Progetto di software per la tecnica di accesso di un sistema satellitare a larga banda

 ii 
 
Inoltre il progetto WISDOM si propone di dimostrare la fattibilità di un tale sistema, 
sviluppando in laboratorio un dimostratore “da estremo ad estremo” ed eseguendo vari 
collaudi.  
Il dimostratore ha essenzialmente lo scopo di aumentare la fiducia e la confidenza 
verso un sistema di questo tipo, che presenta altissimi costi iniziali. 
Infatti, il sistema base di WISDOM, per motivi economici e di tempo, è strettamente 
legato al progetto del sistema satellitare WEST della Matra Marconi, partner guida di 
WISDOM. 
 
In questo quadro, scopo della presente tesi è stato quello di progettare un 
software (BoD Simulator)  modulare ed aperto atto a simulare il sistema di 
accesso al mezzo (MAC), indicato nelle linee guida di WISDOM, per testare 
algoritmi fondamentali proposti dall'Università di Roma "La Sapienza" ed 
esaminare possibili alternative. 
 
Architettura del Sistema. 
Il segmento di terra include il Terminale Satellitare (ST), il Network Control Centre 
(NCC) e i Gateways (GTW) nodi di accesso al sistema da reti terrestri.  
Il Terminale Satellitare (ST) è ulteriormente suddiviso nel Modulo di Accesso a 
WISDOM (WAM = WISDOM Access Module) che fornisce l’accesso all’interfaccia 
aerea e il modulo Input/Output (I/O) che esegue la conversione tra l’interfaccia con il 
Terminale di Utente (UT, ATM compatibile) e l’interfaccia con il WAM. 
 
Peculiarità del sistema WISDOM sono: 
- costellazione di satelliti geostazionari (GEO) e in una seconda fase a media orbita 
(MEO). 
- collegamenti intersatellitari (ISL=Inter Satellite Link) 
- uso della banda Ka (20-30 Ghz) 
- presenza a bordo dei satelliti di uno switch ATM 
- architettura basata su ATM 
 
 iii 
 
 
Schema MAC in uso. 
Considerando anche l’elevato costo e la limitatezza della capacità disponibile, risulta 
determinante, per il successo economico del sistema, un buono schema di accesso 
(MAC = Medium Access Control), in collaborazione con un valido Traffic 
Management. 
Nella Progettazione del sistema WISDOM si è scelto di utilizzare una tecnica di 
accesso dinamica che combini un’assegnazione fissata di banda, valida per tutta la 
durata della connessione, con l’assegnazione su richiesta, quando necessario, di 
ulteriore capacità. 
Questo approccio risulta più complesso di quelli tradizionali ma è essenziale per 
garantire una maggiore efficienza in ambiente multimediale. 
 
Il sistema WISDOM implementa uno schema F/TDMA per l'accesso alla capacità di 
Uplink a cui è affiancato lo schema CFRA (Combined Fixed and Reservation 
Assignment) per la richiesta e l'allocazione della capacità ai Terminali Satellitari; in 
accordo a questo schema, l'allocazione è fatta sia all'instaurazione della connessione, 
in modo fisso, e sia  durante il periodo di vita della connessione, in modo tale da 
seguire le variazione di traffico della sorgente.  In entrambi i casi l’assegnazione è 
fatta in termini di slot della matrice frequenza/tempo cui può accedere il terminale.  
 
In uno slot possono essere trasmesse indifferentemente celle di informazione, 
segnalazione o controllo; così le classi di traffico che hanno slot allocati in modo fisso 
possono utilizzare uno di questi per inviare la richiesta di ulteriore banda.  
La classe UBR, per la quale non è prevista l’allocazione fissa, manda la richiesta in 
modalità ALOHA utilizzando gli slot non allocati. Questo, naturalmente comporta una 
probabilità di collisione e quindi ritrasmissione della richiesta ed un aumento dei 
ritardi di accesso. 
 
