Fault management techniques for systems with SRAM-based FPGAs

Las Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) SRAM se construyen sobre una memoria de configuración de tecnología RAM Estática (SRAM). Presentan múltiples características que las hacen muy interesantes para diseñar sistemas empotrados complejos. En primer lugar presentan un coste no-recurrente de ingeniería (NRE) bajo, ya que los elementos lógicos y de enrutado están pre-implementados (el diseño de usuario define su conexionado). También, a diferencia de otras tecnologías de FPGA, pueden ser reconfiguradas (incluso en campo) un número ilimitado de veces. Es más, las FPGAs SRAM de Xilinx soportan Reconfiguración Parcial Dinámica (DPR), la cual permite reconfigurar la FPGA sin interrumpir la aplicación. Finalmente, presentan una alta densidad de lógica, una alta capacidad de procesamiento y un rico juego de macro-bloques. Sin embargo, un inconveniente de esta tecnología es su susceptibilidad a la radiación ionizante, la cual aumenta con el grado de integración (geometrías más pequeñas, menores tensiones y mayores frecuencias). Esta es una precupación de primer nivel para aplicaciones en entornos altamente radiativos y con requisitos de alta confiabilidad. Este fenómeno conlleva una degradación a largo plazo y también puede inducir fallos instantáneos, los cuales pueden ser reversibles o producir daños irreversibles. En las FPGAs SRAM, los fallos inducidos por radiación pueden aparecer en en dos capas de arquitectura diferentes, que están físicamente superpuestas en el dado de silicio. La Capa de Aplicación (o A-Layer) contiene el hardware definido por el usuario, y la Capa de Configuración contiene la memoria de configuración y la circuitería de soporte. Los fallos en cualquiera de estas capas pueden hacer fracasar el sistema, lo cual puede ser ás o menos tolerable dependiendo de los requisitos de confiabilidad del sistema. En el caso general, estos fallos deben gestionados de alguna manera. Esta tesis trata sobre la gestión de fallos en FPGAs SRAM a nivel de sistema, en el contexto de sistemas empotrados autónomos y confiables operando en un entorno radiativo. La tesis se centra principalmente en aplicaciones espaciales, pero los mismos principios pueden aplicarse a aplicaciones terrenas. Las principales diferencias entre ambas son el nivel de radiación y la posibilidad de mantenimiento. Las diferentes técnicas para la gestión de fallos en A-Layer y C-Layer son clasificados, y sus implicaciones en la confiabilidad del sistema son analizados. Se proponen varias arquitecturas tanto para Gestores de Fallos de una capa como de doble-capa. Para estos últimos se propone una arquitectura novedosa, flexible y versátil. Gestiona las dos capas concurrentemente de manera coordinada, y permite equilibrar el nivel de redundancia y la confiabilidad. Con el objeto de validar técnicas de gestión de fallos dinámicas, se desarrollan dos diferentes soluciones. La primera es un entorno de simulación para Gestores de Fallos de C-Layer, basado en SystemC como lenguaje de modelado y como simulador basado en eventos. Este entorno y su metodología asociada permite explorar el espacio de diseño del Gestor de Fallos, desacoplando su diseño del desarrollo de la FPGA objetivo. El entorno incluye modelos tanto para la C-Layer de la FPGA como para el Gestor de Fallos, los cuales pueden interactuar a diferentes niveles de abstracción (a nivel de configuration frames y a nivel físico JTAG o SelectMAP). El entorno es configurable, escalable y versátil, e incluye capacidades de inyección de fallos. Los resultados de simulación para algunos escenarios son presentados y comentados. La segunda es una plataforma de validación para Gestores de Fallos de FPGAs Xilinx Virtex. La plataforma hardware aloja tres Módulos de FPGA Xilinx Virtex-4 FX12 y dos Módulos de Unidad de Microcontrolador (MCUs) de 32-bits de propósito general. Los Módulos MCU permiten prototipar Gestores de Fallos de C-Layer y A-Layer basados en software. Cada Módulo FPGA implementa un enlace de A-Layer Ethernet (a través de un switch Ethernet) con uno de los Módulos MCU, y un enlace de C-Layer JTAG con el otro. Además, ambos Módulos MCU intercambian comandos y datos a través de un enlace interno tipo UART. Al igual que para el entorno de simulación, se incluyen capacidades de inyección de fallos. Los resultados de pruebas para algunos escenarios son también presentados y comentados. En resumen, esta tesis cubre el proceso completo desde la descripción de los fallos FPGAs SRAM inducidos por radiación, pasando por la identificación y clasificación de técnicas de