QoS in LEO satellite networks with multipacket reception

Dissertação apresentada para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores, pela Universidade Nova de Lisboa, Faculdade de Ciências e Tecnologia

A random access MAC protocol for MPR satellite networks

Dissertação apresentada para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores, pela Universidade Nova de Lisboa, Faculdade de Ciências e Tecnologia

Coded slotted aloha with multipacket reception over block fading channels (for satellite networks)

Random access (RA) protocols are normally used in a satellite networks for initial terminal access and are particularly effective since no coordination is required. On the other hand, contention resolution diversity slotted Aloha (CRDSA), irregular repetition slotted Aloha (IRSA) and coded slotted Aloha (CSA) has shown to be more efficient than classic RA schemes as slotted Aloha, and can be exploited also when short packets transmissions are done over a shared medium. In particular, they relies on burst repetition and on successive interference cancellation (SIC) applied at the receiver. The SIC process can be well described using a bipartite graph representation and exploiting tools used for analyze iterative decoding. The scope of my Master Thesis has been to described the performance of such RA protocols when the Rayleigh fading is taken into account. In this context, each user has the ability to correctly decode a packet also in presence of collision and when SIC is considered this may result in multi-packet reception. Analysis of the SIC procedure under Rayleigh fading has been analytically derived for the asymptotic case (infinite frame length), helping the analysis of both throughput and packet loss rates. An upper bound of the achievable performance has been analytically obtained. It can be show that in particular channel conditions the throughput of the system can be greater than one packets per slot which is the theoretical limit of the Collision Channel case.

Diseño y ensayos en tierra de paneles solares para un satélite de órbita baja = Design and testing procedures of a Low Earth Orbit (LEO) satellite solar panels

Debido al reciente incremento de conflictos en el mundo árabe y dado el interés nacional de España en dicha zona, se propone en este proyecto un estudio inicial para el diseño y desarrollo de un microsatélite que ayude al gobierno de España a mantener esa zona bajo observación constante. En el presente trabajo se abarcan todos los subsistemas del satélite, haciéndose un estudio más detallado del subsistema de potencia

Diseño del sistema de potencia para un satélite de órbita baja(LEO) = Design of a Low Earth Orbit (LEO) satellite power subsystem

Este documento contiene el proceso de prediseño y cálculo de un satélite de observación terrestre mediante imágenes fotográficas. El principal objetivo del proyecto es el diseño detallado del subsistema de potencia del satélite y a validación de un modelo de funcionamiento del sistema de potencia de las placas solares que alimentan al mismo y mediante la herramienta Simulink. La primera parte consiste en un diseño breve de los subsistemas y parámetros más importantes del satélite tales como el Sistema de Control de Actitud, Sistema de Control Térmico y Sistema de Comunicaciones, además de la estructura del satélite, la órbita en la que se encontrará, el lanzador que se usará para situarlo en órbita y la cámara que llevara a bordo para la captación de imágenes. La segunda parte trata del diseño del subsistema de potencia de una manera más detallada y de su simulación mediante una herramienta diseñada en el programa MATLAB con la herramienta Simulink. Se pretende usar la herramienta para simular el comportamiento del subsistema de potencia de un satélite conocido que será el UPMSat-2.

Diseño y ensayos en tierra de las baterías para un satélite de órbita baja = Design and testing procedures of a Low Earth Orbit (LEO) satellite battery

