Optimized routing algorithm in low earth orbit satellite networks

Other Title(s)

تحسين خوارزمية التوجيه في شبكات الأقمار الصناعية ذات المدار الأرضي المنخفض

Dissertant

Ghayth, Izzat Samir

Thesis advisor

Husayn, Muhammad

University

Birzeit University

Faculty

Faculty of Engineering and Technology

Department

Department of Computer Science

University Country

Palestine (West Bank)

Degree

Master

Degree Date

2020

Arabic Abstract

تعد الأقمار الصناعية واحدة من أهم منجزات الثورات التكنولوجية في هذا العالم، لما لها من فائدة كبيرة في هذا العالم، وقد أثرت كثيراً في أعمال الإنسان والمنظمات وأنظمة الاتصالات والتلبية النمو الهائل في الطلب على خدمات الوسائط المتعددة على الأجهزة النقالة ودعم الاتصال في أي مكان على سطح الكرة الأرضية، اجتاب تطوير أنظمة النطاق العريض الكثير من الاهتمام في الأوساط الصداعية والأكاديمية على حد سواء.

ومن المتوقع ان تؤدى الشبكات السائلية عموما وشبكات السوائل الموجودة في المدار الأرضي المنخفض دورا أساسيا في در هذه النظم ومع ذلك، فأن مجموعة الأقمار الصناعية الموجودة في المدار الأرضي المنخفض (LEO) مثل (Iridium) و (Iridium-Next) مكلفة للغاية بطريقة شرها وصيانتها.

ونتيجة لذلك، فإن تطوير طرق لتقليل التكليف في وضع السوائل بمدارتها وتقليل اعمال الصيانة برر كتحد كبير للباحثين والمهندسين على حد سواء.

والملاحظة الرئيسية في هذه الأطروحة هي أنه يمكن للمرء زيادة عمر خدمة الأقمار الصناعية بشكل كبير من خلال إدارة عمق التفريع (DoD) في بطارياتهم.

يمكن للأقمار الصناعية في مجموعات المدار الأرضي المنخفض أن تقضي حوالي 30% من وقتها تحت منطقة الطل، وهو الوقت الذى يتم فيه تشعيلها بواسطة البطاريات.

أثناء إعادة شحن البطاريات بالطاقة الشمسية، يؤثر عمق التدريع الذى تصل إليه أثناء الكسوف بشكل كبير على حياتها، وبالتالي على عمر خدمة القمر الصناعي نفسه بالنسبة للبطاريات مثل تلك التي تعمل بخطوط Iridium و Iridium-Next، فإن زيادة بنسبة 15 في (DoD) يمكن أن تقلل عمليا من عمر الخدمة بمقدار النصف.

في الجزء الرئيسي من هذه الأطروحة، تقترح تقديات مختلفة لتقليل عمق تدريع البطارية في مجموعات المدار الأرضي المنخفض.

بفضل الطبيعة الموحدة والمنسقة للعاية لهذه الأبراج، حيث انه يوجد هناك العديد من المسارات بين أي قمرين صناعيين، مما يفتح إمكانية اختيار المسار لتوجيه البيانات بناءً على مستويات البطارية.

في هذا السياق ودحن تركز على توجيه البيانات أولا، تقدم مقياس التوجيه الجديد الذي اعطیناه اسم (NROM)، والذي يحاول تحقيق التوازن بين الأداء في حركة توجيه البيانات وادارة الطاقة في البطاريات التي تعمل على السوائل.

النهج الأساسي الذى قمنا باتباعه في هذه الاطروحة هو الاستفادة قدر الإمكان من القطاعية لتلك السوائل بحيث يتم توجيه البيادات لتلك السوائل الموجودة بالمنطقة المقابلة للشمس وبالتالي تكون السوائل تعمل على الطاقة الممتصة من الألواح الشمسية و تجنب السوائل الموجودة بمنطقة الطل, حيث ان تلك السوائل تكون في حينها تعمل على الطاقة المحردة بالبطاريات, و بالتالي الحد من معدل عمق التفريع بالبطاريات تتم كل هذه العملية مع الاحد بعين الاعتبار عدم تأثر أداء كوكبة السوائل على توجيه البيانات باستخدام واقعية السوائل في المدار الأرضي المنخفض وطريقة بناء شبكاتها و طوبولوجيها و طريقة توجيه البيانات فيها يطهر أن المقياس (NROM) يمكن ان يزيد عمر البطارية 75% و 100% على التوالي .

