On scalability of fractionated satellite networks

Abstract

[ANGLÈS] Fractionated Satellite Networks are a novel concept in space systems where several satellites cooperate and collaborate by exchanging resources wirelessly in order to obtain an aggregated network capability higher than the sum of the individual capabilities of the different satellites that compose it. In addition, Fractionated Satellite Networks can be easily expanded to extend the objectives of the mission or provide support to a larger number of satellites. Because of this expandable nature of Fractionated Satellite Networks, the concept of scalability is critical on these architectures, as systems that do not scale well present a very poor performance when adding new agents, increasing costs and harming quality of service and stakeholder satisfaction. This thesis presents a model and a framework to analyze scalability on Fractionated Satellite Networks. Our model includes descriptions of the system at the resource, satellite, network and mission level. Connections and resource transfer among nodes are modeled using graphs whereas the study is approached from a resource allocation problem perspective. Two case studies are analyzed in order to show the usefulness of the model. The first one studies the scalability of Federated Satellite Systems (dynamic system) whereas the second one analyzes the scalability of a cluster of nanosatellites that depend on a central node (a static system). Finally, based on the conclusions of the analysis conducted and the nanosatellite-technologies state of the art, some guidelines to design nanosatellites that can be easily integrated in fractionated networks are provided.

[CASTELLÀ] Las redes de satélites fraccionados son un innovador concepto en la industria espacial donde varios satélites cooperan y colaboran intercambiando recursos inalámbricamente con el fin de obtener una capacidad agregada en la red superior a la suma de capacidades individuales de cada uno de los satélites que la componen. Además, estas redes pueden ser fácilmente expandidas para ampliar los objetivos de la misión o dar soporte a un mayor número de satélites. Debido a esta naturaleza expandible, el concepto de escalabilidad es crítico en estas arquitecturas, ya que los sistemas que no escalan debidamente presentan un comportamiento muy deficiente al añadir nuevos agentes, aumentando costes y dañando la calidad de servicio y la satisfacción de los stakeholders. Esta tesis presenta un modelo y un marco para analizar la escalabilidad en las redes de satélites fraccionados. Nuestro modelo incluye una descripción del sistema a los niveles de recurso, satélite, red y misión. Las conexiones y la transferencia de recursos entre nodos son modelados empleando grafos, mientras que el estudio se afronta desde la perspectiva de la resolución de un problema de asignación de recursos. Con el fin de mostrar la utilidad del modelo y el framework, dos análisis son presentados. El primero de ellos estudia la escalabilidad de un Federated Satellite System (sistema dinámico) mientras que el segundo de ellos analiza un clúster de nanosatélites que dependen de un nodo central (sistema estático). Finalmente, empleando las conclusiones de los análisis conducidos y el estado del arte de las tecnologías para nanosatélites, ciertas guías de diseño para que los nanosatélites puedan ser integrados en redes fraccionadas fácilmente son proporcionadas.

[CATALÀ] Les xarxes de satèl·lits fraccionats són un innovador concepte en la indústria espacial on diversos satèl·lits cooperen i col·laboren intercanviant recursos sense fil amb la finalitat d'obtenir una capacitat agregada a la xarxa superior a la suma de capacitats individuals de cada un dels satèl·lits que la componen. A més, aquestes xarxes poden ser fàcilment expandides per ampliar els objectius de la missió o donar suport a un major nombre de satèl·lits. A causa d'aquesta naturalesa expandible, el concepte d'escalabilitat és crític en aquestes arquitectures, ja que els sistemes que no escalen degudament presenten un comportament molt deficient en afegir nous agents, augmentant costos i danyant la qualitat de servei i la satisfacció dels stakeholders. Aquesta tesi presenta un model i un marc per analitzar la escalabilitat en les xarxes de satèl·lits fraccionats. El nostre model inclou una descripció del sistema als nivells de recurs, satèl·lit, xarxa i missió. Les connexions i la transferència de recursos entre nodes són modelats emprant grafs, mentre que l'estudi s'afronta des de la perspectiva de la resolució d'un problema d'assignació de recursos. Per tal de mostrar la utilitat del model i el framework, dues anàlisis es presenten. El primer d'ells estudia l'escalabilitat d'un Federated Satellite System (sistema dinàmic) mentre que el segon d'ells analitza un clúster de nanosatèl·lits que depenen d'un node central (sistema estàtic). Finalment, emprant les conclusions de les anàlisis conduïts i l'estat de l'art de les tecnologies per nanosatèl·lits, certes guies de disseny perquè els nanosatèl·lits puguin ser integrats en xarxes fraccionades fàcilment són proporcionades.