Este proyecto consiste en el estudio y dimensionado inicial del sistema de potencia de un satélite de observación, que sirva de ayuda a otros sistemas de mayor precisión a la hora de detectar posibles terremotos y actividad volcánica mediante el análisis de señales electromagnéticas presentes en la ionosfera. Para ello el satélite incorpora, entre otros elementos sensores eléctricos, un analizador de plasma, y un detector de partículas. Con esta instrumentación se pretenden detectar los cambios que se producen en el campo electromagnético terrestre como consecuencia del movimiento de las placas tectónicas, y descubrir así las posibles anomalías que preceden a un seísmo. Para no sobrepasar el presupuesto con el que se ha ideado el proyecto se utilizarán sistemas que permitan la lectura de datos de la forma más simple, pudiendo ocurrir que los datos recogidos no se transmitan al control de Tierra en tiempo real, impidiendo a los científicos analizar los datos recogidos hasta unos días después, de ahí que este satélite experimental deba emplearse, en principio, como apoyo a programas de detención de terremotos más sofisticados y con mayores medios técnicos. Evidentemente, con este sistema también se podrán recoger datos tras los seísmos y examinarlos posteriormente. La órbita del satélite será una órbita LEO (Low Earth Orbit) de una altitud aproximada de 670 Km, estimándose el tiempo de vida del satélite en 5 años. Intentando emplear la mayor parte de los recursos económicos en el equipamiento científico, la estructura será la más simple posible, esto es, un paralelepípedo de dimensiones compactas con un peso aproximado de 185 kg, contando con paneles solares desplegables y en su interior con baterías que proporcionarán potencia al satélite durante la fase de lanzamiento y en momentos concretos.

Diseño y ensayos en tierra de paneles solares y baterías para un satélite de órbita baja = Design and testing procedures of a Low Earth Orbit (LEO) satellite power subsystem (solar panels and battery)

Las principal conclusión que se puede obtener tras el estudio es que el satélite, tal y como se ha tenido en cuenta, es perfectamente funcional desde el punto de vista eléctrico. Por la parte de la generación de potencia, los paneles son capaces de ofreces una cantidad tal como para que aproximadamente la mitad (en el caso de funcionamiento normal) de esta potencia sea destinada a la carga útil. Además, incluso en los modos de fallo definidos, el valor de potencia dedicada a la carga útil, es suficientemente alta como para que merezca la pena mantener el satélite operativo. Respecto de las baterías, se puede observar por su comportamiento que están, sobredimensionadas y por ello actúan como un elemento regulador del sistema completo, ya que tiene un amplio margen de trabajo por el cual se puede modificar el funcionamiento general. Y esto se demuestra no sólo en cuanto al estado de carga, que para el perfil de consumo constante y el de cuatro pulsos de 120 W por día se mantiene siempre por encima del 99%, si no también en términos de charging rate, el cual se está siempre dentro de los límites establecidos por el fabricante, asegurando una vida operativa acorde con la nominal. Por último, sobre el propio método de simulación se puede extraer que aun no siendo la mejor plataforma donde estudiar estos comportamientos. Presenta el inconveniente de que, en ciertas partes, restringe la flexibilidad a la hora de cambiar múltiples condiciones al mismo tiempo, pero a cambio permite un estudio bastante amplio con un requisito de conocimientos y de complejidad bajo, de manera que habilita a cualquier estudiante a llevar a cabo estudios similares.

Diseño y ensayos en tierra de paneles solares para un satélite de órbita baja = Design and testing procedures of a Low Earth (LEO)satellite solar panels

El Proyecto Fin De Carrera presentado a continuación contiene una descripción del prediseño del microsatélite de observación terrestre Gaia, particularizando ésta especialmente en el sistema de potencia del mismo. En el presente capítulo se describen los objetivos de la misión expuesta y los requerimientos del satélite objeto de este proyecto.

A simulation-based algorithm for solving the resource-assignment problem in satellite telecommunication networks

This paper proposes an heuristic for the scheduling of capacity requests and the periodic assignment of radio resources in geostationary (GEO) satellite networks with star topology, using the Demand Assigned Multiple Access (DAMA) protocol in the link layer, and Multi-Frequency Time Division Multiple Access (MF-TDMA) and Adaptive Coding and Modulation (ACM) in the physical layer.

Satellite IoT: a Study and Performance Analysis of GEO and LEO Systems

The study is divided into two main part: one focused on the GEO Satellite IoT and the other on the LEO Satellite IoT. Concerning the GEO Satellite IoT, the activity has been developed in the context of EUMETSAT Data Collection Service (DCS) by investigating the performance at the receiver within challenging scenarios. DCS are provided by several GEO Satellite operators, giving almost total coverage around the world. In this study firstly an overview of the DCS end-to-end architecture is given followed by a detailed description of both the tools used for the simulations: the DCP-TST (message generator and transmitter) and the DCP-RX (receiver). After generating several test messages, the performances have been evaluated with the addition of impairments (CW and sweeping interferences) and considerations in terms of BER and Good Messages are produced. Furthermore, a study on the PLL System is also conducted together with evaluations on the effectiveness of tuning the PLL Bw on the overall performance. Concerning the LEO Satellite IoT, the activity was carried out in the framework of the ASI Bidirectional IoT Satellite Service (BISS) Project. The elaborate covers a survey about the possible services that the project can accomplish and a technical analysis on the uplink MA. In particular, the LR-FHSS is proved to be a valid alternative for the uplink through an extensive analysis on its Network capacity and through the study of an analytic model for Success Probability with its Matlab implementation.

