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[en] FOG AND RAIN ATTENUATION MODELS FOR THE DESIGN OF FSO LINKS IN 5G+ / [pt] MODELOS DE ATENUAÇÃO DE NEBLINA E CHUVA PARA O PROJETO DE ENLACES FSO EM 5G+

CLARA ELIZABETH VERDUGO MUNOZ 22 August 2022 (has links)
[pt] A óptica de espaço livre (FSO), inicialmente estudada na década de 60, está atraindo atenção no contexto dos sistemas 5G+, que exige tecnologias de back-hauling sem fio com taxas de dados extremamente altas em distâncias de poucos quilômetros. A atual falta de um modelo global de perda de percurso para FSO motiva o estudo do comportamento do enlace óptico sob diferentes condições atmosféricas. Esta tese trata do desenvolvimento de modelos para prever a atenuação devido a neblina e chuva para projetar enlaces FSO em tecnologias 5G e além. Estudamos os bancos de dados de medições de superfície disponíveis em todo o mundo como referência para analisar as respostas do FSO considerando os dados disponíveis de longo prazo e descobrimos que o maior impacto na visibilidade em todo o mundo é causado por neblina, neve e chuva. Assim, selecionamos neblina e chuva como o foco deste estudo. Vários modelos de perda de percurso, baseados na visibilidade, são avaliados através de uma abordagem analítica. Propomos modelos de limite inferior e superior para estimar a atenuação específica devido ao nevoeiro considerando incertezas quanto à sensibilidade da atenuação específica, gama, em função da visibilidade em 1.550 micrômetros e o melhor ajuste aos resultados do modelo microfísico. Com relação à atenuação causada pela chuva, estudamos modelos disponíveis na literatura para enlaces de micro-ondas e os modificamos para aplicação em enlaces FSO. Quando os efeitos de espalhamento múltiplo são considerados, foi encontrada uma redução significativa na atenuação da chuva. Construímos a partir dos modelos, um método para combinar estatisticamente a atenuação em enlaces FSO causada por diferentes condições climáticas. O desempenho dos enlaces ópticos é avaliado em termos do máximo comprimento do enlace em relação à disponibilidade sob quatro condições climáticas: (i) somente chuva, (ii) somente neblina, (iii) chuva e neblina, e (iv) e todas as condições. Finalmente, eventos experimentais para os enlaces FSO e mmWave implementados no campus Leonardo do Politecnico di Milano são classificados e analisados dependendo do efeito atmosférico estudado: chuva estratiforme, chuva convectiva, chuva leve, vento, neblina pesada, neve e outros. / [en] Free-space optics (FSO), initially studied in the 60s, is attracting attention in the frame of 5G+ systems, which demands wireless back-hauling technologies with extremely high data rates over distances up to a few kilometers. The current lack of a global path loss model for FSO motivates studying the optical link s behavior under different atmospheric conditions. This thesis deals with the development of models for predicting the attenuation due to fog and rain for designing FSO links in 5G and beyond technologies. We study extensive surface measurement databases worldwide as a benchmark for analyzing FSO responses considering available long-term data. We find that the highest impact on visibility worldwide is caused by fog, snow, and rain. Thus, we select fog and rain as the focus of this study. Several path loss models based on visibility are assessed. We propose lower and upper-bound models to estimate the specific attenuation, gamma, due to fog which considers uncertainties as the sensitivity of gamma to the visibility at 1.550 µm and a micro-physical model of fog. Regarding attenuation caused by rain, we study models available in the literature for microwave links and modify them for application to FSO. When the multiple scattering effects are considered, a significant reduction in the rain attenuation has been found. From the findings, we build a method to statistically combine the attenuation effects on FSO caused by different weather conditions. The performance of FSO links is assessed in terms of the maximum link range against availability under four weather conditions: (i) rain only, (ii) fog only, (iii) rain and fog, and (iv) all conditions. Finally, experimental events for FSO and mmWave links implemented at Leonardo Campus of Politecnico di Milano are classified and analyzed depending on the studied atmospheric effects: stratiform rain, convective rain, light rain, wind, heavy fog, snow, and others.

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