gestión de fallos, y por la propuesta de arquitecturas de Gestores de Fallos, para finalmente validarlas por simulación y pruebas. El trabajo futuro está relacionado sobre todo con la implementación de Gestores de Fallos de Sistema endurecidos para radiación. ABSTRACT SRAM-based Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) are built on Static RAM (SRAM) technology configuration memory. They present a number of features that make them very convenient for building complex embedded systems. First of all, they benefit from low Non-Recurrent Engineering (NRE) costs, as the logic and routing elements are pre-implemented (user design defines their connection). Also, as opposed to other FPGA technologies, they can be reconfigured (even in the field) an unlimited number of times. Moreover, Xilinx SRAM-based FPGAs feature Dynamic Partial Reconfiguration (DPR), which allows to partially reconfigure the FPGA without disrupting de application. Finally, they feature a high logic density, high processing capability and a rich set of hard macros. However, one limitation of this technology is its susceptibility to ionizing radiation, which increases with technology scaling (smaller geometries, lower voltages and higher frequencies). This is a first order concern for applications in harsh radiation environments and requiring high dependability. Ionizing radiation leads to long term degradation as well as instantaneous faults, which can in turn be reversible or produce irreversible damage. In SRAM-based FPGAs, radiation-induced faults can appear at two architectural layers, which are physically overlaid on the silicon die. The Application Layer (or A-Layer) contains the user-defined hardware, and the Configuration Layer (or C-Layer) contains the (volatile) configuration memory and its support circuitry. Faults at either layers can imply a system failure, which may be more ore less tolerated depending on the dependability requirements. In the general case, such faults must be managed in some way. This thesis is about managing SRAM-based FPGA faults at system level, in the context of autonomous and dependable embedded systems operating in a radiative environment. The focus is mainly on space applications, but the same principles can be applied to ground applications. The main differences between them are the radiation level and the possibility for maintenance. The different techniques for A-Layer and C-Layer fault management are classified and their implications in system dependability are assessed. Several architectures are proposed, both for single-layer and dual-layer Fault Managers. For the latter, a novel, flexible and versatile architecture is proposed. It manages both layers concurrently in a coordinated way, and allows balancing redundancy level and dependability. For the purpose of validating dynamic fault management techniques, two different solutions are developed. The first one is a simulation framework for C-Layer Fault Managers, based on SystemC as modeling language and event-driven simulator. This framework and its associated methodology allows exploring the Fault Manager design space, decoupling its design from the target FPGA development. The framework includes models for both the FPGA C-Layer and for the Fault Manager, which can interact at different abstraction levels (at configuration frame level and at JTAG or SelectMAP physical level). The framework is configurable, scalable and versatile, and includes fault injection capabilities. Simulation results for some scenarios are presented and discussed. The second one is a validation platform for Xilinx Virtex FPGA Fault Managers. The platform hosts three Xilinx Virtex-4 FX12 FPGA Modules and two general-purpose 32-bit Microcontroller Unit (MCU) Modules. The MCU Modules allow prototyping software-based CLayer and A-Layer Fault Managers. Each FPGA Module implements one A-Layer Ethernet link (through an Ethernet switch) with one of the MCU Modules, and one C-Layer JTAG link with the other. In addition, both MCU Modules exchange commands and data over an internal UART link. Similarly to the simulation framework, fault injection capabilities are implemented. Test results for some scenarios are also presented and discussed. In summary, this thesis covers the whole process from describing the problem of radiationinduced faults in SRAM-based FPGAs, then identifying and classifying fault management techniques, then proposing Fault Manager architectures and finally validating them by simulation and test. The proposed future work is mainly related to the implementation of radiation-hardened System Fault Managers.

