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Efficient Communication Concepts for Low-Earth-Orbit Pico-Satellite Formations

Döbler, Holger (2023)
Efficient Communication Concepts for Low-Earth-Orbit Pico-Satellite Formations.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00024376
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Advances in miniaturization during the last decades have enabled the construction of small spacecraft with total masses reaching down to 1kg and below. At the same time standardization of components, interfaces, and platforms for the design of small satellites have further reduced their development costs. This trend has recently made formations of several small satellites in favor of one large unit an economically feasible alternative for university-scale organizations. While the satellite-formation approach provides new opportunities regarding Earth observation applications, it also poses new challenges to their communication system: the increased number of nodes at large distances and therefore propagation delays complicates the problem of medium access; the distributed collection of Earth observation data creates the necessity to gather the data over different links and possibly multiple hops. At the same time, the simultaneous operation of a number of identical satellites performing one task cooperatively can lead to redundancy in the data that needs to be communicated; exploiting this redundancy improves the overall efficiency of the communication system. In this work we discuss design approaches for communication protocols for Earth-observing satellite formations. In doing so we cover several layers from medium access control over network and transport up-to and including compression of payload data.

Cooperative position awareness beaconing is nowadays required for vessels at the high seas and serves as a convenient example for the in-orbit reception of data from large terrestrial sensor networks. We demonstrate how a purpose-made medium access control protocol can improve both, terrestrial performance for cooperative awareness and in-orbit overhearing for the purpose of global tracking.

Regarding higher network layers we discuss modern coding techniques like network coding and distributed source coding. These are less frequently used in terrestrial general-purpose communication networks like the Internet but can be employed to take advantage of the communication redundancy that is inherent to satellite formation operation. We show how use cases that differ in terms of kind of payload data and network topology each can benefit from their own, best-suited communication technique. We find that network coding is well-suited for over-the-air programming of satellite formations, that is, for ground-station-to-satellite broadcast transmissions. To adapt the concept of random linear network coding to typical topologies of satellite-and-ground-station networks, we introduce a novel decoding algorithm that enables protocols to use simpler feedback mechanism.

Satellite-to-ground-station transmissions of multiple satellites' payload measurement data is often correlated across nodes. Here we demonstrate the applicability of distributed source coding techniques to increase the efficiency of communication resource utilization.

As a common bottom line that applies to all of these subtopics we conclude in the end that in Earth-observing satellite formations, there is a plethora of different types of information redundancy across the satellites. The exploitation thereof allows tailored communication protocols to significantly outperform their state-of-the-art terrestrial counterparts.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2023
Autor(en): Döbler, Holger
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Efficient Communication Concepts for Low-Earth-Orbit Pico-Satellite Formations
Sprache: Englisch
Referenten: Scheuermann, Prof. Dr. Björn ; Aschenbruck, Prof. Dr. Nils
Publikationsjahr: 2023
Ort: Darmstadt
Kollation: xiv, 184 Seiten
Datum der mündlichen Prüfung: 10 Juli 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00024376
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/24376
Kurzbeschreibung (Abstract):

Advances in miniaturization during the last decades have enabled the construction of small spacecraft with total masses reaching down to 1kg and below. At the same time standardization of components, interfaces, and platforms for the design of small satellites have further reduced their development costs. This trend has recently made formations of several small satellites in favor of one large unit an economically feasible alternative for university-scale organizations. While the satellite-formation approach provides new opportunities regarding Earth observation applications, it also poses new challenges to their communication system: the increased number of nodes at large distances and therefore propagation delays complicates the problem of medium access; the distributed collection of Earth observation data creates the necessity to gather the data over different links and possibly multiple hops. At the same time, the simultaneous operation of a number of identical satellites performing one task cooperatively can lead to redundancy in the data that needs to be communicated; exploiting this redundancy improves the overall efficiency of the communication system. In this work we discuss design approaches for communication protocols for Earth-observing satellite formations. In doing so we cover several layers from medium access control over network and transport up-to and including compression of payload data.

Cooperative position awareness beaconing is nowadays required for vessels at the high seas and serves as a convenient example for the in-orbit reception of data from large terrestrial sensor networks. We demonstrate how a purpose-made medium access control protocol can improve both, terrestrial performance for cooperative awareness and in-orbit overhearing for the purpose of global tracking.

Regarding higher network layers we discuss modern coding techniques like network coding and distributed source coding. These are less frequently used in terrestrial general-purpose communication networks like the Internet but can be employed to take advantage of the communication redundancy that is inherent to satellite formation operation. We show how use cases that differ in terms of kind of payload data and network topology each can benefit from their own, best-suited communication technique. We find that network coding is well-suited for over-the-air programming of satellite formations, that is, for ground-station-to-satellite broadcast transmissions. To adapt the concept of random linear network coding to typical topologies of satellite-and-ground-station networks, we introduce a novel decoding algorithm that enables protocols to use simpler feedback mechanism.

Satellite-to-ground-station transmissions of multiple satellites' payload measurement data is often correlated across nodes. Here we demonstrate the applicability of distributed source coding techniques to increase the efficiency of communication resource utilization.

