp, meegenomen worden.


141

Acknowledgements As the author I am greatly indebted to colleagues in the Telecommunications and Traffic-Control Systems Laboratory for ready support throughout the 33-month research period which resulted in this thesis. Particular thanks go to the following: Dr. S. Hara, who gladly reviewed every chapter, Dr. J. H. Weber, ir. C. Van Den Broek and ir. D. Sparreboom, who not only critiqued some of the related publications but also co-translated the summary into Dutch, Ing. H. Stikkel and ir. H. Reimers, who responded well to my extra demands on computing facilities, Mrs. N. Kay-de Jong and the secretaries, who provided timely administrative support, my promoter and co-promoter, who dutifully encouraged me to stay on course to the very end and provided much needed moral and technical support when necessary, and my two students, who did a splendid job on hybrid error-control experiments. There are also the various colleagues from both the laboratory and other countries whose thorough criticism contributed to the success of my international publications. The ease of correspondence with Econet (Pvt.) Ltd. contributed significantly to Chapter 6 and Appendix E. Hearty thanks also go to the bishop’s office, Brethren in Christ Church, Zimbabwe, which provided the data for Appendix D. Our stay as a family here would have been difficult without the support of brothers and sisters in the Mennonite Church both in Delft and in The Hague. In spite of the language barrier, many members of the church went out of their way to try to make us feel at home. Ed and Tiny Van Straten, Puck and the late Ulrick Daum, Irna and Tim Ter Kuile, Gerda Bolier, and Esther Bijlsma all became very close to the family, making us feel at home in The Netherlands. Rev. Auke Hofman, Fr. Piet Van Dongen and Fr. Fritz Maas of the Delft English Service on the Raamstraat, and Rev. Kyle Holland of the Living Water Church formed part of our support system. Our families, friends and colleagues back in Zimbabwe kept our spirits up throughout the project. An exhaustive list of friends and well-wishers is virtually impossible to compile. Your support was greatly appreciated. Finally, special thanks go to Flora, who faithfully proof-read every chapter of the manuscript and each related publication. Similar thanks go to Thandeko and Dumisa for willingly giving me the monopoly of the PC and helping with data compilation. The family also contributed ideas towards the final layout and general look of the thesis.


143

Curriculum Vitae Mqhele Enock-Hershal Dlodlo was born at Sandolo, Umzingwane, Zimbabwe, on 2 May 1954. He obtained the B.Sc.E.E. in 1980, the B.Sc. - Engineering Management and Mathematics in 1983 from Geneva College, Pennsylvania, and the M.Sc. from Kansas State University in 1989.

Between 1980 and 1983, he served as a maintenance and audio-visual service engineering intern in the Plant Engineering Department, Geneva College, Beaver Falls, Pennsylvania while studying towards the engineering management degree. He has lectured in Electronic Engineering since 1983, first at the Bulawayo Polytechnic and then at the National University of Science and Technology (NUST), Bulawayo, Zimbabwe. From 1994 to 1996 he was on leave doing research in land-mobile satellite communication systems with the Telecommunications and Traffic-Control Systems Group in the Electrical Engineering Department at Delft University of Technology, The Netherlands.


LIST OF MAIN ABBREVIATIONS -------------------------------------------------------------129 LIST OF SYMBOLS--------------------------------------------------------------------------------131 LIST OF PUBLICATIONS BY THE AUTHOR.----------------------------------------------133 LIST OF STUDENTS SUPERVISED ----------------------------------------------------------135 SAMENVATTING (IN DUTCH)------------------------------------------------------------------137 ACKNOWLEDGEMENTS ------------------------------------------------------------------------141 CURRICULUM VITAE-----------------------------------------------------------------------------143

List of Main Abbreviations

Recommend Documents