في هذه الأطروحة، لدرس الأقمار الصناعية، وكيف تعمل وما هي أهم ملامحها، أيضا، تعرض أنواع الأقمار الصناعية ومداراتها حول الأرض.

وبما أن هناك من حيث المبدأ، ثلاث مدارات تكون فيها السوائل ذاتية - الدوران حول الأرض حيث تم اشتقاق ثلاث إصدارات من مقياس .NROM حتى تتمكن من خلال هذه التعديلات من اختبار تأثير توجيه البيانات على البطارية حيث تم عمل عدة سناريوهات واختبارات على مدى فاعلية هذه المقياس، ومن خلال النتائج التي تم تحصيلها تبين ان هنالك نتائج مبشرة وانه من خلال إدارة عمليات عمق التفريع في البطارية يمكن ان تضاعف من عمر السائل القضاء

English Abstract

To meet the massive growth in demand for multimedia services on mobile devices and to support connectivity anywhere on the planet, the development of broadband systems everywhere has attracted a lot of attention from academia and industry alike.

It is expected that satellite networks in general and the Low-Earth Orbit (LEO) constellations in particular will play a fundamental role in the deployment of these systems.

However, LEO satellite groups such as Iridium or Iridium-NEXT are too expensive to deploy and maintain.

As a result, extending their terms of service has emerged as a major challenge in research and engineering.

The main the key observation in this thesis is that one can significantly increase the service life of the satellites by managing the Depth of Discharge (DoD) of their batteries.

Satellites in low earth orbit groups can spend about 30% of their time under the shadow area, which is the time they are powered by the batteries.

While the batteries are recharged with solar energy, the depth of discharge they reach during the eclipse greatly affects their lives, and accordingly, the service life of the satellite itself.

For batteries such as the one that strengthens Iridium lines and Iridium-Next satellites, a 15% increase for DoD can practically cut its service life by half.

In the main part of this thesis, we suggest different techniques to reduce battery depth of discharge in LEO groups.

Thanks to the highly uniform and consistent nature of these constellations, there are many paths between any two satellites, which opens up the possibility of choosing the path to route data based on battery levels.

In this context, we focus first on Data routing and suggest new routing metrics -NROM- that attempt to balance the performance and “power management” of the battery.

Our primary approach is to take advantage of the segmental motion of the satellites in favour of directing traffic through the sun-exposed satellites instead of those obscured, thereby reducing the average battery discharge - all without taking a major penalty of performance.

Using realistic LEO topology and traffic requests, we show that NROM metric can increase battery life by up to 75% and 100%, respectively.

In this thesis, we study satellites, how they operate and what are their most important features, also, we show the types of satellites and their orbits around the earth.

Since there are, in principle, three orbits in which the satellites are located around the Earth.

As we have derived three versions from the NROM metric.

So that through these adjustments we can test the effect of the battery as we wanted to route the data without looking at the location of the satellite, so that in this case we look at the sensitivity of the data and the need to connect it to the final destination without looking at any other considerations, or that we need to reduce the use of the battery and thus information can pass between the satellites facing the sun and therefore not using the satellites in the shadow area, or it is possible to equate between these two cases.

By using realistic LEO topology and traffic requests, we show that NROM metric can increase battery life.

Thus, the satellite’s lifespan has been doubled, or increased by three quarters of its default life.

Main Subjects

Information Technology and Computer Science

No. of Pages

53

Table of Contents

• APA
• MLA
• AMA

Language

English

Data Type

Arab Theses

Record ID

BIM-1413054