Magnetic Attitude Control for Satellites in Polar or Sun-Synchronous Orbits

In this work, a new law for magnetic control of satellites in near-polar orbits is presented. This law has been developed for the UMPSat-2 microsatellite, which has been designed and manufactured by Universidad Politécnica de Madrid, Madrid. The control law is a modification of the B-dot strategy that enables the satellite to control the rotation rate. Besides, the satellite?s equilibrium state is characterized by having the rotation axis perpendicular to the orbit?s plane. The control law described in the present work only needs magnetometers and magnetorquers, as sensors and actuators, respectively, to carry out a successful attitude control on the spacecraft. A description of the analysis is included. Performance and applicability of the proposed method have been demonstrated by control dynamics together with Monte Carlo techniques and by implementing the control law in the UPMSat-2 mission simulator. Results show good performance in terms of acquisition and stability of the satellite rotation rate and orientation with respect to its orbit?s plane.

Desarrollo de manejadores y pruebas de integración del computador de a bordo del microsatélite UPMSat-2

Varios grupos de la Universidad Politécnica de Madrid se encuentran actualmente desarrollando un micro-satélite de experimentación bajo el proyecto UPMSat-2, sucesor de otro exitoso proyecto similar, el UPM-Sat 1. Bajo este marco la autora del presente documento ha llevado a cabo la realización de tres tareas fundamentales para hacer posible la puesta en órbita de dicho satélite. Las tareas principales definidas como alcance de este proyecto pretenden facilitar el uso de la memoria no volátil del computador de a bordo y comprobar el funcionamiento de todos los sistemas del satélite. Por ello se ha realizado el arranque desde la memoria no volátil junto con un manejador para el uso de la misma y un conjunto de pruebas de validación del software e integración del hardware. La satisfacción con los resultados obtenidos ha hecho posible la inclusión del software y pruebas desarrolladas al conjunto de todo el software del proyecto UPMSat-2, contribuyendo así a la capacidad del satélite para ser puesto en órbita.---ABSTRACT---UPMSat-2, the successor of UPM-Sat 1, is a joint project for the development of a micro-satellite for experimentation, which is being carried out by various research groups at Universidad Politécnica de Madrid. The author of this document has developed three main tasks to make possible the correct operation of this satellite during the duration of its mission. The scope of the present work is to enable the use of the on-board computer’s non-volatile memory and the development of a software to test that the satellite’s subsystems are working properly. To this end, the non-volatile memory’s boot sequence has been implemented together with the driver to use such memory, and a series of validation and integration tests for the software and the hardware. The results of the this work have been satisfactory, therefore they have been included in UPMSat-2’s software, contributing this way to the capacity of the satellite to carry out its mission.

Validación de un marco abierto accesible de tercera generación para la integración nativa de productos de apoyo en tecnologías de la información y la comunicación

Las personas con discapacidad a menudo se encuentran con problemas de acceso a las Tecnologías de la Información y la Comunicación (TIC), debido a diseños y desarrollos que no tienen en cuenta sus diferencias funcionales, y en consecuencia se encuentran en riesgo de exclusión social. Cada vez es más común encontrar productos de apoyo que permitan utilizar diferentes tecnologías (ordenadores, Internet, dispositivos móviles), pero muchos de ellos no se encuentran integrados debido a que funcionan esencialmente modificando la plataforma donde están instalados, siendo soluciones de acceso de segunda generación. Más allá del desarrollo de los productos de apoyo, que sin duda ha evolucionado positivamente en los últimos años, cabe resaltar que existe una falta de herramientas y de aproximación holística que ayuden a los desarrolladores y diseñadores hacer las TIC accesibles. Esta tesis doctoral pretende validar la hipótesis de que una metodología holística de desarrollo de aplicaciones y productos de apoyo TIC, llamada Marco Abierto Accesible, facilita el desarrollo y la integración de modo nativo de la accesibilidad en las aplicaciones y productos apoyo, independientemente de la tecnología utilizada, dando lugar a soluciones de acceso de tercera generación que permitan mejorar la utilización de dichas aplicaciones por parte de personas con discapacidad. Este trabajo se ha desarrollado en el marco del proyecto AEGIS (del inglés, open Accessibility Everywhere: Groundwork, Infrastructure, Standards), que fue parcialmente financiado por la Comisión Europea (CE) bajo el VII Programa Marco y tuvo una duración de cuatro años. La metodología para el diseño, desarrollo y validación seguida en esta tesis es una adaptación de dos metodologías de diseño existentes (el Diseño Centrado en el Usuario y el Diseño Orientado a Metas), la implementación del Marco Abierto Accesible y el uso de diferentes técnicas de validación. Además se ha desarrollado un marco metodológico de entrenamiento para minimizar el efecto que tiene la curva de aprendizaje cuando los usuarios prueban por primera vez las soluciones desarrolladas. En esta tesis se presenta el Marco Abierto Accesible aplicado a las TIC en las tres áreas en las que se desarrolla este trabajo: ordenadores, Internet y dispositivos móviles, partiendo de las necesidades y problemas que tienen los usuarios con discapacidad en el uso de las TIC. Diferentes instanciaciones del Marco Abierto Accesible se definen en las tres áreas TIC mencionadas anteriormente y se describen varios ejemplos de sus implementaciones particulares. Los resultados de las evaluaciones de las implementaciones particulares con usuarios finales y expertos, una vez discutidos y contrastados con las hipótesis, sirven para probar la validez del Marco Abierto Accesible para la integración nativa de productos de apoyo en Tecnologías de la Información y la Comunicación. Finalmente, se presentan las líneas de investigación y trabajo futuro en el área de la accesibilidad en las TIC. ABSTRACT People with disabilities often encounter problems of access to Information and Communications Technology (ICT), due to design and developments that do not take into account their functional differences and therefore put them at risk of social exclusion. It is increasingly common to find assistive products that allow to use different technologies (computers, Internet, mobile devices), but many of them are not well integrated because they work essentially modifying the platform where they are installed, beeing the second-generation access solutions. Beyond the assistive product development, which has certainly evolved positively in recent years, it is notable that there is a lack of tools and holistic approach to help developers and designers make accessible ICT. This doctoral thesis aims to validate the hypothesis that a holistic approach to application development and assistive ICT products, called Open Accessibility Framework, facilitates the development and integration of native accessible applications and assistive products, regardless of the technology used, resulting in third-generation access solutions that improve the use of such applications by people with disabilities. This work was developed under the AEGIS project (open Accessibility Everywhere: Groundwork, Infrastructure, Standards), which was partially funded by the European Commission (EC) under the Seventh Framework Programme and lasted four years. The methodology for the design, development and validation followed in this thesis is an adaptation of two existing design methodologies (User Centered Design and Goal Oriented Design), the implementation of the Open Accessibility Framework and the usage of different validation techniques. A training methodological framework ha also been developed to minimize the effect of the learning curve when users first try the solutions developed. This thesis presents the Open Accessibility Framework applied to ICT in three areas in which this work is developed: computers, Internet and mobile devices, based on the needs and problems of the disabled users in the use of ICT. Different instantiations of the Open Accessibility Framework are defined in the three aforementioned ICT areas and various examples of its particular implementations are described. The results of the evaluations of the particular implementations which have been carried with end users and experts, once discussed and contrasted with the hypotheses, have been used to test the validity of the Open Accessibility Framework for the native integration of assistive products in Information and Communications Technology. Finally, the future research lines and future work in the area of ICT accessibility are presented.

