Modelo para caracterização de canal através de Cadeias de Markov de um sistemas de comunicação entre CubeSat e estação terrestre

Abstract

A partir de 2010 alguns projetos de CubeSats tem proposto utilizar as recomendações Comité Consultivo para Sistemas de Comunicação de dados no Espaço (Consultative Committee for Space Data Systems) (CCSDS), principalmente, no fluxo de telemetria tais como codificação de canal e estruturas das unidades de dados de protocolo. Porém, não mais de 10 CubeSats também adotaram as recomendações referentes ao fluxo de telecomandos. Da revisão da literatura realizada referente às recomendações CCSDS e do questionamento referente à possibilidade de serem adotadas na tecnologia de CubeSats, foram identificadas algumas insuficiências que dificultam a recepção de telecomandos, como a capacidade de correção de erros do codificador de canal. Isso intensifica-se considerando as restrições que possuem os CubeSats e resulta em novas oportunidades de pesquisa referentes à camada de enlace: atualização do codificador de canal e/ou adaptação de mecanismos de retransmissão adaptativos de acordo com as condições do canal de comunicação, condições que variam segundo o ângulo de elevação do CubeSat. Em vista dessa necessidade, este trabalho propõe dois canais de comunicação, denominados FSMC-TS e FSMC-MS, usando o embasamento teórico das cadeias de Markov. Cada um dos canais visa conciliar a dinâmica do CubeSat na órbita terrestre baixa, quando ele passa sobre a estação terrestre, e o efeito de propagação através dos múltiplos percursos que são característicos nos ângulos baixos de elevação. A geometria da órbita define os fatores que variam segundo a elevação, tais como o efeito Doppler e as perdas no espaço livre. O canal FSMC-TS usa dois setores para simular a passagem do CubeSat, e demostra a versatilidade da função de distribuição Nakagami-m para representar desvanecimentos, leves ou severos, que são característicos segundo o ângulo de elevação. Entanto que o canal FSMC-MS utiliza 18 setores diferentes e demostra-se que, através de uma semelhança no throughput, uma simplificação para 12 ou 13 setores é suficiente para representar a passagem do CubeSat. Também é demostrado que transmitindo múltiplas vezes o mesmo telecomando, e em unidades de tamanho reduzido, é possível a estação terrestre estabelecer contato com o CubeSat quando este faz a passagem com ângulos de elevação inferiores a 30 graus. A metodologia e os resultados apresentados no decorrer do documento pretendem continuar incentivando a proposta de novas pesquisas visando aprimorar as funcionalidades da camada de enlace, e melhorar o desempenho da comunicação nos ângulos baixos de elevação. Entre os aportes deste cenário, para futuras pesquisas, será a possibilidade de testar funcionalidades da camada de enlace que são implementadas em hardware e projetadas para serem utilizadas em CubeSats, como será apresentado no documento. Implementações que estão sendo largamente utilizadas em laboratórios de pesquisas universitárias e agencias espaciais.

Abstract: Since 2010, some CubeSats projects have proposed using the Consultative Committee for Space Data Systems (CCSDS) recommendations, mainly in the telemetry flow such as channel coding and structures of the protocol data units. However, no more than 10 CubeSats have also adopted the recommendations regarding the telecommand flow. With the literature review carried out regarding the recommendations CCSDS and the questioning about the possibility of being adopted in the CubeSats technology, some insufficiencies were identified that difficulty the telecommands reception, such as the low capacity for error correction. This is intensified considering the CubeSats restrictions. Thus, this results in new research opportunities related to the data link layer, such as: updating the channel encoder and the use of adaptive retransmission mechanisms according to the conditions of the communication channel, conditions that vary according to the CubeSat elevation angle. Regarding that need, this work proposes two communication channels, called FSMC-TS and FSMC-MS, using the analytical concepts of Markov chains. Each of the channels aims to conciliate the CubeSat dynamics in the low earth orbit and the propagation effect through the multiple paths that are characteristic in the low elevation angles. The orbit geometry defines factors that vary according to elevation, such as the Doppler effect and losses in free space. The FSMC-TS channel uses two sectors to simulate the passage of the CubeSat and demonstrates the versatility of the Nakagami-m distribution function to represent the fading, light or severe, which is characterized according to the elevation angle. However, the FSMC-MS channel uses 18 different sectors and it is shown that, through a similarity in throughput, a simplification for 12 or 13 sectors is enough to represent the CubeSat's passage. Also is demonstrated that when the ground station transmits many time the same telecommand, and in small units, it is possible to establish contact with the CubeSat when it passes through elevation angles below 30 degree. The methodology and results presented in this document are intended to continue encouraging new researches aimed at improving the functionalities of the data link layer and, as a consequence, the performance of communication at low elevation angles. Among the contributions of the scenario adopted in this research, as will be demonstrated, is the possibility of testing the data link layer functionalities that are implemented in hardware and tailored to be used in CubeSats. Implementations that are being widely used in university research labs and space agencies.