Network coding for multi-beam satellite systems

Abstract

La última década ha presenciado una constante y creciente demanda para la distribución eficiente de contenidos personalizados a través de Internet sobre redes conocidas por su alto consumo de throughput. El diseño de las nuevas redes satelitales debe tener en cuenta estas demandas mediante soluciones tecnológicas innovadoras para seguir compitiendo con las redes terrestres actuales, que están evolucionando rápidamente. El objetivo principal de esta tesis es identificar estas soluciones para mejorar el throughput ofrecido en sistemas de satélite multi-beam, la principal tecnología habilitando sistemas de satélite de alto throughput. Se ha propuesto conseguir este objetivo mediante métodos de transmisión alternativos al típico reúso de frecuencia y mejorando los mecanismos lógicos basándose en network coding (NC), un nuevo paradigma de networking también bajo estudio por los homólogos terrestres 5G y Wi-Fi. Las contribuciones principales de esta tesis son las siguientes. Primero, el desarrollo de un modelo (analítico) unificado de sistemas de satélite multi-beam. El modelo sirve para el diseño y análisis de una variedad de sistemas multi-beam habilitando una comparación eficiente de las nuevas soluciones tecnológicas en términos de throughput. Segundo, el desarrollo de un esquema de transmisión completo basado en NC para el forward downlink de sistemas multi-beam con capa física adaptativa, un elemento común en las capas bajas de los sistemas satelitales. El esquema propuesto obtiene ganancias en multicast throughput de hasta el 88% usando los mismos recursos que esquemas de multicast tradicionales, sin embargo un receptor más complejo, aunque realista, es necesario. Tercero, un segundo diseño completo de un esquema de transmisión basado en NC, esta vez combinado con spatial diversity (SD). Este esquema es particularmente útil cuando el forward uplink de sistemas de satélite multi-beam se ve afectado por altas pérdidas de paquetes, aprovechando los múltiples y geográficamente distribuidos gateways (GWs). El diseño consigue mejoras en system outage probability de hasta un orden de magnitud para un número suficientemente grande de GWs. Además se propone una metodología para derivar el número óptimo de GWs y code rate.

The last decade has witnessed a constant and increasing demand for the efficient distribution of personalized contents on the Internet over networks known to be highly throughput consuming. Design of upcoming satellite networks must address such demands with powerful new technological solutions in order to compete with the rapidly evolving terrestrial networks. The main objective of this thesis is to identify such solutions in order to enhance the offered throughput in multi-beam satellite systems, the main technology enabling High Throughput Satellite (HTS) systems. This objective is proposed to be achieved via alternative transmission schemes to the conventional frequency re-use and improved logical mechanisms based on Network Coding (NC), a new networking paradigm also being under consideration in the 5G and Wi-Fi terrestrial counterparts. The main contributions of this thesis are the following. First, a unified multi-beam satellite analytical system model has been developed. The model serves for the design and analysis of a large number of satellite systems enabling efficient comparison of the new technological solutions in terms of throughput. Second, a full design of a transmission scheme based on NC for the forward downlink of multi-beam satellite systems operating over an adaptive physical layer, a common feature on the lower layers of satellite systems. The proposed scheme shows multicast throughput gains of up to 88% employing the same amount of resources as traditional multicast schemes at the cost of a more complex but still realistic receiver. Third, a second full design of a transmission scheme based on NC, this time combined with Spatial Diversity (SD) and novel cognitive design elements. This scheme is particularly useful when severe packets losses impair the forward uplink of multi-beam satellite systems so that geographically distributed Gateways (GWs) can be jointly exploited. The design is shown to achieve more than one order of magnitude system outage probability advantage for a sufficient number of GWs. Furthermore, a methodology determining the optimal number of GWs and code-rate is derived.