Metodología para la estimación de indicadores armonizados a partir de los inventarios forestales nacionales europeos con especial énfasis en la biodiversidad forestal

Durante las últimas décadas el objetivo principal de la silvicultura y la gestión forestal en Europa ha pasado de ser la producción de madera a ser la gestión sostenible de los ecosistemas, por lo que se deben considerar todos los bienes y servicios que proporcionan los bosques. En consecuencia, es necesario contar con información forestal periódica de diversos indicadores forestales a nivel europeo para apoyar el desarrollo y la implementación de políticas medioambientales y que se realice una gestión adecuada. Para ello, se requiere un seguimiento intensivo sobre el estado de los bosques, por lo que los Inventarios Forestales Nacionales (IFN), (principal fuente de información forestal a gran escala), han aumentado el número de variables muestreadas para cumplir con los crecientes requerimientos de información. Sin embargo, las estimaciones proporcionadas por los diferentes países no son fácilmente comparables debido a las diferencias en las definiciones, los diseños de muestreo, las variables medidas y los protocolos de medición. Por esto, la armonización de los datos que proporcionan los diferentes países es fundamental para la contar con una información forestal sólida y fiable en la Unión europea (UE). La presente tesis tiene dos objetivos principales: (i) establecer el diseño de una metodología para evaluar la biodiversidad forestal en el marco del Inventario forestal nacional de España teniendo en cuenta las diferentes iniciativas nacionales e internacionales, con el objetivo de producir estimaciones comparables con las de otros países de la UE y (ii) armonizar los indicadores más relevantes para satisfacer los requerimientos nacionales e internacionales. Como consecuencia del estudio realizado para alcanzar el primer objetivo, la metodología diseñada para estimar la biodiversidad fue adoptada por el Tercer Inventario forestal nacional. Ésta se componía de indicadores agrupados en: cobertura del suelo, composición de árboles y especies de arbustos, riqueza de especies herbáceas y helechos, especies amenazadas, estructura, madera muerta, y líquenes epífitos. Tras el análisis del diseño metodológico y de los datos proporcionados, se observó la conveniencia de modificarla con el fin de optimizar los costes, viabilidad, calidad y cantidad de los datos registrados. En consecuencia, en el Cuarto Inventario Forestal Nacional se aplica una metodología modificada, puesto que se eliminó el muestreo de especies herbáceas y helechos, de líquenes epífitos y de especies amenazadas, se modificaron los protocolos de la toma de datos de estructura y madera muerta y se añadió el muestreo de especies invasoras, edad, ramoneo y grado de naturalidad de la masa. En lo que se refiere al segundo objetivo, se ha avanzado en la armonización de tres grupos de variables considerados como relevantes en el marco de los IFN: los indicadores de vegetación no arbórea (que juegan un papel relevante en los ecosistemas, es donde existe la mayor diversidad de plantas y hasta ahora no se conocían los datos muestreados en los IFN), la determinación de los árboles añosos (que tienen un importante papel como nicho ecológico y su identificación es especialmente relevante para la evaluación de la biodiversidad forestal) y el bosque disponible para el suministro de madera (indicador básico de los requerimientos internacionales de información forestal). Se llevó a cabo un estudio completo de la posible armonización de los indicadores de la vegetación no arbórea en los IFN. Para ello, se identificaron y analizaron las diferentes definiciones y diseños de muestreo empleados por los IFN, se establecieron definiciones de referencia y se propusieron y analizaron dos indicadores que pudiesen ser armonizados: MSC (mean species cover) que corresponde a la media de la fracción de cabida cubierta de cada especie por tipo de bosque y MTC (mean total cover). Se estableció una nueva metodología que permite identificar los árboles añosos con los datos proporcionados por los inventarios forestales nacionales con el objetivo de proporcionar una herramienta eficaz para facilitar la gestión forestal considerando la diversidad de los sistemas forestales. Se analizó el concepto de "bosque disponible para el suministro de madera" (FAWS) estudiando la consistencia de la información internacional disponible con el fin de armonizar su estimación y de proporcionar recomendaciones para satisfacer los requerimientos europeos. Como resultado, se elaboró una nueva definición de referencia de FAWS (que será adoptada por el proceso paneuropeo) y se analiza el impacto de la adopción de esta nueva definición en siete países europeos. El trabajo realizado en esta tesis, puede facilitar el suministrar y/o armonizar parcial o totalmente casi la mitad de los indicadores de información forestal solicitados por los requerimientos internacionales (47%). De éstos, prácticamente un 85% tienen relación con los datos inventariados empleando la