This thesis proposes the design of the UAV-LMDS communication system for military and commercial use. The UAV-LMDS system is a digital, wireless communication system that provides service using unmanned aerial vehicles (UAVs) flying at 60,000 ft. acting as communication hubs. This thesis provides background information on UAV-LMDS system elements, a financial analysis, theory, link budgets, system component design and implementation issues. To begin the design, we develop link budgets that are used to characterize system parameters. We present detailed antenna designs for the antennas aboard the UAV. We also present communication equipment block diagrams. Included are technical details on military and commercial geostationary satellites used to link transmissions in the system. Implementation issues in the military system are discussed. Mobility and the effects of vegetation in the propagation path are investigated and a co-channel interference study is done. This thesis shows that by using UAVs and LMDS, a viable, broadband, wireless communications system can be created for military and commercial use. / Master of Science

Broadband wireless technologies have the potential to provide integrated data and multimedia services in several niche areas. There is a growing need to develop high-performance communication systems that can satisfy high-end data processing requirements inherent in these technologies. The speed and complexity of these systems necessitates designers to break away from traditional architectures and design methodologies. A more comprehensive and demanding design and verification process including both hardware and software is required. Field-programmable gate arrays (FPGA) offer an attractive alternative to the low efficiency of Digital Signal Processor (DSP) based systems and low flexibility of Application Specific Integrated Circuits(ASIC). The availability of high-density, high-performance field-programmable gate arrays with several capabilities, like embedded memory and advanced routing, together with the adaptability that they offer make them highly desirable for developing hardware prototypes of communication systems. This thesis describes the development of a configurable architecture and FPGA-based design methodology used in the development of a Local Multipoint Distribution Service (LMDS) gateway for a disaster response network. The design of the gateway posed several challenges due to high data rates (120 Mbits/sec) and adaptive features like variable Forward Error Correction Coding and optional link-level retransmissions. The design decisions and simulation results of the verification process are discussed in detail. Finally, the aspects of testing and integration of the prototype in the overall system are discussed. / Master of Science

El món de les comunicacions per la xarxa elèctrica (CXE) pot ser dividit en tres grans tipus: CXE en baix voltatge (CXE-BV), en mig voltatge (CXE-MV) i en alt voltatge (CXE-AV). En aquests últims anys, les CXE-BV han atret una gran expectació, ja que les seves capacitats han fet d'aquesta tecnologia una bona opció com alternativa pel bucle local d'accés i pel desplegament de xarxes d'àrea local, focalitzades aquestes últimes en l'entorn domèstic. A més, les CXE-BV inclouen un conjunt d'aplicacions de baixa velocitat orientades a l'operador, com la lectura automàtica de comptadors (LAC), distribució de càrrega, facturació dinàmica, etc. Per altra banda, les CXE-MV i CXE-AV, històricament lligades a tasques de telecontrol i teleprotecció, s'estan començant a considerar com un canal de comunicacions eficient i fiable. El desenvolupament de sistemes digitals i els esforços d'estandardització estan fent d'aquests canals un medi atractiu per a que els operadors elèctrics ofereixin serveis de comunicacions, ja que no necessiten invertir en infraestructura perquè la xarxa elèctrica ja està desplegada.En aquesta Tesi s'introduiran i es comentaran les particularitats de les tres xarxes elèctriques, després, es mostraran al lector les solucions tecnològiques existents pels canals de BV basats en la norma Europea CENELEC així com pels canals d'AV, mostrant que els sistemes actuals de LAC ofereixen una diversitat freqüencial molt baixa i que els mòdems CXE-AV estan ancorats en estendards antiquats.Aquest treball es mou per les tres topologies de la xarxa, particularment, en aplicacions orientades a la banda CENELEC, en mesura i modelat de canal, i en mesura i disseny del nivell físic per sistemes CXE-BV, CXE-MV i CXE-AV respectivament. Els sistemes actuals que exploten la banda CENELEC ofereixen mecanismes d'explotació de la diversitat freqüencial del canal molt limitats o nuls, donant lloc a una baixa robustesa en front a interferències i soroll de fons acolorit. Aquest treball proposa un esquema de modulació multiportadora que, mantenint una complexitat baixa, ofereix unes altes prestacions permetent un bon nivell d'explotació de la selectivitat freqüencial. Per al que a CXE-MV respecta, aquesta Tesi desenvolupa un model de canal determinístic-estadístic pels anells urbans de distribució de potència i, finalment, en sistemes CXE-AV, aquest treball proposa, basat en mesures de canal i proves de camp, un nivell físic de banda ampla capaç de incrementar la velocitat de comunicació mentre manté una baixa densitat espectral de potència limitant així la interferència a altres sistemes.PARAULES CLAU: Power line communications (PLC), low voltage (LV), medium voltage (MV), high voltage (HV), automatic meter reading (AMR), orthogonal frequency division multiplexing (OFDM), multicarrier spread