Graph-based User Scheduling for MIMO LEO-based Satellite Communication Systems

The study of the user scheduling problem in a Low Earth Orbit (LEO) Multi-User MIMO system is the objective of this thesis. With the application of cutting-edge digital beamforming algorithms, a LEO satellite with an antenna array and a large number of antenna elements can provide service to many user terminals (UTs) in full frequency reuse (FFR) schemes. Since the number of UTs on-ground are many more than the transmit antennas on the satellite, user scheduling is necessary. Scheduling can be accomplished by grouping users into different clusters: users within the same cluster are multiplexed and served together via Space Division Multiple Access (SDMA), i.e., digital beamforming or Multi-User MIMO techniques; the different clusters of users are then served on different time slots via Time Division Multiple Access (TDMA). The design of an optimal user grouping strategy is known to be an NP-complete problem which can be solved only through exhaustive search. In this thesis, we provide a graph-based user scheduling and feed space beamforming architecture for the downlink with the aim of reducing user inter-beam interference. The main idea is based on clustering users whose pairwise great-circle distance is as large as possible. First, we create a graph where the users represent the vertices, whereas an edge in the graph between 2 users exists if their great-circle distance is above a certain threshold. In the second step, we develop a low complex greedy user clustering technique and we iteratively search for the maximum clique in the graph, i.e., the largest fully connected subgraph in the graph. Finally, by using the 3 aforementioned power normalization techniques, a Minimum Mean Square Error (MMSE) beamforming matrix is deployed on a cluster basis. The suggested scheduling system is compared with a position-based scheduler, which generates a beam lattice on the ground and randomly selects one user per beam to form a cluster.

User scheduling for low earth orbit multi-user multiple-input-multiple-output non-terrestrial network systems

In rural and isolated areas without cellular coverage, Satellite Communication (SatCom) is the best candidate to complement terrestrial coverage. However, the main challenge for future generations of wireless networks will be to meet the growing demand for new services while dealing with the scarcity of frequency spectrum. As a result, it is critical to investigate more efficient methods of utilizing the limited bandwidth; and resource sharing is likely the only choice. The research community’s focus has recently shifted towards the interference management and exploitation paradigm to meet the increasing data traffic demands. In the Downlink (DL) and Feedspace (FS), LEO satellites with an on-board antenna array can offer service to numerous User Terminals (UTs) (VSAT or Handhelds) on-ground in FFR schemes by using cutting-edge digital beamforming techniques. Considering this setup, the adoption of an effective user scheduling approach is a critical aspect given the unusually high density of User terminals on the ground as compared to the on-board available satellite antennas. In this context, one possibility is that of exploiting clustering algorithms for scheduling in LEO MU-MIMO systems in which several users within the same group are simultaneously served by the satellite via Space Division Multiplexing (SDM), and then these different user groups are served in different time slots via Time Division Multiplexing (TDM). This thesis addresses this problem by defining a user scheduling problem as an optimization problem and discusses several algorithms to solve it. In particular, focusing on the FS and user service link (i.e., DL) of a single MB-LEO satellite operating below 6 GHz, the user scheduling problem in the Frequency Division Duplex (FDD) mode is addressed. The proposed State-of-the-Art scheduling approaches are based on graph theory. The proposed solution offers high performance in terms of per-user capacity, Sum-rate capacity, SINR, and Spectral Efficiency.

Serviços pós-4G em redes de satélite com recepção multi-pacote de acesso com agendamento

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Eletrotécnica e Computadores

Avaliação de perfis atmosféricos de rádio ocultação GPS do satélite CHAMP sobre a América do Sul

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)