 
 
 iv 
 
 
Architettura BoD nel Dimostratore. 
Nel Dimostratore sono implementate le funzionalità BoD di un NCC e di un solo 
WAM; la presenza di altri WAM, che competono per l'assegnazione delle risorse, è 
simulata da un apposito blocco chiamato RAG. 
I blocchi principali dello schema BoD nel Dimostratore sono i seguenti: 
 
WAM BoD Control  
Comunica al WAM (Wisdom Adaptation Module) se deve trasmettere e se sì quale 
cella; 
Si base sulle informazioni su: i canali fissi, le allocazioni di BoD (Band on Demand) 
ricevute, lo stato delle code nel WAM. 
Riceve i messaggi di allocazione di BoD dall’NCC (Network Control Centre) 
 
BoD Requester 
Genera lo stimolo di acquisizione di BoD (Band on Demand). 
Decide l'ammontare della richiesta in termini di slot e durata dell'assegnazione ed invia 
la richiesta all'NCC. 
Tiene aggiornata una tabella con i parametri descrittivi dello stato del WAM (Wisdom 
Adaptation Module) basandosi sul monitoraggio della coda nel buffer dello WAM, le 
assegnazioni di banda operate dall'NCC e su richieste specifiche dell'utente. 
 
BTP (Burst Time Plan) Compute 
Alloca e dealloca le risorse in uplink 
E'' divisibile in  tre  sottoblocchi: 
1) BTP Initialize: definisce nella fase di avvio la capacità utilizzabile 
2) BTP Maker:  utilizza l’algoritmo ULSA  per scegliere nella matrice tempo-
frequenza quali slot allocare alla connessione o al terminale che ne ha fatto 
richiesta. 
3) BTP Request Handler: gestisce le interfacce verso gli altri blocchi e provvede ad 
una preelaborazione delle richieste         
 v 
 
    
“BoD & Call RAG”   (Request Aggregated Generator)  
 e   CAC   (Call Admission Control) 
Simulano la presenza di altri terminali in competizione con quello implementato per le 
allocazioni di banda. 
 
 
Progettazione del Simulatore. 
A questo punto si inserisce la progettazione oggetto della presente tesi, che è stata 
pensata come un "work in progress",  e per questo si è cercato di rendere il programma 
il più possibile modulare in modo da renderlo facilmente adattabile a successivi  
sviluppi. 
 
La linea di guida su cui si è sviluppato il codice del Simulatore, è stata l'architettura 
BoD del Dimostratore:  si è pensato che una maniera semplice ma al tempo stesso 
efficace di mimare il Dimostratore fosse quella di progettare una simulazione guidata 
da eventi.  
Il programma è costituito fondamentalmente da uno stack in cui sono ordinati 
temporalmente gli eventi che costituiscono l'interazione tra gli WAM e l'NCC. 
In breve, per ogni istante di tempo (la cui granularità è stata fissata pari a 10/11 ms, la 
durata di uno slot in WISDOM) il programma effettua tutte le operazioni conseguenti 
all'analisi degli eventi estratti dallo stack e caratterizzati da quello stesso istante 
temporale. 
 
Una serie di parametri di congestione quantifica l'ulteriore allocazione di banda 
necessaria ad una certa connessione o classe di traffico quando se ne presenti 
l'esigenza. Tali parametri dipendono in vario modo dallo stato delle code e da quanto 
le celle in esse contenute stanno “soffrendo” per il ritardo di trasmissione.  
La richiesta di banda totale è fatta da uno WAM in termini di slot e di durata 
dell'assegnazione ed inviata all'NCC che tenterà di soddisfarla tenendo conto però di 
vincoli derivanti dallo stato di congestione della capacita di downlink e dalla necessità 
 vi 
 
di mantenere una certa equità  (fairness) di distribuzione della banda tra i vari 
utilizzatori  nonché da limiti fisici.  
In realtà, la fairness non va intesa come una eguale distribuzione della banda 
disponibile tra tutti gli utilizzatori, ma piuttosto come l'assegnazione ad ognuno della 
banda necessaria alla soddisfazione dei suoi bisogni contingenti: da questo punto di 
vista una definizione più appropriata potrebbe essere "grado di soddisfazione del 
sistema". 
Infatti, riguardo la fairness, va citato un dettaglio importante: 
sono stati cioè utilizzati due diversi algoritmi; uno, più complesso, che alloca banda 
cercando di soddisfare necessità specifiche dei singoli utilizzatori, tenendo conto 
anche di chi sia stato meno favorito nelle precedenti assegnazioni. 
L'altro, più semplice, assegna  solo ad ogni  utilizzatore tutta la banda da lui richiesta, 
purché ce ne sia di disponibile. 
 
Per implementare il BoD RAG, si è seguita questa direzione: 
se lo WAM implementato genera una richiesta BoD al tempo t, le altre N-1 richieste 
relative agli WAM simulati saranno inserite nello stack ai tempi t+t
i
, essendo t
i
 un 
determinazione di una variabile aleatoria uniformemente distribuita nell'intervallo 
[0, MRTI] (con MRTI = Max RAG Time Interval). 
 