spectrum (MC-SS), communication system design, channel measurements, channel modeling, scattering parameters. / El mundo de las comunicaciones por la red eléctrica (CRE) puede ser dividido en tres grandes tipos: CRE en bajo voltaje (CRE-BV), en medio voltaje (CRE-MV) y en alto voltaje (CRE-AV). En estos últimos años, las CRE-BV han atraído una gran expectación, ya que sus capacidades han hecho de esta tecnología una buena opción como alternativa para el bucle local de acceso y para el despliegue de redes de área local, focalizadas estas últimas en el entorno doméstico. Además, las CRE-BV incluyen un conjunto de aplicaciones de baja velocidad orientadas al operador como la lectura automática de contadores (LAC), distribución de carga, facturación dinámica, etc. Por otro lado, las CRE-MV y CRE-AV, históricamente ligadas a tareas de telecontrol y teleprotección, se están empezando a considerar como un canal de comunicaciones eficiente y fiable. El desarrollo de sistemas digitales y los esfuerzos de estandarización están haciendo de estos canales un medio atractivo para que los operadores eléctricos ofrezcan servicios de comunicaciones, ya que no necesitan invertir en infraestructura porque la red eléctrica ya está desplegada.En esta Tesis se introducirán y se comentarán las particularidades de las tres redes eléctricas, luego, se mostrarán al lector las soluciones tecnológicas existentes para los canales de BV basados en la norma Europea CENELEC así como para los canales de AV, mostrando que los sistemas actuales de LAC ofrecen una diversidad frecuencial muy baja y que los módems CRE-AV están anclados en estándares anticuados.Este trabajo se mueve por las tres topologías de red, particularmente, en aplicaciones orientadas a la banda CENELEC, en medida y modelado de canal, y en medida y diseño del nivel físico para sistemas CRE-BV, CRE-MV y CRE-AV respectivamente. Los sistemas actuales que explotan la banda CENELEC ofrecen mecanismos de explotación de la diversidad frecuencial del canal muy limitados o nulos, dando lugar a una escasa robustez frente a interferencias y ruido de fondo coloreado. Este trabajo propone un esquema de modulación multiportadora que, manteniendo una complejidad baja, ofrece unas altas prestaciones permitiendo un buen nivel de explotación de la selectividad frecuencial. Por lo que a CRE-MV respecta, esta Tesis desarrolla un modelo de canal determinístico-estadístico para los anillos urbanos de distribución de potencia y, finalmente, en sistemas de CRE-AV, este trabajo propone, basado en medidas de canal y pruebas de campo, un nivel físico de banda ancha capaz de incrementar la velocidad de comunicación mientras mantiene una baja densidad espectral de potencia limitando así la interferencia a otros sistemas.PALABRAS CLAVE: Power line communications (PLC), low voltage (LV), medium voltage (MV), high voltage (HV), automatic meter reading (AMR), orthogonal frequency division multiplexing (OFDM), multicarrier spread spectrum (MC-SS), communication system design, channel measurements, channel modeling, scattering parameters. / The world of Power line communications (PLC) can be divided into three main types: low voltage PLC (LV-PLC), medium voltage PLC (MV-PLC) and high voltage PLC (HV-PLC). These last years, LV-PLC has attracted a great expectation since its wideband capabilities has made this technology a suitable choice for last-mile access and in-home communications. Moreover, LV-PLC also includes a utility oriented low frequency and low speed applications, such as automatic meter reading (AMR), load distribution, dynamic billing and so on. On the other hand, MV-PLC and HV-PLC, historically oriented to teleprotection and telecontrol tasks, are being considered as a reliable communication channel. The development of digital equipment and the standardization efforts are making those channels an attractive medium for electrical utilities telecommunications services, since the network, as well as in LV-PLC, is already deployed. In this PhD dissertation, the three different PLC topologies are reviewed and the different communications techniques in such channels exposed. Then, a deep technological review of existing AMR solutions for the European CENELEC band, as well as HV-PLC systems is given, showing that existing AMR systems deliver low frequency diversity and HV-PLC systems are anchored in old fashioned standards.This work walks around the three topologies, specifically, CENELEC band utility oriented applications, channel measurement and modeling and channel measurement and physical layer design, regarding LV-PLC, MV-PLC and HV-PLC respectively. Existing CENELEC compliant systems deliver low or none frequency diversity mechanisms, yielding in a low robustness against colored noise and interference. This work propose a multicarrier based physical layer approach that, while keeping the complexity low, delivers high performance allowing a great level of frequency diversity. Focusing on MV-PLC, a hybrid deterministic-statistical channel model for urban underground rings is developed and, finally, in HV-PLC systems, this work proposes, based on measurements and field tests, a wideband physical layer in order to increase data rate while keeping low both the power spectral density and possible interference to other systems.KEYWORDS: Power line communications (PLC), low voltage (LV), medium voltage (MV), high voltage (HV), automatic meter reading (AMR), orthogonal frequency division multiplexing (OFDM), multicarrier spread spectrum (MC-SS), communication system design, channel measurements, channel modeling, scattering parameters.