metodología propuesta para la estimación de la biodiversidad forestal, y el resto, con el establecimiento de la definición de bosque disponible para el suministro de madera. No obstante, y pese a que esta tesis supone un avance importante, queda patente que las necesidades de información forestal son cambiantes y es imprescindible continuar el proceso de armonización de los IFN europeos. ABSTRACT Over the last few decades, the objectives on forestry and forest management in Europe have shifted from being primarily focused on wood production to sustainable ecosystem management, which should consider all the goods and services provided by the forest. Therefore, there is a continued need for forest indicators and assessments at EU level to support the development and implementation of a number of European environmental policies and to conduct a proper forest management. To address these questions, intensive monitoring on the status of forests is required. Therefore, the scope of National Forest Inventories (NFIs), (primary source of data for national and large-area assessments), has been broadened to include new variables to meet these increasing information requirements. However, estimates produced by different countries are not easily comparable because of differences in NFI definitions, plot configurations, measured variables, and measurement protocols. As consequence, harmonizing data produced at national level is essential for the production of sound EU forest information. The present thesis has two main aims: (i) to establish a methodology design to assess forest biodiversity in the frame of the Spanish National Forest Inventory taking into account the different national and international initiatives with the intention to produce comparable estimates with other EU countries and (ii) to harmonize relevant indicators for national and international requirements. In consequence of the work done related to the first objective, the established methodology to estimate forest biodiversity was adopted and launched under the Third National Forest Inventory. It was composed of indicators grouped into: cover, woody species composition, richness of herbaceous species and ferns, endangered species, stand structure, dead wood, and epiphytic lichens. This methodology was analyzed considering the provided data, time costs, feasibility, and requirements. Consequently, in the ongoing Fourth National Forest Inventory a modified methodology is applied: sampling of herbaceous species and ferns, epiphytic lichens and endangered species were removed, protocols regarding structure and deadwood were modified, and sampling of invasive species, age, browsing impact and naturalness were added. As regards the second objective, progress has been made in harmonizing three groups of variables considered relevant in the context of IFN: Indicators of non-tree vegetation (which play an important role in forest ecosystems, it is where the highest diversity of plants occur and so far the related sampled data in NFIs were not known), the identification of old-growth trees (which have an important role as ecological niche and its identification is especially relevant for the assessment of forest biodiversity) and the available forest for wood supply (basic indicator of international forestry information requirements). A complete analysis of ground vegetation harmonization possibilities within NFIs frame was carried on by identifying and analyzing the different definitions and sampling techniques used by NFIs, providing reference definitions related to ground vegetation and proposing and analyzing two ground vegetation harmonized indicators: “Mean species cover” (MSC) and “Mean total cover” (MTC) for shrubs by European forest categories. A new methodology based on NFI data was established with the aim to provide an efficient tool for policy makers to estimate the number of old-growth trees and thus to be able to perform the analysis of the effect of forest management on the diversity associated to forest systems. The concept of “forest available for wood supply” (FAWS) was discussed and clarified, analyzing the consistency of the available international information on FAWS in order to provide recommendations for data harmonization at European level regarding National Forest Inventories (NFIs). As a result, a new reference definition of FAWS was provided (which will be adopted in the pan-European process) and the consequences of the use of this new definition in seven European countries are analyzed. The studies carried on in this thesis, can facilitate the supply and/or harmonization partially or fully of almost half of the forest indicators (47%) needed for international requirements. Of these, nearly 85% are related to inventoried data using the proposed methodology for the estimation of forest biodiversity, and the rest, with the establishment of the definition of forest available for wood supply. However, despite this thesis imply an important development, forest information needs are changing and it is imperative to continue the process of harmonization of European NFIs.

