Many industries are turning to wireless communication systems to track their assets. One example of such an industry is the shipping industry, where — under the growing emphasis on homeland security — tracking cargo containers and their contents has become a high priority. There are several beacons on the commercial market that will meet this need if the required beacon does not need to be independently powered or to have global coverage. This thesis attempts to find a design solution for a beacon that transmits location data, is battery powered, and has world-wide coverage. The beacon is intended to be a low power, transmit only device, and the receiver will not be designed to operate in real-time. Several communication systems were evaluated on these conditions, and the Globalstar Satellite System was selected to use as the communication system for the beacon. The Globalstar Satellite System is a low earth orbiting (LEO) satellite system and uses Code Division Multiple Access (CDMA) to allocate system resources to the maximum number of users possible. Discussions of spread spectrum techniques and theory, Rake receivers, and error correction codes are included as a background for the design. This thesis examines the initial steps in the design of the transmitter beacon and aims to determine the minimum required beacon transmit power for good receiver performance. A portion of the correlator in the Globalstar receiver is simulated for several scenarios: a single user case with varying transmit power, and a multiple user case with fixed transmit power. Although not likely to occur, the single user case was used to baseline system performance and to verify the multi-user case results. The simulated correlator employed a parallel search strategy and used a truncated version of the Globalstar system code sequence. Finally, a threshold analysis was performed to determine if better receiver performance could be obtained. / Master of Science

Τα συστήματα κινητής τηλεφωνίας απαιτούν οι κινητές συσκευές να βρίσκονται στην περιοχή κάλυψης ενός σταθμού βάσης για να μπορεί να διεξαχθεί επικοινωνία. Τι συμβαίνει όμως όταν ένα κινητό τερματικό βρεθεί σε περιοχή που δεν καλύπτεται από σταθμό βάσης; Αυτό μπορεί να συμβεί είτε σε περίπτωση που η περιοχή είναι απομονωμένη ώστε να μη έχει καταστεί συμφέρον να αναπτυχθεί υποδομή κινητής επικοινωνίας, είτε αν βρίσκεται στην επικράτεια υποανάπτυκτης χώρας όπου οι υποδομές είναι απαρχαιωμένες ή ανύπαρκτες, είτε οι υποδομές της περιοχής έχουν καταστραφεί ή καταστεί πρακτικά μη λειτουργικές λόγω απρόσμενων συμβάντων (πόλεμοι, σεισμοί, παλίρροιες, κλπ). Τα κινητά συστήματα δορυφορικών επικοινωνιών αναπτύχθηκαν ακριβώς για να παρέχουν αξιόπιστες υπηρεσίες επικοινωνιών «παντού και πάντοτε». Ειδικά, την δεκαετία 1990 που άρχισε η ευρεία χρήση κινητών επικοινωνιών, αντιμετωπίστηκε το αρχικά το πρόβλημα περιορισμένης κάλυψης λόγω μη επαρκούς επίγειας υποδομής. Η ιδέα ήταν να εξυπηρετούνται οι συνδρομητές από δορυφόρους αντί σταθμών βάσης, οι οποίοι θα παρείχαν παγκόσμια κάλυψη και θα παρέμειναν ανεπηρέαστοι από τις εξελίξεις στην Γη. Συνεπώς, δεν θα απαιτούνταν πρόσθετες υποδομές για κάλυψη περιοχών αλλά οι αρχικοί αστερισμοί δορυφόρων να παρείχαν αδιάκοπη κάλυψη. Ωστόσο λόγω της υψηλής χρέωσης δορυφορικής επικοινωνίας, της αδυναμίας παροχής εξαρχής των διαφημιζόμενων υπηρεσιών και του ανταγωνισμού από τα επίγεια συστήματα κινητής τηλεφωνίας, κάποια από τα δορυφορικά κινητά συστήματα (Iridium, Globalstar) οδηγήθηκαν σε χρεωκοπία στις αρχές της δεκαετίας 2000. Τα συστήματα αυτά εξαγοράστηκαν και ανασυστάθηκαν, και εξυπηρετούν εκατοντάδες χιλιάδων συνδρομητών, ενώ ετοιμάζονται για την εκτόξευση νέας γενεάς δορυφόρων. Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τις τεχνικές διαφορικής λήψης στα συστήματα κινητών δορυφορικών επικοινωνιών και γίνεται προσομοίωση της διαφορικής λήψης σήματος δορυφόρου από πλευράς χρήστη. Για να καταστούν όμως σαφέστερες στον χρήστη οι τεχνικές αυτές, προηγείται επισκόπηση των αρχών επικοινωνίας και της αρχιτεκτονικής των συστημάτων αυτών, ενώ μελετώνται και τεχνικές επεξεργασίας που εφαρμόζονται στο κινητό δορυφορικό σήμα. Συγκεκριμένα, στο Κεφάλαιο 1, αναφέρονται οι αρχές κινητών δορυφορικών επικοινωνιών, δηλαδή η συχνότητες επικοινωνίας, οι τροχιές των δορυφόρων, τα φαινόμενα διάδοσης στο ασύρματο δορυφορικό μονοπάτι, η κάλυψη των δορυφόρων κινητών επικοινωνιών, οι δορυφορικές ζεύξεις και οι τεχνικές μεταπομπής του κινητού σήματος. Στο Κεφάλαιο 2, αναλύεται η αρχιτεκτονική των δορυφορικών συστημάτων κινητών επικοινωνιών, δηλαδή όλες οι συνιστώσες διαστήματος και εδάφους από τις οποίες απαρτίζεται ένα δορυφορικό σύστημα που επιτελεί υπηρεσίες κινητών επικοινωνιών. Έμφαση δίνεται στα υποσυστήματα του τηλεπικοινωνιακού δορυφόρου που αποτελεί την κεντρική συνιστώσα κάθε δορυφορικού συστήματος. Γίνεται αναφορά και στην επίγεια υποδομή που παρέχει υποστήριξη στους δορυφόρους και διασύνδεση με τα άλλα δίκτυα επικοινωνιών. Ακολουθεί περιγραφή της αρχιτεκτονικής των δύο πιο δημοφιλών δορυφορικών συστημάτων υπηρεσιών κινητών επικοινωνιών, Iridium και Globalstar. Πλέον όλα τα σήματα κινητών επικοινωνιών είναι ψηφιακά, καθότι η ψηφιακή τεχνολογία προσφέρει πολλά πλεονεκτήματα έναντι της αναλογικής. Στο Κεφάλαιο 3, αναλύονται οι ψηφιακές τεχνικές που εφαρμόζονται στο δορυφορικό σήμα κινητών επικοινωνιών ακολουθώντας όλα τα στάδια από την ψηφιοποίηση του αναλογικού σήματος που παράγεται από τον ομιλητή, τις διάφορες μορφές κωδικοποίησης, πολυπλεξίας, διαμόρφωσης και τέλος, πολλαπλής πρόσβασης στον δορυφορικό αναμεταδότη. Το Κεφάλαιο 4 μπαίνει στην καρδιά της διπλωματικής εργασίας, δηλαδή τις τεχνικές διαφορισμού. Αναφέρονται γενικά οι τεχνικές διαφορισμού πομπού και δέκτη, και ο δέκτης RAKE για διαφορική λήψη κινητού τηλεφώνου. Επιπλέον αναλύονται οι διαδικασίες διαφορισμού που λαμβάνουν χώρα σε όλο το εύρος ενός δορυφορικού συστήματος κατά την διεξαγωγή κλήσης, που εμπλέκουν δύο ή περισσότερες πύλες και δύο ή περισσότερους δορυφόρους. Τέλος, στο Κεφάλαιο 5, γίνεται προσομοίωση της διαφορικής λήψης τηλεφωνικού σήματος CDMA που εκπέμπεται από πολλαπλούς δορυφόρους που βρίσκονται εντός του οπτικού πεδίου ενός δορυφορικού τηλεφώνου. Τα σήματα των δορυφόρων λαμβάνονται από τον δέκτη RAKE του τηλεφώνου και συνδυάζονται σε ένα συνεκτικό σήμα με κάποια τεχνική συνδυασμού. Βάσει των αποτελεσμάτων των προσομοιώσεων θα αξιολογηθεί η ποιότητα του λαμβανόμενου σήματος για κάθε πρόσθετο δορυφόρο και για κάθε τεχνική συνδυασμού διαφορισμού. / The mobile satellite systems were developed with the ambitious goal to provide reliable service “anywhere, anytime”. Whereas the cellular mobile systems depend on ground infrastructure in order to be operational, the mobile satellite systems indeed can still work even where ground infrastructure is inadequate or destroyed by unexpected events such as earthquakes, tides or wars. The concept of mobile satellite systems is that mobile satellite phones communicate directly with a fleet of dozens of satellites just like cell phones communicate with base stations. In such a way, communication can be delivered uninterrupted by events on Earth, as well as the need for additional ground infrastructure can be bypassed. However, due to high satellite service charges, inability to provide the advertised services and high competition from terrestrial cellular systems some of mobile satellite systems (Iridium, Globalstar) fell into bankruptcy in early 2000s. These systems were taken over and reestablished and are currently serving hundreds of thousands customers, while been prepared to launch a new generation of satellites. The purpose of the present diploma thesis is to study the reception techniques in the mobile satellite systems. Eventually, the diversity reception is simulated for the case of a satellite phone receiving signal from four LEO satellites, inspired by the Globalstar system. In order that the function of a MSS can be understood, before the presentation of the simulation, the principles of mobile satellite communications are presented, following the architecture of an MSS and the digital signal techniques that are utilized in mobile satellite communications. Specifically, in Chapter 1 the principles of mobile satellite communications are reviewed. We start with the types of mobile satellite services and frequency allocation. Then the communications satellites orbits are mentioned with emphasis to the advantages and disadvantages of each orbit that determines its utilization in satellite communications. We proceed with the mobile