Contribution to the development of autonomous satellite communications networks : the internet of satellites

Abstract

The space is experiencing a revolution due to the em ergence of satellite services to satisfy environmental, socio-econom ic, and geo-political demands. Earth Observation satellite systems have become dependable resources for climate monitoring, modern agriculture, and other applications. The 5G incursion in the aerospace domain has promoted the satellites as promising platforms to achieve global coverage, and cope the limitations of ground facilities. These demands can be summarized in two system requirements: (1) increase of data transfer capacity, and (2) decrease of end-to-end com m unications latency. Distributed Satellite Systems have emerged as an effective solution of m ultiple satellites operating simultaneouslyto satisfycommon requirements. Federated Satellite Systems are serious candidates to exploit the potential of distributed architectures by establishing opportunistic collaborations among satellites to share unallocated resources. These collaborations, called federations, allows to conceive the space as a cloud in which satellites leverage from other resources to improve their performance. The successive investigations have been centered on developing novel federation technologies. However, multiple design aspects are still open fields of study, such as the development of communications capabilities to establish these federations. This dissertation contributes to fill this gap bydefining mechanisms to deploy a network infrastructure for this purpose. A networked environment in which satellites are able to establish sporadically, and opportunisticallyfederations has been discussed. This context is called the Internet of Satellites paradigm, and prometes the temporal deployment of inter-satellite networks, composed of heterogeneous satellites. This feature---with satellite motion--­poses a challenge on the definition of end-to-end communications routes composed of intermediate satellites. Areview of current routing protocols from other satellite networks is conducted to identify the ideal protocol for these dynam ic networks. The outcome remarks the need to combine capabilities from different domains to achieve the desired performance. Among them, the capabilityto predict future inter-satellite links becomes crucial to mitigate the fragmentation of the network. With this prem ise in mind, this dissertation presents a predictive protocol that perform s the estimation of these inter-satellite contacts in a distributed manner. This new satellite capability may support the routing protocol by allowing the estimation of future routes as a sequence of satellite contacts over time. The research presented in this dissertation also tackles other questions that remained unanswered: How can satellites be aware of the available resources offered by other satellites? What are the necessary mechanisms to deploy a federation? A software stack with two protocols to deal with this technology gap has been developed. The Opportunistic Service Availability Dissem ination Protocol allows notifying the services that are available in a satellite, while the Federation Deploym ent Control Protocol form alizes the rules to establish and m anage a federation. The application of these protocols considerably enhancded the capabilityof the satellite system to download data, becom ing thus enablers of future satellite m issions. The achieved perform anee has motivated the developm ent of a dedicated system. 11 has been named Federated Satellite Systems Experiment payload, and includes a communications device to create inter-satellite links. This system has been verified in a stratospheric balloon campaign, and integrated in a CubeSat miss ion. This dissertation discusses the results of the campaign, which emphasize the benefits and viabilityof this implementation. We expect that the contributions of this dissertation mayencourage to keep investigating on this inter-satellite communications for satellite federations.

L'espai esta experimentant! una revolució degut a l'aparició de serveis per satèl·lit que satisfan les noves demandes ambientals, socials i geo-polítiques. Els sistemes de satèl·lits per observar la Terra han esdevingut recursos essencials per el control del clima, !'agricultura moderna, i altres aplicacions. L'entrada del 5G en el sector aeroespacial ha promogut els satèl·lits com plataformes per aconseguir una cobertura global. Aquestes necessitats poden ser classificades en dos requeriments de sistema: (1) L'augment de la capacitat per transferir dades, i (2) la reducció de la latència en les comunicacions d'extrem-a-extrem. Els sistemes distribuïts de satèl·lits han esdevingut una solució efectiva amb múltiples satèl·lits essent operats simultàniament per satisfer uns requeriments comuns. Els sistemes federats de satèl·lits són candidats prometedors per explotar el potencial de les arquitectures distribuïdes mitjançant col·laboracions oportunistiques entre satèl·lits per compartir recursos. Aquestes col·laboracions, anomenades federacions, permeten concebre l'espai com un entorn on els satèl·lits poden beneficiar-se dels recursos d'altres per millorar el seu funcionament. Les investigacions s'han central en desenvolupar noves tecnologies per aquestes federacions. No obstant, molts aspectes de disseny encara són punts oberts de recerca, com ara el desenvolupament de protocols de comunicació per establir aquestes federacions. Aquesta tesina contribueix definint mecanismes que permeten desplegar una infraestructura en xarxa per establir federacions. A més a més, es discuteix sobre aquest context interconnectat on els satèl·lits poden establir esporàdicament i oportunísticament les federacions. Aquest escenari s'ha anomenat la Internet dels Satèl·lits, i promou els desplegament temporal de xarxes entre satèl·lits heterogenis. Aquesta característica, amb el moviment dels satèl·lits, suposa un repte en la definició de rutes entre extrems formades per satèl·lits intermitjos. Una revisió de protocols d'enrutament actuals d'altres xarxes de satèl·lits s'ha realitzat per identificar el protocol ideal per aquest tipus de xarxa dinàmica. El resultat remarca la necessitat de combinar capacitats de diferents dom in is per aconseguir el funcionament desitjat. Entre aquestes, la capacitat de preveure futurs enllaços entre satèl·lits esdevé crucial per mitigar la fragmentació de la xarxa. Amb aquesta premissa, aquesta tesina presenta un protocol predictiu que estima aquests contactes entre satèl·lits de forma distribuïda. Aquesta nova capacitat pot complementar el protocol d'enrutament mitjançant l'estimació de futures rutes com seqüències of contactes de satèl·lits a través del temps. La recerca presentada en aquesta tesina també respon altres preguntes que no s'havien res post encara: Com els satèl·lits poden descobrir els recursos disponibles en la xarxa? Quins són els mecanismes necessaris per establir i mantenir una federació? Una pila de protocols per cobrir aquesta necessitat tecnològica ha sigut desenvolupat. El protocol de dispersió de la disponibilitat de serveis oportunístics permet notificar els serveis disponibles en un satèl·lit, mentre que el protocol desplegament i control de federacions s'encarrega d'establir i gestionar les federacions. L'aplicació d'aquests protocols considerablement van realçar la capacita! del sistema de satèl·lit per descarregar dades, esdevenint així potenciadors de futures missions. Aquests resultats han motivat el desenvolupament d'un sistema dedica!, que inclou un dispositiu de comunicacions per crear enllaços entre satèl·lit. Aquest sistema ha estat verifica! en una campanya de globus estratosfèrics, i ha sigut integral en una missió de CubeSats. Aquesta dissertació presenta els resultats de la campanya, els quals emfasitzen els profits i viabilitat d'aquesta implementació.