Contribution to the improvement of communication services in nanosatellite constellations using delay and disruption tolerant networking based architectures

Esta tesis se desarrolla dentro del marco de las comunicaciones satelitales en el innovador campo de los pequeños satélites también llamados nanosatélites o cubesats, llamados así por su forma cubica. Estos nanosatélites se caracterizan por su bajo costo debido a que usan componentes comerciales llamados COTS (commercial off-the-shelf) y su pequeño tamaño como los Cubesats 1U (10cm*10 cm*10 cm) con masa aproximada a 1 kg. Este trabajo de tesis tiene como base una iniciativa propuesta por el autor de la tesis para poner en órbita el primer satélite peruano en mi país llamado chasqui I, actualmente puesto en órbita desde la Estación Espacial Internacional. La experiencia de este trabajo de investigación me llevo a proponer una constelación de pequeños satélites llamada Waposat para dar servicio de monitoreo de sensores de calidad de agua a nivel global, escenario que es usado en esta tesis. Es ente entorno y dadas las características limitadas de los pequeños satélites, tanto en potencia como en velocidad de datos, es que propongo investigar una nueva arquitectura de comunicaciones que permita resolver en forma óptima la problemática planteada por los nanosatélites en órbita LEO debido a su carácter disruptivo en sus comunicaciones poniendo énfasis en las capas de enlace y aplicación. Esta tesis presenta y evalúa una nueva arquitectura de comunicaciones para proveer servicio a una red de sensores terrestres usando una solución basada en DTN (Delay/Disruption Tolerant Networking) para comunicaciones espaciales. Adicionalmente, propongo un nuevo protocolo de acceso múltiple que usa una extensión del protocolo ALOHA no ranurado, el cual toma en cuenta la prioridad del trafico del Gateway (ALOHAGP) con un mecanismo de contienda adaptativo. Utiliza la realimentación del satélite para implementar el control de la congestión y adapta dinámicamente el rendimiento efectivo del canal de una manera óptima. Asumimos un modelo de población de sensores finito y una condición de tráfico saturado en el que cada sensor tiene siempre tramas que transmitir. El desempeño de la red se evaluó en términos de rendimiento efectivo, retardo y la equidad del sistema. Además, se ha definido una capa de convergencia DTN (ALOHAGP-CL) como un subconjunto del estándar TCP-CL (Transmission Control Protocol-Convergency Layer). Esta tesis muestra que ALOHAGP/CL soporta adecuadamente el escenario DTN propuesto, sobre todo cuando se utiliza la fragmentación reactiva. Finalmente, esta tesis investiga una transferencia óptima de mensajes DTN (Bundles) utilizando estrategias de fragmentación proactivas para dar servicio a una red de sensores terrestres utilizando un enlace de comunicaciones satelitales que utiliza el mecanismo de acceso múltiple con prioridad en el tráfico de enlace descendente (ALOHAGP). El rendimiento efectivo ha sido optimizado mediante la adaptación de los parámetros del protocolo como una función del número actual de los sensores activos recibidos desde el satélite. También, actualmente no existe un método para advertir o negociar el tamaño máximo de un “bundle” que puede ser aceptado por un agente DTN “bundle” en las comunicaciones por satélite tanto para el almacenamiento y la entrega, por lo que los “bundles” que son demasiado grandes son eliminados o demasiado pequeños son ineficientes. He caracterizado este tipo de escenario obteniendo una distribución de probabilidad de la llegada de tramas al nanosatélite así como una distribución de probabilidad del tiempo de visibilidad del nanosatélite, los cuales proveen una fragmentación proactiva óptima de los DTN “bundles”. He encontrado que el rendimiento efectivo (goodput) de la fragmentación proactiva alcanza un valor ligeramente inferior al de la fragmentación reactiva. Esta contribución permite utilizar la fragmentación activa de forma óptima con todas sus ventajas tales como permitir implantar el modelo de seguridad de DTN y la simplicidad al implementarlo en equipos con muchas limitaciones de CPU y memoria. La implementación de estas contribuciones se han contemplado inicialmente como parte de la carga útil del nanosatélite QBito, que forma parte de la constelación de 50 nanosatélites que se está llevando a cabo dentro del proyecto QB50. ABSTRACT This thesis is developed within the framework of satellite communications in the innovative field of small satellites also known as nanosatellites (<10 kg) or CubeSats, so called from their cubic form. These nanosatellites are characterized by their low cost because they use commercial components called COTS (commercial off-the-shelf), and their small size and mass, such as 1U Cubesats (10cm * 10cm * 10cm) with approximately 1 kg mass. This thesis is based on a proposal made by the author of the thesis to put into orbit the first Peruvian satellite in his country called Chasqui I, which was successfully launched into orbit from the International Space Station in 2014. The experience of this research work led me to propose a constellation of small satellites named Waposat to provide water quality monitoring sensors worldwide, scenario that is used in this thesis. In this scenario and given the limited features of nanosatellites, both power and data rate, I propose to investigate a new communications architecture that allows solving in an optimal manner the problems of nanosatellites in orbit LEO due to the disruptive nature of their communications by putting emphasis on the link and application layers. This thesis presents and evaluates a new communications architecture to provide services to terrestrial sensor networks using a space Delay/Disruption Tolerant Networking (DTN) based solution. In addition, I propose a new multiple access mechanism protocol based on extended unslotted ALOHA that takes into account the priority of gateway traffic, which we call ALOHA multiple access with gateway priority (ALOHAGP) with an adaptive contention mechanism. It uses satellite feedback to implement the congestion control, and to dynamically adapt the channel effective throughput in an optimal way. We assume a finite sensor population model and a saturated traffic condition where every sensor always has frames to transmit. The performance was evaluated in terms of effective throughput, delay and system fairness. In addition, a DTN convergence layer (ALOHAGP-CL) has been defined as a subset of the standard TCP-CL (Transmission Control Protocol-Convergence Layer). This thesis reveals that ALOHAGP/CL adequately supports the proposed DTN scenario, mainly when reactive fragmentation is used. Finally, this thesis investigates an optimal DTN message (bundles) transfer using proactive fragmentation strategies to give service to a ground sensor network using a nanosatellite communications link which uses a multi-access mechanism with priority in downlink traffic (ALOHAGP). The effective throughput has been optimized by adapting the protocol parameters as a function of the current number of active sensors received from satellite. Also, there is currently no method for advertising or negotiating the maximum size of a bundle which can be accepted by a bundle agent in satellite communications for storage and delivery, so that bundles which are too large can be dropped or which are too small are inefficient. We have characterized this kind of scenario obtaining a probability distribution for frame arrivals to nanosatellite and visibility time distribution that provide an optimal proactive fragmentation of DTN bundles. We have found that the proactive effective throughput (goodput) reaches a value slightly lower than reactive fragmentation approach. This contribution allows to use the proactive fragmentation optimally with all its advantages such as the incorporation of the security model of DTN and simplicity in protocol implementation for computers with many CPU and memory limitations. The implementation of these contributions was initially contemplated as part of the payload of the nanosatellite QBito, which is part of the constellation of 50 nanosatellites envisaged under the QB50 project.