Risultati della simulazione. 
Con il programma sono state effettuate una serie di simulazioni che ci hanno permesso 
di comprendere innanzitutto che l'algoritmo RAG implementato si rivela efficace se il 
numero degli WAM e il valore assunto dal paramento MRTI non sono eccessivamente 
bassi. 
Probabilmente ciò è spiegabile  perché un valore sufficientemente elevato di entrambi, 
permetterebbe di distribuire con maggiore uniformità le richieste nel tempo evitando il 
presentarsi di forti oscillazioni nell'occupazione di banda. 
Questa prima conclusione ci ha permesso di impostare su basi sperimentali più solide 
il set di paramenti più adatto per testare nelle successive simulazioni l'efficacia del  
software. 
 vii 
 
In queste ultime si è posto, così, l'accento sul comportamento del sistema sotto 
osservazione nei confronti della utilizzazione della capacità di uplink e della fairness 
del sistema. 
Abbastanza ragionevolmente si è verificato come all'aumentare del numero di WAM 
aumenti la percentuale media di banda occupata in uplink. 
Mentre l'analisi parallela dell'andamento della fairness del sistema, facendo uso 
dell'algoritmo più complesso,  ha mostrato che essa decresce all'aumentare del numero 
degli WAM, (in quanto, probabilmente, è più difficile per l'NCC gestire equamente la 
banda se le richieste aumentano di molto): il decremento è comunque assai lieve in 
termini assoluti. 
Altre simulazioni, in cui non si è utilizzato l'algoritmo di fairness, hanno evidenziato 
un aumento dell'occupazione media della capacità di uplink a fronte però di un 
drastico decremento mostrato dall'andamento della fairness totale. 
Una possibile spiegazione al fenomeno potrebbe essere questo: il pieno accoglimento 
di ogni richiesta in prossimità del livello di saturazione della banda penalizza 
progressivamente ogni utente generando un deterioramento del grado di soddisfazione 
globale. 
 
In via del tutto orientativa si è infine testato il comportamento del  sistema nei 
confronti dei tempi di sosta delle celle nel buffer di uno WAM. 
Ciò è stato ovviamente possibile facendo solo riferimento al caso dello WAM 
Implementato perché è l'unico completamente caratterizzato. 
Le simulazioni hanno mostrato che i tempi di ritardo medi nel buffer  assumono un 
andamento crescente (e tendente ad un esponenziale) quando aumentino gli WAM. 
I valori assoluti risultano comunque accettabili tenendo conto che si è ipotizzato di 
lavorare con sorgenti di classe UBR che quindi non richiedono alcun vincolo di questo 
tipo. 
 1 
1. WISDOM SYSTEM 
 
1.1 GENERAL INFORMATION ON THE PROJECT 
WISDOM (WIdeband Satellite Demonstration Of Multimedia) is a project funded 
under the European Union’s Fourth Framework Advanced Communication, 
Technologies and Services (ACTS) programme. It started in March 98 and will last 
two years. 
 
WISDOM’s aim is to design and demonstrate a broadband satellite system architecture 
that provides a wide range of broadband multimedia services to both fixed and 
portable types of terminals in a way that makes it easy to integrate it with terrestrial 
ATM Networks.  
In this respect WISDOM system adopts a constellation of Geostationary (GEO) multi-
beam satellites provided with an ATM switch on board. Eventually, in a following 
phase, Medium Earth Orbiting ones will complement these GEO satellites in order to 
meet the market needs and growth. 
 
Many important companies and universities participate in this project pooling their 
knowledge and resources. The leading partner is Matra Marconi Space (MMS) and is 
expected that this project will influence their WEST proposal of a real commercial 
satellite system. 
          PROJECT PARTNERS 
Partner Country Partner Name Short Name 
UK MATRA MARCONI SPACE MMS UK 
UK NORTEL TECHNOLOGY NOR
Italy TELESPAZIO TPZ 
Italy UNIVERSITY OF ROME UOR
UK UNIVERSITY OF SURREY SRU 
Belgium SPACEBEL SBI
Greece SPACE HELLAS SPH 
Table 1-1 Project Partners 
 2 
1.1.1 Motivation of this project 
ATM technology is expected to provide quality of service-based networks that support 
voice, video and data applications. ATM was originally designed for fiber base 
terrestrial networks that exhibit low latencies and low error rates. With the widespread 
availability of multimedia technology, and an increasing demand for electronic 
connectivity across the world, satellite networks will play an indispensable role in the 
deployment of global networks. Ka-band satellites using the gig hertz 
Frequency spectrum can reach user terminals across most of the populated world. As a 
result, ATM based satellite networks can be effectively used to provide real time as 
well as non-real time communications services to remote areas. 
Satellite communications technology offers a number of advantages over traditional 
terrestrial point-to-point networks [AKY97]. These include: 
 
1. Wide geographic coverage including interconnection of “ATM islands”, 
2. Multipoint to multipoint communications facilitated by the inherent broadcasting 
ability of satellites, 
3. Bandwidth on demand, or Demand Assignment Multiple Access (DAMA) 
capabilities, and 
4. An alternative to fiber optic networks for disaster recovery options. 
 
