Kommunikationskonzepte für selbstorganisierende verteilte Kleinstsatellitensysteme
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Projekt haben wir die Kommunikation in und mit Gruppen von Kleinstsatelliten untersucht. Solche Multisatellitensystemen haben einen Paradigmenwechsel in der Satellitentechnik ausgelöst. Die individuellen Satelliten in ihnen sind viel kleiner und wesentlich kostengünstiger als in traditionellen Satellitensystemen, wodurch größere Formationen (in nahe beieinanderliegenden Orbits) oder Konstellationen (in unterschiedlichen, sich ergänzenden Orbits) möglich werden. Beim Entwurf geeigneter Kommunikationsprotokolle zwischen den Satelliten oder für den Datenaustausch von Bodenstationen mit solchen Multisatellitensystemen waren und sind jedoch noch viele offene Fragen offen. Wir haben in diesem Kontext unter anderem zu Wegewahl und Übertragungsplanung beim sogenannten Kontaktplan-Routing beigetragen. Beim Kontaktplan-Routing werden die aufgrund bekannter Orbits vorherbestimmbaren Kommunikationsgelegenheiten für eine Vorausplanung genutzt, in welcher das Zwischenspeichern und schrittweise Weiterleiten der Daten festgelegt wird. Wir konnten dabei deutliche Verbesserungen durch das Einbeziehen von Wissen über die geometrische Konfiguration des Satellitensystems und damit der Eigenschaften des drahtlosen Mediums erreichen. Dabei werden die Wegewahl und die zeitliche Planung der Übertragungen gemeinsam optimiert. Auch besonders effiziente Verfahren zum Übertragen von Messdaten mehrerer Satelliten zur Erde mittels verteilter Quellencodierung sowie von identischen Daten (beispielsweise Software-Updates) von der Erde zu mehreren Satelliten mittels Network Coding konnten wir entwickeln. Einer der konkreten Anwendungsfälle, die im Projekt betrachtet wurden, ist die periodische Übertragung von Positionsnachrichten zur Verfolgung von Transpondern. Solche Verfahren werden beispielsweise in der See- und Luftfahrt genutzt, um die Position von Schiffen beziehungsweise Flugzeugen auszutauschen. Wenn solche Positionsnachrichten von Satelliten erfasst werden sollen, um die Bewegungen zu verfolgen, können zwei oder mehr zeitgleiche Übertragungen von Sendern an unterschiedlichen Stellen der Erdoberfläche den Satelliten erreichen und sich dort gegenseitig stören, auch dann wenn die Sender sehr voneinander entfernt sind und sich ihre Senderadien am Boden aufgrund der Erdkrümmung nicht überschneiden. Unsere Beiträge umfassen neue Techniken, die solche gegenseitigen Störungen ausschließen, und bei denen die Satelliten dennoch rein passive Zuhörer bleiben. Es handelt sich unseres Wissens um das erste Medienzugriffsverfahren, das keinen über die direkte Nachbarschaft hinausreichenden Informationsaustausch erfordert und das trotzdem über eine beliebig wählbare Distanz hinweg zeitgleiche Übertragungen effektiv vermeiden kann.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Throughput-optimal joint routing and scheduling for low-earth-orbit satellite networks. 2018 14th Annual Conference on Wireless On-demand Network Systems and Services (WONS), 59-66. IEEE.
Kondrateva, Olga; Dobler, Holger; Sparka, Hagen; Freimann, Andreas; Scheuermann, Bjorn & Schilling, Klaus
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Efficient Multi-Satellite Downlinks for Earth Observation Data Based on Distributed Arithmetic Coding. 2019 IEEE 44th Conference on Local Computer Networks (LCN), 372-380. IEEE.
Dobler, Holger; Sparka, Hagen & Scheuermann, Bjorn
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Interference-Free Contact Plan Design for Wireless Communication in Space-Terrestrial Networks. 2019 IEEE International Conference on Space Mission Challenges for Information Technology (SMC-IT), 55-61. IEEE.
Freimann, Andreas; Petermann, Timon & Schilling, Klaus
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LAMA. Proceedings of the 22nd International ACM Conference on Modeling, Analysis and Simulation of Wireless and Mobile Systems, 253–260.
Döbler, Holger & Scheuermann, Björn
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“Adaptive Coding and Modulation Scheme for Satellite Up- and Downlinks”. In: IAC ’19: 70th International Astronautical Congress. 2019
A. Freimann, A. Kleinschrodt, T. Horst, F. Kempf & K. Schilling
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“Interference-Free Store-and-Forward Communication in Low Earth Orbit Satellite Systems”. In: SPACOMM ’19: 11th International Conference on Advances in Satellite and Space Communications. 2019
A. Freimann, T. Petermann & K. Schilling
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ESTNeT: a discrete event simulator for space-terrestrial networks. CEAS Space Journal, 13(1), 39-49.
Freimann, A.; Dierkes, M.; Petermann, T.; Liman, C.; Kempf, F. & Schilling, K.
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Efficient Data Uploads to Satellite Formations by Rateless Codes and Adaptive Tracking. 2021 IEEE Space Hardware and Radio Conference (SHaRC), 1-4. IEEE.
Freimann, Andreas; Petermann, Timon; Dobler, Holger; Scheuermann, Bjorn & Schilling, Klaus
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CAMELAMA: Cooperative awareness and spaceborne monitoring enabled by location-assisted medium access. Computer Communications, 210, 205-216.
Döbler, Holger & Scheuermann, Björn
