Channel modeling for maritime IoT : wireless propagation over the sea

5G networks have revolutionized connectivity since their global deployment in 2019, offering speeds up to 10 Gbps and support for one million devices per square kilometer. However, establishing a reliable network over the sea presents unique challenges due to the unpredictable marine environment. Ke...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Θάνος, Δημήτριος
Άλλοι συγγραφείς: Thanos, Dimitrios
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2023
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:https://hdl.handle.net/10889/25400
id nemertes-10889-25400
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic 5G sea corridors
5G networks
Propagation over the sea
Channel models
spellingShingle 5G sea corridors
5G networks
Propagation over the sea
Channel models
Θάνος, Δημήτριος
Channel modeling for maritime IoT : wireless propagation over the sea
description 5G networks have revolutionized connectivity since their global deployment in 2019, offering speeds up to 10 Gbps and support for one million devices per square kilometer. However, establishing a reliable network over the sea presents unique challenges due to the unpredictable marine environment. Key obstacles include path loss models, limited simulation tools, wave propagation barriers, fluctuating sea conditions, data scarcity, and changing weather. Mobile terminals at sea heavily rely on maritime satellites or shore-based base stations, but challenges persist in transmission efficiency, coverage limitations, and meeting specific maritime service requirements. To address these issues, a cost-effective solution proposes a hybrid satellite-terrestrial network architecture. Existing models often overlook comprehensive path loss factors, emphasizing the need for an integrated system. Propagation models play a crucial role in estimating network coverage, accounting for wave phenomena and frequency considerations. Diffusion models enable theoretical predictions of wave interactions, determining loss magnitude and estimating signal strength. Optimal channel models are recommended for port, near-to-shore, and open-sea scenarios. Sea corridors hold immense significance for global trade, the maritime industry, and communication. Wireless communication in these corridors faces challenges such as propagation characteristics, harsh environments, long-distance communication, mobility management, and interference. To overcome these obstacles and ensure reliable connectivity, a specialized sea-corridor model is being developed to optimize 5G networks. The development process of this model considers the unique characteristics and requirements of port, near-to-shore, and open-sea scenarios. It addresses complexities such as multipath propagation, varying water depth, long distances, and intricate geometries. Suitable modeling techniques and algorithms are employed to accurately represent signal propagation and channel conditions in each scenario. Cost calculation for 5G networks primarily focuses on capital expenditure (CAPEX) and operational expenditure (OPEX). OPEX, which is four times higher than CAPEX, encompasses rental, maintenance, network management, and advertising costs. The study primarily examines the Radio Access Network (RAN) segment, while not delving into the core network, customer acquisition, and advertising aspects. To gain valuable insights into navigation strategies and challenges within sea corridors, a proposed study concentrates on the Alexandroupoli, Greece, to Bari, Italy route, divided into five segments. Each segment represents a distinct scenario, ranging from port areas to varying distances from the coastline. This study aims to provide practical information for navigation decisions and the development of communication solutions.
author2 Thanos, Dimitrios
author_facet Thanos, Dimitrios
Θάνος, Δημήτριος
author Θάνος, Δημήτριος
author_sort Θάνος, Δημήτριος
title Channel modeling for maritime IoT : wireless propagation over the sea
title_short Channel modeling for maritime IoT : wireless propagation over the sea
title_full Channel modeling for maritime IoT : wireless propagation over the sea
title_fullStr Channel modeling for maritime IoT : wireless propagation over the sea
title_full_unstemmed Channel modeling for maritime IoT : wireless propagation over the sea
title_sort channel modeling for maritime iot : wireless propagation over the sea
publishDate 2023
url https://hdl.handle.net/10889/25400
work_keys_str_mv AT thanosdēmētrios channelmodelingformaritimeiotwirelesspropagationoverthesea
AT thanosdēmētrios montelopoiēsēkanaliougiatothalassiodiadiktyotōnpragmatōnmaritimeiotasyrmatēdiadosēpanōapotēthalassa
_version_ 1771297304732499968