However, satellite systems have several inherent constraints. The resources of the 
satellite communication network, especially the satellite and the earth station are 
expensive and typically have low redundancy. These must be robust and be used 
efficiently. Also, satellite systems use a Time Division Multiplexed (TDM) physical 
layer, where individual earth stations can transmit frames during fixed time slots. The 
cell based ATM layer must be mapped onto the frame based satellite layer. This 
Involves the use of efficient bandwidth allocation strategies for Demand Assignment 
Multiple Access (DAMA) based media access techniques. 
 
 
 3 
 Most of these proposed systems and the associated filings for spectrum allocation are 
led by US organizations and there are only a few European initiatives in addition. So it 
is seen as particularly important for Europe to avoid the total domination of the US in 
the technology of satellite broadband services. 
These systems are, at this stage, more or less proposing the development of the pipe 
work of a future communications system. The services that they can deliver can be 
quite diverse. It is important to explore how such a satellite service can be seen as part 
of an overall communications system.  
Many of the proposed satellite multimedia systems will use recent developments in 
digital processing onboard the satellites to achieve what, by current standards, is an 
extremely high traffic capacity. For example for a single geostationary satellite, a 
traffic capacity in the range of 5 - 20 Gbps can be accommodated. This translates into 
very affordable user charges by any current standard and the systems offer a wide 
range of potential applications. 
The use of digital processing in space is relatively new, when judged by the number of 
such payloads in operation, but it is developing fast. In Europe research in this area has 
so far concentrated on the payload technology, which has now advanced to the stage 
where overall system issues become of great importance. The development of a 
breadboard payload, including an onboard switch, and its use in an end-to-end system 
demonstration is the next step towards an operational system. It is at this stage that an 
ACTS project is particularly appropriate: it helps the demonstration of the technology 
developments that have been made at system level and also provides an opportunity to 
work towards a standard for ATM over satellite.  The demonstration of the satellite 
payload technology is a vital part of the process of realizing such systems since it 
significantly increases confidence; an important factor in systems with high entry 
costs. A demonstration also helps the early identification of possible design weak 
points especially in the interfaces with the terrestrial networks. In addition the co-
operation between satellite manufacturer, terminal manufacturer, network provider and 
operators is very valuable at this stage and the WISDOM project has been organized 
so as to maximize the benefits of working together. 
 
 4 
 
1.1.2 Principal WISDOM objectives 
The principal objectives of the WISDOM project are as follows: 
 
• To develop, from a specified baseline, a system design for a satellite multimedia 
system that is integrated into the terrestrial ATM networks. 
• To design, build and use in trials an end-to-end system demonstrator that includes 
a breadboard on-board (satellite) ATM switch. 
• To demonstrate that the system design is satisfactory and so increase confidence 
towards implementation. 
• To demonstrate the payload technology, the algorithms used in its design and the 
payload processor management algorithms. 
• To make a contribution to the standardization process. 
 
The WISDOM project will build on existing design ideas now at the research and 
development stage and show that the satellite payload technology functions correctly 
when integrated with the rest of the system. 
 
1.1.3 Starting point 
The WISDOM project concerns the design and demonstration of a satellite multimedia 
communications system. Complete system design and demonstration for such a 
complex system lies well beyond the resources and timeframe of the project. To 
reduce the scale of the system design task, the WISDOM project limited itself to the 
refinement and elaboration of an existing system design based on the WEST system. 
The WEST system is a satellite multimedia communications project sponsored by 
Matra Marconi Space, coordinator of the WISDOM project. The WEST system is 
ATM-based with actual on-satellite ATM switching between high-gain antenna spot 
beams and inter-satellite links. The architecture places the User Network Interface 
(UNI) at the user terminal, a feature that distinguishes the architecture from many 
other proposed system designs.  
 5 
1.1.4 WISDOM peculiarities 
• A system concept based on Geostationary satellites complemented in a second 
phase by a Medium Earth Orbit satellite constellation 
• Ka- band 
• Switch on board 
• ATM-based architecture 
1.1.4.1 Satellites constellation 
The tree or four Geostationary satellites will be used to cover the early and most 
demanding areas (Europe, North America, Asia), while a dozen of MEO orbiting 
satellites will provide in a second phase a global coverage and additional services. 
 
