Cross-layer design applied to small satellites for data collection

par Vicente Almonacid Zamora

Thèse de doctorat en Électronique

Sous la direction de Gilles Despaux et de Laurent Franck.

Soutenue le 28-11-2017

à Montpellier , dans le cadre de École Doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015) , en partenariat avec Institut d’Electronique et des Systèmes / IES (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Conception cross-layer d’une architecture de collecte de données pour petits satellites à défilement


  • Résumé

    Avec l'introduction des plate-formes CubeSat, le nombre de petits satellites lancés dans l'espace a grandi de manière importante pendant les deux dernières décennies.Étant développés initialement par des universités et des centres de recherche pour des simples tests technologiques ou des expériences académiques, ces plate-formes aujourd'hui permettent d'envisager de nouvelles applications et services.Dans cette thèse, nous nous intéressons à l'usage de petits satellites à défilement pour des réseaux globaux de collecte de données et, plus généralement, pour des applications de type machine-to-machine (M2M).En raison des contraintes existantes tant au segment sol comme au segment spatial, la capacité du canal de transmission est fortement limitée---notamment celle du lien montant, qui correspond à un canal à accès multiple.Ces réseaux sont aussi caractérisés par des très petits messages arrivant au système de manière imprévisible, ce qui implique que toute redondance liée au protocole a un impact important sur l’efficacité spectrale. Ainsi, des méthodes d'accès aléatoires sont souvent préférés pour le lien montant.Relever ces défis nécessite d'aborder l'optimisation de la transmission de manière holistique. Plus spécifiquement, la conception des couches physiques (PHY) et de contrôle d'accès au support (MAC, de l'anglais Media Access Control) doit être menée de manière conjointe.Les principales contributions de cette thèse portent sur l'étude du protocole Time-- and Frequency--Asynchronous ALOHA (TFAA), une technique d'accès aléatoire utilisée dans des réseaux terrestres à modulation de bande étroite. En réduisant significativement le débit binaire de transmission, TFAA permet notamment d'établir des liaisons à longue portée et/ou à faible consommation énergétique, dont des systèmes M2M par satellite sont un exemple.D'abord, nous évaluons les performances au niveau MAC (i.e., le taux d'utilisation de canal et la probabilité d'erreur de packet) sous trois différents modèles de réception: le modèle de collisions, le modèle de capture et un modèle plus détaillé qui prend en compte les paramètres de la couche PHY.À partir de ce dernier modèle, nous étudions ensuite l'impact de certains paramètres de la couche PHY sur les performances au niveau MAC.Afin d'améliorer la performance de TFAA, nous proposons Contention Resolution Time-- and Frequency--Asynchronous ALOHA (CR-TFAA), une solution plus sophistiquée intégrant des techniques de suppressions successives d'interférences.Enfin, nous étudions les bénéfices obtenus en exploitant le compromis <<performance--délai de bout-en-bout>> en utilisant des techniques simples telles qu'un système de contrôle de transmission et le codage au niveau packet.


  • Résumé

    With the introduction of the CubeSat standard, the number of small-satellite missions has increased dramatically over the last two decades.Initially developed by universities and research centres for technology validation and academic experiments, these low-cost platforms currently allow to perform a variety of advanced, novel applications.In this thesis we are interested in the use of small satellites for global data collection and, more generally, for Internet of Things (IoT) and machine-to-machine (M2M) applications.Since both the space and ground segments are subject to stringent constraints in terms of size and mass, the overall capacity of the communications channel is highly limited, specially that of the uplink, which is a multi-access channel.These systems are also characterised by bursty, short messages, meaning that any protocol overhead may have a significant impact on the bandwidth efficiency. Hence, a random access approach is usually adopted for the uplink.Facing these challenges requires to optimize the communication system by taking an holistic approach. In particular, a joint design of both the physical (PHY) and Medium Access Control (MAC) layers is needed.The main contributions of this thesis are related to the study of Time-- and Frequency--Asynchronous ALOHA (TFAA), a random access approach adopted in terrestrial ultra narrowband (UNB) networks. By trading data rate for communication range or transmission power, TFAA is particularly attractive in power constrained applications such as low power wide area networks and M2M over satellite. First, we evaluate its MAC performance (i.e., its throughput and packet error rate) under three different reception models: the collision channel, the capture channel and a more detailed model that takes into account the PHY layer design.Then, we study the impact of PHY layer parameters, such as forward error correction (FEC), pulse shaping filter and modulation order, on the MAC performance.We show that, due to the characteristics of the multiple access interference, significant improvements can be obtained by applying low-rate FEC.To further improve TFAA's performance, we propose Contention Resolution Time-- and Frequency--Asynchronous ALOHA (CR-TFAA), a more advanced design which is in line with recent developments such as Asynchronous Contention Resolution Diversity ALOHA (ACRDA).Under the same set of hypothesis, we see that CR-TFAA provides similar and even better performance than ACRDA, with a decrease in the packet error rate of at least one order of magnitude.Finally, we study the benefits that can be obtained by trading delay for MAC performance and energy efficiency, using simple techniques such as transmission control and packet-layer erasure coding.


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