Sistema de orientación en espacios interiores mediante balizas digitales

El planteamiento inicial de este proyecto surge debido a que hay personas con discapacidad cognitiva que se desorientan con mucha facilidad en espacios interiores. Para guiar a esas personas no se pueden usar los sistemas basados en GPS que se utilizan hoy en día en vehículos, ya que estos sistemas no funcionan en lugares cerrados porque no reciben la señal de los satélites. Por consiguiente se ha propuesto una solución basada en otra tecnología para que estas personas, a través de su dispositivo móvil, puedan guiarse en un sitio cerrado. Este Trabajo de Fin de Grado parte inicialmente de un Practicum realizado en el semestre anterior, donde se investigó sobre posibles soluciones de balizas digitales (iBeacons) y se estudió la tecnología iBeacon para conocer la posición del móvil en un espacio cerrado. El principal problema que se encontró fue la falta de precisión a la hora de estimar la distancia (en metros) que hay entre baliza y dispositivo móvil. El objetivo para este trabajo de fin de grado ha sido primeramente resolver el problema comentado anteriormente y una vez resuelto, implementar un prototipo móvil para el sistema operativo Android de un sistema de orientación en espacios interiores para personas con discapacidad cognitiva. Este prototipo ha sido implementado ayudándose de balizas digitales (iBeacons) y utilizando el método de trilateración para conocer la posición del usuario en un sitio cerrado. Además se han aprovechado los sensores (acelerómetro y sensor magnético terrestre) del dispositivo móvil como refuerzo de posicionamiento y para seguir de forma más precisa el movimiento del usuario. En el prototipo actual no se han dedicado recursos a diseñar una interacción fácil para personas con discapacidad cognitiva, debido a que su principal objetivo ha sido evaluar el funcionamiento de las balizas y las posibilidades del sistema de orientación. El resultado final de este TFG es incorporar una serie de luces asociadas a cada una de las balizas que ayuden al usuario a orientarse con mayor facilidad.---ABSTRACT---The initial approach of this project arises because there are people with cognitive disabilities who become disoriented in closed sites. To guide these people it cannot be used GPS, because this system does not work in closed sites because it does not receive the satellite signals. Therefore, it has proposed a solution based on another technology so that these people, through their smartphone, can be guided in a closed site. This final degree project comes from a Practicum made in the previous semester, where possible solutions about iBeacons were investigated and the iBeacon technology was studied too. All this, to know the mobile position in a closed site. The main problem encountered was the lack of precision to calculate the distance between a mobile phone and a beacon. The first objective has been to solve distance problem mentioned above, once resolved it has implemented a prototype, which consists in a guidance system in closed sites for a people with cognitive disabilities. This prototype has been implemented with beacons and trilateration to know user position in a closed site. In addition, mobile phone sensors have been used to follow user movement. In the current prototype, the main objective has been evaluate iBeacons performance and the guidance system. The result of this TFG is to incorporate a series of lights associated with each of the beacons to make easier the orientation.