spelling nemertes-10889-254002023-07-07T03:58:52Z Channel modeling for maritime IoT : wireless propagation over the sea Μοντελοποίηση καναλιού για το θαλάσσιο Διαδίκτυο των Πραγμάτων (maritime IoT) : ασύρματη διάδοση πάνω από τη θάλασσα Θάνος, Δημήτριος Thanos, Dimitrios 5G sea corridors 5G networks Propagation over the sea Channel models 5G networks have revolutionized connectivity since their global deployment in 2019, offering speeds up to 10 Gbps and support for one million devices per square kilometer. However, establishing a reliable network over the sea presents unique challenges due to the unpredictable marine environment. Key obstacles include path loss models, limited simulation tools, wave propagation barriers, fluctuating sea conditions, data scarcity, and changing weather. Mobile terminals at sea heavily rely on maritime satellites or shore-based base stations, but challenges persist in transmission efficiency, coverage limitations, and meeting specific maritime service requirements. To address these issues, a cost-effective solution proposes a hybrid satellite-terrestrial network architecture. Existing models often overlook comprehensive path loss factors, emphasizing the need for an integrated system. Propagation models play a crucial role in estimating network coverage, accounting for wave phenomena and frequency considerations. Diffusion models enable theoretical predictions of wave interactions, determining loss magnitude and estimating signal strength. Optimal channel models are recommended for port, near-to-shore, and open-sea scenarios. Sea corridors hold immense significance for global trade, the maritime industry, and communication. Wireless communication in these corridors faces challenges such as propagation characteristics, harsh environments, long-distance communication, mobility management, and interference. To overcome these obstacles and ensure reliable connectivity, a specialized sea-corridor model is being developed to optimize 5G networks. The development process of this model considers the unique characteristics and requirements of port, near-to-shore, and open-sea scenarios. It addresses complexities such as multipath propagation, varying water depth, long distances, and intricate geometries. Suitable modeling techniques and algorithms are employed to accurately represent signal propagation and channel conditions in each scenario. Cost calculation for 5G networks primarily focuses on capital expenditure (CAPEX) and operational expenditure (OPEX). OPEX, which is four times higher than CAPEX, encompasses rental, maintenance, network management, and advertising costs. The study primarily examines the Radio Access Network (RAN) segment, while not delving into the core network, customer acquisition, and advertising aspects. To gain valuable insights into navigation strategies and challenges within sea corridors, a proposed study concentrates on the Alexandroupoli, Greece, to Bari, Italy route, divided into five segments. Each segment represents a distinct scenario, ranging from port areas to varying distances from the coastline. This study aims to provide practical information for navigation decisions and the development of communication solutions. Τα δίκτυα 5G που αναπτύσσονται παγκοσμίως από το 2019 προσφέρουν μεγαλύτερες ταχύτητες έως 10 Gbps και υποστηρίζουν έως ένα εκατομμύριο συσκευές ανά τετραγωνικό χιλιόμετρο. Λειτουργούν σε τρεις ζώνες συχνοτήτων και παρέχουν βελτιωμένη απόδοση σε σύγκριση με τα δίκτυα 4G. Οι προκλήσεις της ανάπτυξης αξιόπιστου δικτύου πάνω από τη θάλασσα περιλαμβάνουν το απρόβλεπτο θαλάσσιο περιβάλλον και τις επιπτώσεις του στις συνδέσεις επικοινωνίας. Οι βασικές δυσκολίες περιλαμβάνουν τα μοντέλα απώλειας διαδρομής, την έλλειψη εργαλείων προσομοίωσης, τα εμπόδια στη διάδοση των κυμάτων και την αλλαγή του καιρού. Τα κινητά τερματικά στη θάλασσα βασίζονται επί του παρόντος σε θαλάσσιους δορυφόρους ή σταθμούς βάσης στην ξηρά. Γίνονται προσπάθειες βελτίωσης της ταχύτητας επικοινωνίας μέσω δορυφόρων υψηλής απόδοσης και επίγειων δικτύων 4G/5G, αλλά υπάρχουν προκλήσεις όπως η αποτελεσματικότητα μετάδοσης, οι περιορισμοί κάλυψης και η ικανοποίηση συγκεκριμένων απαιτήσεων θαλάσσιων υπηρεσιών. Η δημιουργία ενός αξιόπιστου και αποτελεσματικού δικτύου πάνω από τη θάλασσα αντιμετωπίζει σημαντικές προκλήσεις λόγω του δυναμικού θαλάσσιου περιβάλλοντος. Τα υπάρχοντα μοντέλα αποτυγχάνουν να λάβουν υπόψη όλους τους παράγοντες που επηρεάζουν την απώλεια διαδρομής, επομένως απαιτείται ένα ολοκληρωμένο σύστημα. Οι διαφορές μεταξύ θαλάσσιων και χερσαίων περιβαλλόντων διάδοσης υπογραμμίζουν την ανάγκη για προσαρμοσμένα μοντέλα καναλιών. Τα μοντέλα διάδοσης διαδραματίζουν κρίσιμο ρόλο στην εκτίμηση της κάλυψης του δικτύου στη θαλάσσια επικοινωνία. Συνιστώνται βέλτιστα μοντέλα καναλιών για σενάρια λιμένα, κοντά στην ακτή και στην ανοιχτή θάλασσα. Αυτή η έρευνα στοχεύει στην ανάπτυξη ενός εξειδικευμένου μοντέλου θαλάσσιου διαδρόμου και στη βελτιστοποίηση των δικτύων 5G για να ξεπεραστούν αυτές οι προκλήσεις για αξιόπιστη συνδεσιμότητα. Ο υπολογισμός του κόστους για ένα δίκτυο 5G επικεντρώνεται στις κεφαλαιουχικές δαπάνες (CAPEX) και στις λειτουργικές δαπάνες (OPEX), με το OPEX να είναι τέσσερις φορές υψηλότερο από το CAPEX. Το OPEX περιλαμβάνει κόστος ενοικίασης, συντήρησης, διαχείρισης δικτύου και διαφήμισης. Η μελέτη εξετάζει κυρίως το τμήμα του Ασύρματου Δικτύου Πρόσβασης (RAN), μη λαμβάνοντας υπόψη το βασικό δίκτυο, την απόκτηση πελατών και τις πτυχές της διαφήμισης. Προτείνουμε μια μελέτη για τη διαδρομή Αλεξανδρούπολη / Ελλάδα, προς Μπάρι / Ιταλία, χωρισμένη σε πέντε τμήματα. Κάθε τμήμα αντιπροσωπεύει ένα σενάριο, που κυμαίνεται από το να είσαι στο λιμάνι έως σε διαφορετικές αποστάσεις από την ακτογραμμή, παρέχοντας πληροφορίες για τις στρατηγικές και τις προκλήσεις πλοήγησης. 2023-07-06T12:08:05Z 2023-07-06T12:08:05Z 2023-07-03 https://hdl.handle.net/10889/25400 en CC0 1.0 Universal http://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/ application/pdf