Electronic Steering antenna onboard for satellite communications in X band.

The antenna presented in this article will be developed for satellite communications onboard systems based on the recommendations ITU-R S.580-6 and ITU-R S.465-5. The antenna consists of printed elements grouped in an array, this terminal works in a frequency band from 7.25 up to 8.4 GHz (14.7% of bandwidth), where both bands, reception (7.25 - 7.75 GHz) and transmission (7.9 - 8.4 GHz), are included simultaneously. The antenna reaches a gain about 31 dBi, and it has a radiation pattern with a beamwidth smaller than 10° and a dual circular polarization. The antenna has the capability to steer in elevation from 90° to 40° electronically and 360° in azimuth with a motorized junction.

Low-Profile Dual Circularly Polarized Antenna Array for Satellite Communications in the X Band

A planar antenna is introduced that works as a portable system for X-band satellite communications. This antenna is low-profile and modular with dimensions of 40 × 40 × 2.5 × cm. It is composed of a square array of 144 printed circuit elements that cover a wide bandwidth (14.7%) for transmission and reception along with dual and interchangeable circular polarization. A radiation efficiency above 50% is achieved by a low-loss stripline feeding network. This printed antenna has a 3 dB beamwidth of 5°, a maximum gain of 26 dBi and an axial ratio under 1.9 dB over the entire frequency band. The complete design of the antenna is shown, and the measurements are compared with simulations to reveal very good agreement.

Dual circular polarized steering antenna for satellite communications in X band

In this work, a dual circular polarized steering antenna for satellite communications in X band is presented. The antenna consists of printed elements grouped in an array. This terminal works in a frequency band from 7.25 GHz up to 8.4 GHz (15% of bandwidth), where both bands, reception (RX) and transmission (TX) are included simultaneously and Left Handed Circular Polarization (LHCP) and Right Handed Circular Polarization (RHCP) are interchangeable. The antenna is compact, narrow bandwidth and reaches a gain of 16 dBi. It has the capability to steer in elevation to 45±, 75±, 105± and 135± electronically with a Butler matrix and 360± in azimuth with a motorized junction.

Calibration process on the study of new antenna array architectures for space communications

This paper introduces novel calibration processes applied to antenna arrays with new architectures and technologies designed to improve the performance of traditional earth stations for satellite communications due to the increasing requirement of data capacity during last decades. Besides, the Radiation Group from the Technical University of Madrid has been working on the development of new antenna arrays based on novel architecture and technologies along many projects as a solution for the ground segment in the early future. Nowadays, the calibration process is an interesting and cutting edge research field in a period of expansion with a lot of work to do for calibration in transmission and also for reception of these novel antennas under development.

GEODA-SARAS: Multi-Phased array planar antenna for satellite communications

Nowadays, earth stations have as a common feature the use of large reflector antenna for downloading data from satellites. Large reflectors have impairments such as mechanical complexity, low flexibility and high cost. Thus, the feasibility of other antenna technologies must be evaluated, such as conformal adaptive antennas based on multiple planar active arrays. In the scenery under study, the capability to track several satellites simultaneously, higher flexibility, lower production and maintenance cost, modularity and a more efficient use of the spectrum; are the most important advantage to boost up active antenna arrays over large dishes.

