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.

La modernidad arquitectónica en México : una mirada a través del arte y los medios impresos

Esta tesis se basa en la hipótesis de que la modernidad arquitectónica en México no es, como se ha pretendido, una historia homogénea, centrada en un puñado de figuras clave, sino una multiplicidad de narrativas complejas en las cuales el arte y los medios impresos juegan un papel esencial. Por tanto, se propone una nueva mirada sobre la arquitectura del siglo XX en México a partir de la relación con la fotografía, el dibujo, las ideas y los medios. La tesis se plantea con el fin de vincular la arquitectura con los movimientos artísticos relevantes, los autores con las publicaciones, las formas con los manifiestos. Asímismo, uno de los principales intereses es explorar los conceptos de modernidad y de identidad, como parte de la construcción misma de la arquitectura de dicha época y del concepto de “lo mexicano”. A pesar del énfasis que se ha dado en la construcción de un canon, muchas veces ligado a la noción de monumentalidad, regionalismo, y mestizaje, este trabajo parte de una mirada puesta no en las formas sino en los procesos. A partir de las conexiones entre distintas capas de información, se buscan nuevas maneras de abordar el proyecto arquitectónico. El crítico de arquitectura brasileño Hugo Segawa ha descrito la investigación sobre la arquitectura latinoamericana como “una tarea más de índole arqueológica que historiográfica”, sin embargo, también ha calificado a México como “el más vigoroso centro de debates teóricos en Latinoamérica a lo largo del siglo XX.” Ese descompas entre la ruina y el vigor, entre la abundancia de producción y la precariedad de su conservación, ha definido no solo el estudio de la arquitectura sino las propias formas de creación. Por tanto, la tesis se plantea como una nueva plataforma desde la cual sea posible reformular la arquitectura, lejos de su condición amnésica, pensada en cambio, como un sistema basado en una misma voluntad por indagar y crear. Se busca, siguiendo al crítico británico Anthony Vidler, “relacionar” la historia con el proyecto. Con el fin de quitarle lo escurridizo a una historia incompleta y sobre todo de poder entender la manera en que las ideas se convierten en forma o en objeto, la tesis se estructura a partir de 22 líneas de tiempo organizadas en tres recorridos que se cruzan: arquitectura; arte y pensamiento. A partir de referencias como el Atlas Mnemosyne de Aby Wargurg o la serie Asterisms del artista Gabriel Orozco, se crean nuevos dispositivos para ver. De tal manera, se desdoblan los distintos temas para trazar relaciones entre la ciudad, los edificios, las utopías, las publicaciones y la publicidad. El trabajo se construye como un nuevo instrumento de exploración articulado por medio de capas, como un mapa genealógico evolutivo. El objetivo es abarcar aquella arquitectura construida no sólo en la ciudad sino también en el papel. Iniciando con el trabajo de la generación que llevó la arquitectura al siglo XX, el estudio se extiende a manera de epílogo hasta la primera década del siglo XXI, reuniendo obras que normalmente se han visto de manera aislada para entenderlas en su contexto más amplio. Como escenario de búsquedas, esta tesis intenta provocar el cruce de significados, creyendo imprescindible una nueva reflexión en torno a la disciplina y a los escenarios en los cuales se inscribe. La arquitectura de México –un país que en el siglo XX pasó de tener 13 millones de habitantes a 100 millonescorresponde esencialmente a una producción anónima, o bien, fabricada a partir de estereotipos. Pero entre la mancha de desarrollo informal y el hito reconocible está un trabajo tan amplio como inexplorado. Por tanto, se ofrece una serie de nuevas constelaciones que comprenden desde la Revolución de 1910 a los Juegos Olímpicos de 1968; del terremoto de la ciudad de México en 1985 a los concursos internacionales de las últimas décadas. This thesis’ hypothesis states that architectural modernity in Mexico is not, as sometimes pretended, a homogeneous history, focused on some key figures, but rather a multiple and complex narrative, in which art and print media have played an essential role. Therefore, it proposes a new perspective on 20th century architecture in Mexico analized through the relationship between architecture and photography, art, theory and media. Its aim is to link architecture and artistic movements, authors and publications, forms and manifestos. What is intended here is to explore the concepts of ‘modernity’ and ‘identity’ as part of the construction of architecture and the concept of ‘Mexicanity’. Despite the emphasis that has been given to the construction of an architectural canon —mostly related to the notions of monumentality, regionalism and mestizaje/métissage— this thesis’ approach is focused mainly in processes and not in forms. Through connections between diverse layers of information, new ways of dealing with the architectural project are explored. Brazilian architecture critic Hugo Segawa has described the research on Latin American architecture as «more a task of archaeology than of historiography». Nonetheless, he has also described Mexico as «the most vigorous center of theoretical debates in Latin America throughout the 20th century». This acute discrepancy between decay and vigor, between abundance of production and precarious state of conservation has determined not only the ways in which architecture is studied and understood but also the process of architectural creation. This work is therefore outlined as a new platform in order to reformulate the discipline as a system based on a common will to research and create, far from the existing amnesiac attitude. Following British critic Anthony Vidler, the interest relies in the attempt to ‘relate’ History to project. In order to reduce the elusiveness of an incomplete history and, specially, to understand how ideas become forms and objects, this thesis is composed of 22 timelines organized in three intersecting itineraries: Architecture, Art and Theory. Drawing inspiration from Aby Warburg’s Atlas Mnemosyne and Gabriel Orozco’s series Asterisms, new exploration devices are created. In such a way, diverse topics unfold to draw connections between built environment, utopian projects, publications, photography and publicity. This work is developed as a new tool for exploration, articulated by layers, like an evolutionary genealogy map. Its objective is to analyze not only the architecture build in cities, but produced on paper. Starting with the work of the generation that led Mexican architecture into the 20th century, this research extends until the first decade of the 21st century (the epilogue), gathering together works which have been usually seen in isolation, and therefore making possible its understanding in a broader context. As a scenario for exploration, this work tries to prompt the crossing of meanings, in the belief that new approaches on the discipline and its context are needed. Architecture in Mexico — a country whose population grew in the 20th century form 13 to 100 million— is related essentially with an anonymous production, or else made from stereotypes. However, between the sprawl of informal urban developments and landmark buildings there is an architectural production as extensive as it is unexamined. This essay introduces a series of new constellations, ranging from the Revolution in 1910 to the Olympic Games in 1968; from the earthquake in Mexico City in 1985 to the international competitions of the last decade. These myriad perspectives present buildings that were never built, forgotten writings, iconic images and unpublished material.