Sistemas de comunicación por satélite: utilización en los sistemas de navegación aeronáuticos

Este Proyecto Fin de Carrera tiene como principal objetivo analizar la evolución de los Sistemas de Comunicación por Satélite, así como dar a conocer al lector la tecnología EGNOS y su aplicabilidad como ayuda a la navegación Aeronáutica. Este trabajo comenzará con una primera parte, la cual está dedicada a conocer qué es un satélite y como ha sido su evolución a lo largo de la historia, desde la aparición del primer satélite hasta nuestros días, así como mostrar las partes que lo componen y su proceso de lanzamiento. Todo este capítulo, sirve de base para poder entender mejor las siguientes partes del proyecto. En la segunda parte de esta memoria, se entra más en detalle y se desarrollan los temas principales de este documento. Podríamos decir que este segundo capítulo se divide a su vez en dos subpartes claramente diferenciadas: En la primera, se analiza la estructura de un sistema de comunicaciones por satélite, los diferentes tipos de satélites según su órbita o según su finalidad, viendo unos claros ejemplos de cada uno de ellos, así como las bandas de frecuencias en las que trabajan. Para concluir esta sección se habla de los diferentes tipos de servicios que ofrecen las comunicaciones por satélite para centrarnos más adelante en los servicios aeronáuticos. En la segunda parte, se habla de la aplicación de la tecnología EGNOS como ayuda a la navegación aeronáutica. Para ello, primero se explican los diferentes sistemas de navegación que usan las aeronaves, entre los que se encuentran los sistemas VOR, DME, ADF y TACAN, y después se introduce al usuario a la tecnología EGNOS, viendo su arquitectura y explicando su funcionamiento. Como ejemplo de aplicabilidad de esta tecnología se explica el novedoso sistema SLS que llevan las aeronaves. Toda esta segunda parte constituye el cuerpo del proyecto y el punto más importante de esta memoria. Para finalizar, en la última parte del Proyecto Fin de Carrera, se habla del presente y futuro del sistema EGNOS evaluando sus principales ventajas y las conclusiones que se han sacado al hacer esta memoria. ABSTRACT. This thesis has as main objective to analyze the evolution of satellite communication systems, as well as to inform the reader about EGNOS technology and its applicability as an aid to aeronautical navigation. This document will begin with a first part, which is dedicated to know what a satellite is and how has its evolution been throughout history, from the appearance of the first satellite until nowadays, as well as showing the parts that it is composed of and different launch processes. This chapter serves as a base to a better understanding of these parts of the project. In the second part of this report, more detail is introduced and it is developed the main themes of this document. We could say that this second chapter is divided in two clearly differentiated subparts: The first, analyzes the structure of a communications system by satellite, different types of satellites according to its orbit or according to their purpose, seeing some clear examples of each of them, as well as the frequency bands in which they work. To conclude, this section refers to different types of services offered by satellite communications to focus later in the aeronautical services. In the second part, application of EGNOS technology is referred as an aid to the aeronautical navigation. To do this, first they are explained the different navigation systems that the aircraft uses, which include VOR, DME, ADF and TACAN systems, and then EGNOS technology is introduced to the user, seeing its architecture and explaining its operation. As an example of applicability of this technology, the new system SLS carried by the aircraft is explained. Throughout this second part it is constituted the body of the project and the most important point of this report. Finally, in the last part of the thesis, the present and future of the EGNOS system are analyzed evaluating the main advantages and conclusions that have been obtained to make this memory.