Access Equality Though Non-Terrestrial Networks Using Frequencies from 100 GHz to 300 GHz

Les gens du monde entier font toujours face à une fracture numérique qui les empêche de bénéficier de l’économie numérique en fonction de leur localisation. Une solution à ce prob-lème d’inégalité d’accès est d’utiliser des méga-constellations en orbite terrestre basse (LEO) pour fournir une connectivité globale et continue. Cela offre un modèle commercial différent avec des coûts plus bas par satellite et complète les services terrestres existants. Cepen-dant, fournir suffisamment de spectre pour la connectivité par satellite est un défi en raison du nombre croissant de satellites, des constellations NGSO spatialement et à haute densité. Une autre source de congestion est les bandes passantes étroites que la physique offre à des fréquences plus basses et la nécessité de partager le spectre entre tous les services de ra-diocommunication. Comme le spectre est limité, deux approches principales peuvent être explorées : utiliser le spectre de manière plus efficace ou étendre l’utilisation du spectre à des bandes de fréquences plus élevées. Cette recherche se concentre sur cette dernière approche. Cette recherche vise à explorer la faisabilité d’utiliser des bandes de fréquences THz pour les réseaux non terrestres, y compris les communications pour les méga-constellations LEO avec des stations terrestres fixes et ESIM afin d’essayer de résoudre la fracture numérique mondiale en fournissant une connectivité abordable et omniprésente, en tirant parti de l’infrastructure offerte par les méga-constellations de satellites LEO actuelles et futures. Pour notre modèle de réseau, des facteurs intrinsèques et extrinsèques qui affectent l’utilisation du spectre par les services spatiaux, tels que la pluie, le brouillard, les nuages et les gaz at-mosphériques, sont pris en compte. Les fréquences examinées vont de 100 à 300 GHz. Les altitudes varient entre 200 km et 2000 km. Les objectifs spécifiques du projet de recherche sont les suivants: 1.Analyser les caractéristiques intrinsèques et extrinsèques qui affectent l’utilisation du spectre par les services spatiaux, identifier les bandes THz les plus appropriées pour l’allocation aux services satellitaires pour une utilisation par les méga-constellations LEO. 2.Explorer l’utilisation de réseaux phasés dans les bandes THz. Le scénario que nous considérons est conçu pour recevoir et transmettre des signaux depuis trois endroits différents : Montréal, Mexico et Manaos au Brésil, en tenant compte des conditions environnementales typiques de ces villes.

Abstract

As the spectrum is a limited resource, the application of non-terrestrial systems in the tera-hertz (THz) range presents a viable option for ensuring universal access. This research aims to investigate the feasibility of utilising frequency bands ranging from 100 to 300 GHz for Low Earth Orbit (LEO) mega-constellations communications. The proposal seeks to address the global digital divide by providing affordable and ubiquitous connectivity, leveraging the infrastructure offered by current and future LEO satellite mega-constellations. We present a non-terrestrial system composed of a constellation in LEOs, Earth Stations in Motion (ESIMs), and conventional Earth stations, which can accomplish universal access. The study examines the impact of attenuation factors on signal propagation in individual links of a non-terrestrial system. These factors include rain, fog, clouds, and atmospheric gases and are tested for frequencies ranging from 100-300 GHz, which are currently not allocated to satellite services under the regulatory framework of the International Telecommunications Union. Additionally, the research takes into consideration the altitude of the satellites. This study has two specific objectives: firstly, to examine how propagation affects the uti-lization of the spectrum in varying altitudes and different bands ranging from 100-300 GHz by satellite services. This part of the study apply quantitative methods to analyzing and gathering numerical data to evaluate relationships in the communication channel and the at-tenuation. The scenario that we consider was designed to receive and transmit signals from three different locations, Montréal, Mexico City and Manaos in Brazil, therefore, it considers the typical environmental conditions of those cities. For our second objective, we examine the viability and efficacy of phased arrays in the THz spectrum through simulations of their impact on antenna frequency, number of elements, and inter-element distance. In terms of methodology, we utilised Matlab to compute the equations outlined in various Resolutions and Recommendations released by the International Telecommunication Union (ITU) and academia for our first objective. Furthermore, we conducted a comparative analy-sis on our findings and the existing literature. For the second objective, we simulated phased array antennas through Matlab to get the relevant data such as radiation pattern, gain, and half power beam width, etc.