Published January 1, 2019 | Version v1
Publication Open

Performance analysis of <i>κ</i>-<i>μ</i> distribution for Global Positioning System (GPS) L1 frequency-related ionospheric fading channels

Creators

  • 1. Instituto de Aeronáutica e Espaço
  • 2. Instituto Tecnológico de Aeronáutica
  • 3. National Institute for Space Research
  • 4. Federal Institute of São Paulo

Description

The present work aims to evaluate the application of the κ - μ distribution as a representation of the fading effect caused by the phenomenon of scintillation on L -band transionospheric radio links. The ionospheric scintillation is a phenomenon defined as a rapid variation in the amplitude and phase of electromagnetic wave signals. This phenomenon starts in the first hours of the night, at latitudes near the geomagnetic equator. Scintillation occurs when radio signals cross ionospheric irregularities, also known as plasma bubbles. These plasma bubble structures are generated after the sunset due to instabilities in the F region of ionosphere. Distributions with non-single parameter usually present better results, however, this point requires further investigation by comparing different models. The goals of this study are: (1) the modeling of experimental data using the κ - μ distribution; (2) the κ - μ parameters characterization for empirical data and the evaluation of parameters estimation based in different approaches; (3) the comparison between the distribution proposed and other models adopted in the literature in order to verify the performance of two parameter models. The results of the analysis performed showed that the κ - μ distribution presents good fitting of the empirical scintillation data. These fitting results were calculated through the chi-square fit test under which the values reveal fair E [ χ 2 ] for κ - μ distribution in most of the cases. The evaluation of κ - μ parameters suggests that the distribution has a more conservative outcome than in the distributions traditionally used, but being a legitimate approximation due to its adjustable features in the tail region of the distribution. Typical pairs of κ - μ coefficients are presented for theoretical works. The comparison of κ - μ distribution to Rice, Nakagami- m and α - μ models showed that κ-μ is capable of describing more severe scintillation scenarios where the tail of the distribution is more raised in comparison to the other models.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

يهدف العمل الحالي إلى تقييم تطبيق توزيع κ - μ كتمثيل لتأثير التلاشي الناجم عن ظاهرة التلألؤ على الروابط الراديوية عبر الغلاف الجوي للنطاق L. وميض الغلاف الأيوني هو ظاهرة تعرف بأنها تباين سريع في سعة ومرحلة إشارات الموجات الكهرومغناطيسية. تبدأ هذه الظاهرة في الساعات الأولى من الليل، عند خطوط العرض بالقرب من خط الاستواء المغنطيسي الأرضي. يحدث التلألؤ عندما تعبر الإشارات الراديوية عدم انتظام الغلاف الأيوني، المعروف أيضًا باسم فقاعات البلازما. تتولد هياكل فقاعات البلازما هذه بعد غروب الشمس بسبب عدم الاستقرار في المنطقة F من الغلاف الأيوني. عادة ما تقدم التوزيعات ذات المعلمة غير الفردية نتائج أفضل، ومع ذلك، تتطلب هذه النقطة مزيدًا من التحقيق من خلال مقارنة النماذج المختلفة. أهداف هذه الدراسة هي: (1) نمذجة البيانات التجريبية باستخدام التوزيع κ - μ ؛ (2) توصيف المعلمات κ - μ للبيانات التجريبية وتقييم تقدير المعلمات بناءً على مناهج مختلفة ؛ (3) المقارنة بين التوزيع المقترح والنماذج الأخرى المعتمدة في الأدبيات من أجل التحقق من أداء نموذجين للمعلمات. أظهرت نتائج التحليل الذي تم إجراؤه أن توزيع κ - μ يقدم ملاءمة جيدة لبيانات التلألؤ التجريبية. تم حساب نتائج التركيب هذه من خلال اختبار ملاءمة مربع كاي الذي تكشف القيم بموجبه عن توزيع عادل E [ χ 2 ] لتوزيع κ - μ في معظم الحالات. يشير تقييم معلمات κ - μ إلى أن التوزيع له نتيجة أكثر تحفظًا مما هو عليه في التوزيعات المستخدمة تقليديًا، ولكنه تقريبي مشروع نظرًا لسماته القابلة للتعديل في منطقة ذيل التوزيع. يتم تقديم أزواج نموذجية من معاملات κ - μ للأعمال النظرية. أظهرت مقارنة توزيع κ - μ بنماذج الأرز وNakagami - m وα - μ أن κ - μ قادرة على وصف سيناريوهات التلألؤ الأكثر شدة حيث يكون ذيل التوزيع أكثر ارتفاعًا مقارنة بالنماذج الأخرى.

Translated Description (French)

Le présent travail vise à évaluer l'application de la distribution κ - μ en tant que représentation de l'effet d'évanouissement causé par le phénomène de scintillation sur les liaisons radio transsionosphériques en bande L. La scintillation ionosphérique est un phénomène défini comme une variation rapide de l'amplitude et de la phase des signaux d'ondes électromagnétiques. Ce phénomène commence aux premières heures de la nuit, à des latitudes proches de l'équateur géomagnétique. La scintillation se produit lorsque les signaux radio traversent des irrégularités ionosphériques, également appelées bulles de plasma. Ces structures de bulles de plasma sont générées après le coucher du soleil en raison d'instabilités dans la région F de l'ionosphère. Les distributions avec des paramètres non uniques présentent généralement de meilleurs résultats, cependant, ce point nécessite un examen plus approfondi en comparant différents modèles. Les objectifs de cette étude sont : (1) la modélisation des données expérimentales en utilisant la distribution κ - μ ; (2) la caractérisation des paramètres κ - μ pour les données empiriques et l'évaluation de l'estimation des paramètres basée sur différentes approches ; (3) la comparaison entre la distribution proposée et d'autres modèles adoptés dans la littérature afin de vérifier la performance de deux modèles de paramètres. Les résultats de l'analyse réalisée ont montré que la distribution κ - μ présente un bon ajustement des données empiriques de scintillation. Ces résultats d'ajustement ont été calculés à l'aide du test d'ajustement du chi carré dans lequel les valeurs révèlent une distribution juste E [ χ 2 ] pour κ - μ dans la plupart des cas. L'évaluation des paramètres κ - μ suggère que la distribution a un résultat plus conservateur que dans les distributions traditionnellement utilisées, mais étant une approximation légitime en raison de ses caractéristiques ajustables dans la région de la queue de la distribution. Des paires typiques de coefficients κ - μ sont présentées pour les travaux théoriques. La comparaison de la distribution κ - μ aux modèles Rice, Nakagami-m et α - μ a montré que κ-μ est capable de décrire des scénarios de scintillation plus sévères où la queue de la distribution est plus surélevée par rapport aux autres modèles.