As a common bottom line that applies to all of these subtopics we conclude in the end that in Earth-observing satellite formations, there is a plethora of different types of information redundancy across the satellites. The exploitation thereof allows tailored communication protocols to significantly outperform their state-of-the-art terrestrial counterparts.

Alternatives oder übersetztes Abstract:
Alternatives AbstractSprache

In den letzten Jahrzehnten haben Fortschritte in der Miniaturisierung den Bau kleiner Satelliten mit Gesamtmassen von 1kg und weniger ermöglicht. Währenddessen hat die Standardisierung von Bauteilen, Schnittstellen und Entwurfsplattformen die Entwicklungskosten für Kleinstsatelliten reduziert. Diese Tendenz hat dazu geführt, dass Satelliten-Missionen mit Formationen mehrerer kleiner Satelliten anstatt einem größeren Satelliten auch kostentechnisch für Organisationen wie Universitäten umsetzbar sind. Der Ansatz, Formationen von Kleinstsatelliten zu verwenden, bringt nicht nur neue Möglichkeiten für Erdbeobachtungsmissionen mit sich, sondern erzeugt auch neue Herausforderungen für die Kommunikationssysteme: Das Problem des Medienzugriffs wird durch eine Vielzahl von Knoten mit großen Distanzen und daher großen Signallaufzeiten verkompliziert; die auf mehrere Satelliten verteilt aufgenommenen Erdbeobachtungsdaten müssen über, möglicherweise unterschiedliche, Funkverbindungen und mehrere Hops zusammengetragen werden. Dabei kann das kooperative Sammeln von Messdaten durch mehrere Satelliten dazu führen, dass Redundanzen in den Rohdaten und damit in den Nutzdaten entstehen, die per Funk übertragen werden müssen; dies kann ausgenutzt werden, um die Effizienz dieser Übertragungen zu steigern. In dieser Arbeit beschäftigen wir uns mit Entwurfsansätzen für Kommunikationsprotokolle für erdbeobachtende Kleinstsatellitenformationen. Dabei decken wir verschiedene Netzwerkschichten ab, vom Medienzugriff, über Netzwerk und Transport, bis hin zu Komprimierung von Nutzdaten.

Der Einsatz von Funksystemen für den automatisierten Austausch von Navigationsdaten ist heutzutage für die Hochseeschifffahrt verbindlich vorgeschrieben. Sie sind ein gutes Beispiel für die Möglichkeit, Nutzdaten terrestrischer drahtloser Sensornetze im Erdorbit zu empfangen. Wir zeigen, wie sowohl die rein terrestrische Effektivität von automatisiertem Navigationsdatenfunk als auch der satellitengestützte Empfang der zugehörigen Funknachrichten zur globalen Seeverkehrsüberwachung durch ein geeignetes, maßgeschneidertes Medienzugriffsverfahren verbessert werden kann.

Was höhere Netzwerkschichten angeht, beschäftigt sich diese Arbeit mit modernen Kodierungstechniken wie verteilte Quellenkodierung und Netzwerkkodierung. Obwohl diese Verfahren derzeit in terrestrischen Allzweckkommunikationsnetzen wie dem Internet nur wenig Verwendung finden, können sie genutzt werden, um die angesprochenen Kommunikationsredundanzen auszunutzen. Für Anwendungsszenarien mit unterschiedlichen Nutzdatentypen und Netzwerktopologien zeigen wir, wie jedes einzelne davon von speziell darauf abgestimmten Kommunikationsverfahren profitieren kann. So stellen wir fest, dass sich Netzwerkkodierung gut für over-the-air programming, also die Übertragung einzelner großer Dateien von einer Bodenstation an eine Vielzahl von Satelliten, eignet. Um die gängigen Netzwerkkodierungsverfahren auf dieses Problem anwenden zu können, haben wir einen neuen Dekodieralgorithmus entworfen, mit Hilfe dessen sich durch bessere Rückmeldungsinformationen einfachere Protokolle konstruieren lassen.

Messen verschiedene Satelliten die selbe Art von Daten, beispielsweise das Erdmagnetfeld, in ähnlichen Erdorbits, dann sind die Rohdaten oft zu einem gewissen Grad korreliert. Für diesen Anwendungsfall demonstrieren wir, wie sich verteilte Quellenkodierung einsetzen lässt, um die verfügbaren Kanalressourcen effizienter zu nutzen.

Als gemeinsames Fazit all dieser Unterthemen stellen wir fest, dass es im Bereich der Kommunikation in erdbeobachtenden Kleinstsatellitennetzen etliche unterschiedliche Arten von Informationsredundanz zwischen den Satelliten gibt. Nutzt man diese mittels je nach Anwendungsfall maßgeschneiderten Verfahren aus, lassen sich die jeweiligen etablieren Lösungen in Sachen Robustheit und/oder Effizient deutlich übertreffen.

Deutsch
Freie Schlagworte: satellite communication, network coding, medium access
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-243768
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 004 Informatik
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Datentechnik
18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Datentechnik > Kommunikationsnetze
Hinterlegungsdatum: 11 Sep 2023 13:24
Letzte Änderung: 18 Sep 2023 13:36
PPN:
Referenten: Scheuermann, Prof. Dr. Björn ; Aschenbruck, Prof. Dr. Nils
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 10 Juli 2023
Export:
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