Large aperture antenna arrays with subband delay compensation for reception of wideband satellite signals

Con esta disertación se pretenden resolver algunos de los problemas encontrados actualmente en la recepción de señales de satélites bajo dos escenarios particularmente exigentes: comunicaciones de Espacio Profundo y en banda Ka. Las comunicaciones con sondas de Espacio Profundo necesitan grandes aperturas en tierra para poder incrementar la velocidad de datos. La opción de usar antennas con diámetro mayor de 35 metros tiene serios problemas, pues antenas tan grandes son caras de mantener, difíciles de apuntar, pueden tener largos tiempo de reparación y además tienen una efeciencia decreciente a medida que se utilizan bandas más altas. Soluciones basadas en agrupaciones de antenas de menor tamaño (12 ó 35 metros) son mas ecónomicas y factibles técnicamente. Las comunicaciones en banda Ka tambien pueden beneficiarse de la combinación de múltiples antennas. Las antenas de menor tamaño son más fáciles de apuntar y además tienen un campo de visión mayor. Además, las técnicas de diversidad espacial pueden ser reemplazadas por una combinación de antenas para así incrementar el margen del enlace. La combinación de antenas muy alejadas sobre grandes anchos de banda, bien por recibir una señal de banda ancha o múltiples de banda estrecha, es complicada técnicamente. En esta disertación se demostrará que el uso de conformador de haz en el dominio de la frecuencia puede ayudar a relajar los requisitos de calibración y, al mismo tiempo, proporcionar un mayor campo de visión y mayores capacidades de ecualización. Para llevar esto a cabo, el trabajo ha girado en torno a tres aspectos fundamentales. El primero es la investigación bibliográfica del trabajo existente en este campo. El segundo es el modelado matemático del proceso de combinación y el desarrollo de nuevos algoritmos de estimación de fase y retardo. Y el tercero es la propuesta de nuevas aplicaciones en las que usar estas técnicas. La investigación bibliográfica se centra principalmente en los capítulos 1, 2, 4 y 5. El capítulo 1 da una breve introducción a la teoría de combinación de antenas de gran apertura. En este capítulo, los principales campos de aplicación son descritos y además se establece la necesidad de compensar retardos en subbandas. La teoría de bancos de filtros se expone en el capítulo 2; se selecciona y simula un banco de filtros modulado uniformemente con fase lineal. Las propiedades de convergencia de varios filtros adaptativos se muestran en el capítulo 4. Y finalmente, las técnicas de estimación de retardo son estudiadas y resumidas en el capítulo 5. Desde el punto de vista matemático, las principales contribución de esta disertación han sido: • Sección 3.1.4. Cálculo de la desviación de haz de un conformador de haz con compensación de retardo en pasos discretos en frecuencia intermedia. • Sección 3.2. Modelo matemático de un conformador de haz en subbandas. • Sección 3.2.2. Cálculo de la desviación de haz de un conformador de haz en subbandas con un buffer de retardo grueso. • Sección 3.2.4. Análisis de la influencia de los alias internos en la compensación en subbandas de retardo y fase. • Sección 3.2.4.2. Cálculo de la desviación de haz de un conformador de haz con compensación de retardo en subbandas. • Sección 3.2.6. Cálculo de la ganancia de relación señal a ruido de la agrupación de antenas en cada una de las subbandas. • Sección 3.3.2. Modelado de la función de transferencia de la agrupación de antenas bajo errores de estimación de retardo. • Sección 3.3.3. Modelado de los efectos de derivas de fase y retardo entre actualizaciones de las estimaciones. • Sección 3.4. Cálculo de la directividad de la agrupación de antenas con y sin compensación de retardos en subbandas. • Sección 5.2.6. Desarrollo de un algorimo para estimar la fase y el retardo entre dos señales a partir de su descomposición de subbandas bajo entornos estacionarios. • Sección 5.5.1. Desarrollo de un algorimo para estimar la fase, el retardo y la deriva de retardo entre dos señales a partir de su descomposición de subbandas bajo entornos no estacionarios. Las aplicaciones que se pueden beneficiar de estas técnicas son descritas en el capítulo 7: • Sección 6.2. Agrupaciones de antenas para comunicaciones de Espacio Profundo con capacidad multihaz y sin requisitos de calibración geométrica o de retardo de grupo. • Sección 6.2.6. Combinación en banda ancha de antenas con separaciones de miles de kilómetros, para recepción de sondas de espacio profundo. • Secciones 6.4 and 6.3. Combinación de estaciones remotas en banda Ka en escenarios de diversidad espacial, para recepción de satélites LEO o GEO. • Sección 6.3. Recepción de satélites GEO colocados con arrays de antenas multihaz. Las publicaciones a las que ha dado lugar esta tesis son las siguientes • A. Torre. Wideband antenna arraying over long distances. Interplanetary Progress Report, 42-194:1–18, 2013. En esta pulicación se resumen los resultados de las secciones 3.2, 3.2.2, 3.3.2, los algoritmos en las secciones 5.2.6, 5.5.1 y la aplicación destacada en 6.2.6. • A. Torre. Reception of wideband