Translated Description (Spanish)

El presente trabajo tiene como objetivo evaluar la aplicación de la distribución κ - μ como una representación del efecto de desvanecimiento causado por el fenómeno de centelleo en enlaces de radio transionosféricos de banda L. El centelleo ionosférico es un fenómeno definido como una variación rápida en la amplitud y fase de las señales de ondas electromagnéticas. Este fenómeno comienza en las primeras horas de la noche, en latitudes cercanas al ecuador geomagnético. El centelleo se produce cuando las señales de radio atraviesan irregularidades ionosféricas, también conocidas como burbujas de plasma. Estas estructuras de burbujas de plasma se generan después de la puesta del sol debido a inestabilidades en la región F de la ionosfera. Las distribuciones con parámetro no único suelen presentar mejores resultados, sin embargo, este punto requiere una mayor investigación mediante la comparación de diferentes modelos. Los objetivos de este estudio son: (1) el modelado de datos experimentales utilizando la distribución κ - μ; (2) la caracterización de parámetros κ - μ para datos empíricos y la evaluación de la estimación de parámetros basada en diferentes enfoques; (3) la comparación entre la distribución propuesta y otros modelos adoptados en la literatura con el fin de verificar el rendimiento de dos modelos de parámetros. Los resultados del análisis realizado mostraron que la distribución κ - μ presenta un buen ajuste de los datos empíricos de centelleo. Estos resultados de ajuste se calcularon a través de la prueba de ajuste de chi-cuadrado bajo la cual los valores revelan una justa E [ χ 2 ] para la distribución κ - μ en la mayoría de los casos. La evaluación de los parámetros κ - μ sugiere que la distribución tiene un resultado más conservador que en las distribuciones utilizadas tradicionalmente, pero es una aproximación legítima debido a sus características ajustables en la región de la cola de la distribución. Los pares típicos de coeficientes κ - μ se presentan para los trabajos teóricos. La comparación de la distribución κ - μ con los modelos de Rice, Nakagami- m y α - μ mostró que κ-μ es capaz de describir escenarios de centelleo más severos donde la cola de la distribución es más elevada en comparación con los otros modelos.

Files

swsc180036.pdf.pdf

Files (24 Bytes)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:7624dcbc096921e31a1da610e19a546e
24 Bytes
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
تحليل أداء توزيع <i>κ</i>-<i>μ</i> لقنوات التلاشي الأيوني ذات التردد L1 للنظام العالمي لتحديد المواقع (GPS)
Translated title (French)
Analyse des performances de la distribution <i>κ</i>-<i>μ</i> pour les canaux d'évanouissement ionosphérique liés à la fréquence L1 du système de positionnement global (GPS)
Translated title (Spanish)
Análisis de rendimiento de la distribución <i>κ</i>-<i>μ</i> para canales de desvanecimiento ionosférico relacionados con la frecuencia L1 del Sistema de Posicionamiento Global (GPS)

Identifiers

Other
https://openalex.org/W2945655942
DOI
10.1051/swsc/2019012

Is supplement to
https://openalex.org/W4387933392 (Other)
https://openalex.org/W4387398140 (Other)
https://openalex.org/W3130682789 (Other)
https://openalex.org/W2943215110 (Other)
https://openalex.org/W2916905020 (Other)
https://openalex.org/W2610474750 (Other)
https://openalex.org/W2596989700 (Other)
https://openalex.org/W2579882030 (Other)
https://openalex.org/W1973014775 (Other)
https://openalex.org/W1909438361 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Brazil

References

  • https://openalex.org/W1501453564
  • https://openalex.org/W1973014775
  • https://openalex.org/W1978139766
  • https://openalex.org/W1990087589
  • https://openalex.org/W2013396732
  • https://openalex.org/W2013887431
  • https://openalex.org/W2013932865
  • https://openalex.org/W2015840825
  • https://openalex.org/W2024267771
  • https://openalex.org/W2025076051
  • https://openalex.org/W2035320453
  • https://openalex.org/W2037492058
  • https://openalex.org/W2057667075
  • https://openalex.org/W2058160370
  • https://openalex.org/W2071467620
  • https://openalex.org/W2078079772
  • https://openalex.org/W2097398761
  • https://openalex.org/W2106809543
  • https://openalex.org/W2139019018
  • https://openalex.org/W2141977323
  • https://openalex.org/W2143557663
  • https://openalex.org/W2149739146
  • https://openalex.org/W2161528515
  • https://openalex.org/W2563317537
  • https://openalex.org/W2596989700
  • https://openalex.org/W2757625416
  • https://openalex.org/W2786297569
  • https://openalex.org/W2795797043
  • https://openalex.org/W2832358362
  • https://openalex.org/W2891435795
  • https://openalex.org/W2901704365