CBL - Campus del Baix Llobregat

Projecte llegit

Títol: Virtual Satellite Network Simulator (VSNeS) - A novel engine to evaluate satellite networks over virtual infrastructure and networks

Estudiants que han llegit aquest projecte:

Director/a: RINCÓN RIVERA, DAVID

Departament: ENTEL

Títol: Virtual Satellite Network Simulator (VSNeS) - A novel engine to evaluate satellite networks over virtual infrastructure and networks

Data inici oferta: 05-01-2022     Data finalització oferta: 05-09-2022


Estudis d'assignació del projecte:
    DG ENG AERO/SIS TEL
Tipus: Individual
 
Lloc de realització: Fora UPC    
 
        Supervisor/a extern: Dr. Joan Adrià Ruiz-de-Azua
        Institució/Empresa: Fundació I2CAT
        Titulació del Director/a: Doctor in Network Engineering (Sat.comm)
 
Paraules clau:
Satellite Network, Orbites LEO/GEO/MEO, Software Defined Networks over Satellites, Ground Station (GS), Emulator, Virtual Machine (VM)
 
Descripció del contingut i pla d'activitats:
El Treball de Fi de Grau que es proposa es basa en la generació d'un software, sobre el sistema operatiu de Linux, per la realització de simulacions de comunicacions amb satèl·lits. Aquestes comunicacions seran del tipus estació terrestre/satèl·lit com satèl·lit/satèl·lit. Dins de les diferents configuracions es preveu la implementació de tota classe de satèl·lits (GEO,LEO i MEO).

El software haurà de tenir en compte les posicions de les ETs juntament amb les òrbites dels diferents satèl·lits i les finestres de visió que s'ofereixen. A més a més, se centrarà en la modulació dels retards de propagació i la possibilitat de connectivitat. Tot buscant una simulació representativa de cara als protocols aplicatius.

A nivell resum, el Treball constarà de les següents fases de treball: (1) evaluar l'estat de l'art de possibles solucions similars i remarcar les carències, (2) dissenyar el simulador corresponent, (3) implementar el simulador amb l'elements clau d'un sistema que simuli les òrbites dels satèl·lits i els contactes entre ells, (4) verificació de l'entorn en un cas d'ús representatiu que tingui en compte una constel·lació de satèl·lits i els protocols de comunicació corresponents en cada màquina virtual (basant-se en els estàndards CCSDS).

L'elaboració del projecte es fomentarà en dos grans parts. En
primer lloc, la relacionada amb el grau de Sistemes Aeroespacials, que requerirà uns estudis previs sobre òrbites dels satèl·lits i la seva representació. I, en segon lloc, relacionat amb el grau de Sistemes de telecomunicacions, l'estudi d'enllaços amb satèl·lits i l'elaboració d'un entorn virtual que sigui capaç de simular tots els punts esmentats anteriorment.

El projecte té uns objectius ambiciosos que es preveuen assolir amb la correcta col·laboració de les diferents parts. Concretament i2CAT, fundació amb àmplia experiència sobre les comunicacions espacials, oferirà els coneixements en estàndards de comunicació per satèl·lit i el disseny de constellacions d'aquests mateixos, remarcant les característiques físiques dels Inter-Satellite Links.
 
Overview (resum en anglès):
Space has been populated by a wide range of satellite systems from governmental and private space entities. Monolithic satellites have been ruling it by providing a custom design that accomplishes a specific mission. Nevertheless, novel user demands emerged have required global coverage, low revisit time, and ubiquitous service. The possibility to integrate in-orbit infrastructure to support current communications systems has been discussed persistently during the last years. Specifically, the concept of deploying networks composed of aircraft and spacecraft (creating the so-called Non-Terrestrial Networks), has emerged as a potential architecture to satisfy this new demand. This novel concept has enabled to investigate mobile technologies in space infrastructure. For example, this is the case of the Software-Defined Satellite, which aims at managing in-orbit infrastructure by using Software-Defined Network techniques.

These novel concepts pose multiple challenges which dedicated developments shall address. Likewise, specific equipment and simulation environments shall support them. Currently, open source satellite network emulators have certain limitations or are not easily accessible. This project aims at presenting the Virtual Satellite Network Simulator, a novel simulation engine capable to represent satellites as well as ground nodes in virtual machines and deploy a virtual network that depicts the channel effects and dynamics.

VSNeS has been generated from different modules, that thanks to the joint work is able to generate the virtualization. First of all, a Python3 program has been developed, which works as a manager and is responsible for running the rest of the modules according to the virtualized scenario. Furthermore, Kernel-based Virtual Machine has been implemented for the execution of the virtual machines. The channel management is done with the NetEm emulator. Finally, a graphical user interface is delivered by Cesium.

This dissertation presents formally a preliminary design with the essential steps to select each technology. Then, the networking design is also discussed. Different tests are also shown in order to verify the correct functioning of the tool. In addition, tests about the performance of the final release have been performed.

The program has been tested with the following protocols in different realistic scenarios: TCP, UDP, and ICMP. This allowed us to verify the correct operation of the program, checking the delays and channel losses. Moreover, it is empirically demonstrated that some protocols are not functional for geostationary satellites, due to the long latency caused by the large distances.

© CBLTIC Campus del Baix Llobregat - UPC