signals from geostationary collocated satellites with antenna arrays. IET Communications, Vol. 8, Issue 13:2229–2237, September, 2014. En esta segunda se muestran los resultados de la sección 3.2.4, el algoritmo en la sección 5.2.6.1 , y la aplicación mostrada en 6.3. ABSTRACT This dissertation is an attempt to solve some of the problems found nowadays in the reception of satellite signals under two particular challenging scenarios: Deep Space and Ka-band communications. Deep Space communications require from larger apertures on ground in order to increase the data rate. The option of using single dishes with diameters larger than 35 meters has severe drawbacks. Such antennas are expensive to maintain, prone to long downtimes, difficult to point and have a degraded performance in high frequency bands. The array solution, either with 12 meter or 35 meter antennas is deemed to be the most economically and technically feasible solution. Ka-band communications can also benefit from antenna arraying technology. The smaller aperture antennas that make up the array are easier to point and have a wider field of view allowing multiple simultaneous beams. Besides, site diversity techniques can be replaced by pure combination in order to increase link margin. Combination of far away antennas over a large bandwidth, either because a wideband signal or multiple narrowband signals are received, is a demanding task. This dissertation will show that the use of frequency domain beamformers with subband delay compensation can help to ease calibration requirements and, at the same time, provide with a wider field of view and enhanced equalization capabilities. In order to do so, the work has been focused on three main aspects. The first one is the bibliographic research of previous work on this subject. The second one is the mathematical modeling of the array combination process and the development of new phase/delay estimation algorithms. And the third one is the proposal of new applications in which these techniques can be used. Bibliographic research is mainly done in chapters 1, 2, 4 and 5. Chapter 1 gives a brief introduction to previous work in the field of large aperture antenna arraying. In this chapter, the main fields of application are described and the need for subband delay compensation is established. Filter bank theory is shown in chapter 2; a linear phase uniform modulated filter bank is selected and simulated under diverse conditions. The convergence properties of several adaptive filters are shown in chapter 4. Finally, delay estimation techniques are studied and summarized in chapter 5. From a mathematical point of view, the main contributions of this dissertation have been: • Section 3.1.4. Calculation of beam squint of an IF beamformer with delay compensation at discrete time steps. • Section 3.2. Establishment of a mathematical model of a subband beamformer. • Section 3.2.2. Calculation of beam squint in a subband beamformer with a coarse delay buffer. • Section 3.2.4. Analysis of the influence of internal aliasing on phase and delay subband compensation. • Section 3.2.4.2. Calculation of beam squint of a beamformer with subband delay compensation. • Section 3.2.6. Calculation of the array SNR gain at each of the subbands. • Section 3.3.2. Modeling of the transfer function of an array subject to delay estimation errors. • Section 3.3.3. Modeling of the effects of phase and delay drifts between estimation updates. • Section 3.4. Calculation of array directivity with and without subband delay compensation. • Section 5.2.6. Development of an algorithm to estimate relative delay and phase between two signals from their subband decomposition in stationary environments. • Section 5.5.1. Development of an algorithm to estimate relative delay rate, delay and phase between two signals from their subband decomposition in non stationary environments. The applications that can benefit from these techniques are described in chapter 7: • Section 6.2. Arrays of antennas for Deep Space communications with multibeam capacity and without geometric or group delay calibration requirement. • Section 6.2.6. Wideband antenna arraying over long distances, in the range of thousands of kilometers, for reception of Deep Space probes. • Sections 6.4 y 6.3. Combination of remote stations in Ka-band site diversity scenarios for reception of LEO or GEO satellites. • Section 6.3. Reception of GEO collocated satellites with multibeam antenna arrays. The publications that have been made from the work in this dissertation are • A. Torre. Wideband antenna arraying over long distances. Interplanetary Progress Report, 42-194:1–18, 2013. This article shows the results in sections 3.2, 3.2.2, 3.3.2, the algorithms in sections 5.2.6, 5.5.1 and the application in section 6.2.6. • A. Torre. Reception of wideband signals from geostationary collocated satellites with antenna arrays. IET Communications, Vol. 8, Issue 13:2229–2237, September, 2014. This second article shows among others the results in section 3.2.4, the algorithm in section 5.2.6.1 , and the application in section 6.3.

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.