satellite links, the coverage of a LEO satellite and the handover techniques that are necessary in order to guarantee uninterrupted connection and seamless switching during a call. In Chapter 2, the architecture of a mobile satellite system is analyzed, i.e. the components of which a mobile satellite system is comprised. At first, we will take an insight in the structure and the various systems of a communications satellite. In addition, we will see the structure of the ground segment that supports the satellites and the user segment. Additionally the Iridium and Globalstar are presented that follow totally opposite philosophies in all implementation and function aspects. Digital technology has managed to prevail over its analog counterpart in most satellite communications thanks to its inherent advantages. The most common digital signal techniques will be reviewed in Chapter 3 concerning the MSS. Specifically, source coding, channel coding, line coding, modulation, multiplexing, multiple access, pulse shaping, and equalization techniques are taken into account since all these techniques are implemented in almost every wireless digital communication, rendering the digital signal resistant to wireless channel impairments as well as bandwidth effective. In Chapter 4, diversity analysis takes place. Diversity is a technique whereby multiple replicas of a signal are sent over a wireless channel so as to mitigate fading. We will see the various diversity techniques along with the diversity combining techniques which are used to finally combine the received signals into a single coherent signal. Furthermore, a reader will learn about some diversity techniques used in mobile satellite systems involving multiple satellites and gateways during call establishment and routing. Finally, the knowledge acquired from the previous chapters will help understand the process of diversity reception in the case of a satellite phone. In Chapter 5, the signal reception by a satellite phone from four LEO satellites is simulated by use of the Matlab programming tool. Every satellite is presumed to transmit a replica of the same signal based on the CDMA spread spectrum technique whereas the signals arrive at the phone following different paths (path diversity). Hence the received signal is comprised of four multipath components arriving at the receiver at different times. The satellite phone includes a RAKE receiver which is composed of four fingers or braches each synchronized to a multipath component. The RAKE receiver combines the multipath components using each of the SC, EGC and MRC techniques. Conclusively, the signal-to-noise ratio (SNR) and energy per bit to noise power spectral density ratio (Eb/N0) are measured as a function of the number of RAKE receiver fingers and the combining technique. The simulation results will denote the importance of diversity in the quality of the received signal in a multipath environment as well as the efficiency of each of the combining techniques.

Satellites typically communicate with locations on the ground to receive commands and send data back. Establishing reliable communications generally requires dedicated ground stations, which in turn require hardware and expertise. Developers of nano-satellites, however, may not have the expertise or resources necessary for establishing a dedicated ground station. Therefore, the use of an existing communication system, such as the Satellite Personal Communication Networks (S-PCNs), is attractive. Another shortcoming of the fixed ground stations, already available, is that they are normally only able to communicate with Low Earth Orbit (LEO) nano-satellites four times per day (two10-minute windows separated by 90 minutes, followed 12 hours later by two more such 10-minute windows). This drawback is also overcome by the use of S-PCNs which provide increased access times, smaller gaps in contact between the satellites and ground stations, and easier tracking of satellite health. In this thesis, the capabilities of S-PCNs for communications with a nano-satellite are explored. Software simulation and analysis have been performed to assess system performance. Ground testing of the hardware is done to understand the use of such systems for small satellites.