The WISDOM project will deal only about geostationary satellites. 
 
 The GEO satellites are always big ones and so are capable of supporting more 
capabilities. Their drawback in respect to MEO and LEO (Low Earth Orbit) satellites 
are the higher launch costs and the greater round-trip delays and Bit Error Rate. On the 
other site their advantages are a longer life (very important in the case of so expensive 
devices), larger coverage (about 42.2% of the earth' s surface), constant view (which 
avoid the problems related to continuous handover between different satellites) and no 
problems due to Doppler. These characteristics make GEO satellites more suitable 
than others to support switching capabilities and broadband and multimedia services. 
 
1.1.4.2 Ka- band 
The Ka-band available for satellites is between 17.7 GHz and 21.2 GHz and 27.5 
GHz and 31 GHz. These frequencies are much higher than have hitherto been 
generally used by commercial satellites. Satellites used for television use spectrum 
located between 10 and 14 GHz, for example. 
The advantage of using Ka-band is that there is plenty of spectrum available (2.5-3.5 
GHz, compared with around 1 GHz normally available for a Ku-band satellite). These 
very high-frequency transmissions mean very small wavelengths and very-small-
 6 
diameter-receiving antennas. The Ka band has more capacity than Ku, even if is more 
rain-attenuated. The Ka-band spectrum is also virtually unused, so there is room to 
accommodate frequency hungry two-way services. The use of multiple spot beams on 
Ka-band satellites will also ensure that this spectrum is used efficiently. 
Ka-band satellites are in practice telecommunications rather than broadcasting 
satellites, providing a combination of both broadband and narrowband services to 
small earth stations, typically expected to be around 66 cm in diameter. 
1.1.4.3 Switch on board 
Till now most satellites has been Fully Meshed, that is without any switching 
functionality on board or Star Meshed, that is the switching functionality has been 
given to an earth station. Now thanks to the new technologies a new generation of 
satellites has risen. 
These satellites offer fundamentally different services from conventional 
communications satellites. Each satellite will carry what is, in effect, a form of 
telephone "switchboard-in-the-sky". This will allow the satellite to operate like a 
telephone network - offering point-to-point circuits to both business and individual 
users at a cost far lower than available via satellite today. 
However, unlike a normal telephone network, such satellites will be able to offer all 
end users a wide variety of services from simple narrowband through to broadband 
applications. 
They offer the prospect of a truly modern, ubiquitous and global alternative to the 
world's telephone infrastructure but at a fraction of the cost of upgrading the latter to 
provide a comparable variety of services. They will offer the best of 21st Century 
communications services to underdeveloped regions of the world. 
 
These satellites use a number of new technologies such as on-board processing and 
switching (making them, in effect, telephone switchboards in the sky), inter-satellite 
links and multiple spot beams. 
The inter-satellite links will allow a user to connect with anywhere and everywhere in 
the world with a single direct satellite link. At the moment this usually requires that 
the single be retransmitted via many satellites. 
 7 
Each satellite will carry many spot beams each covering small area of the world. This 
makes them very efficient in using spectrum. 
Currently telecom traffic on satellites involves the use of full time leases of bandwidth. 
In these environment bandwidth, and bit rates, will be available on demand, thus 
considerably reducing costs for most end users. 
These satellites represent the satellite industry's contribution to the convergence of 
telecommunications, computing and broadcasting technologies. 
1.1.4.4 ATM-based 
In ATM networks, the information is transmitted using short fixed-length cells, which 
reduces the delay variance, making it suitable for integrated traffic consisting of voice, 
video and data 
By proper traffic management, ATM can also ensure efficient operation to meet 
different quality of service (QoS) desired by different types of traffic.  
 
1.2 SYSTEM DESCRIPTION 
"The mission of the WISDOM System is to provide fixed users with a wide range of 
broadband multimedia services. In addition, the WISDOM System will have to follow 
the evolution and the growth of the worldwide multimedia market. 
Based on these considerations, the WISDOM System corresponds to a Hybrid concept 
of Geostationary and Medium Earth Orbit satellites, which will be deployed in phases 
in order to meet the market needs and growth. 
The Geostationary component of WISDOM will offer a wide range of services, mainly 
to SOHO business users segments over European, North American and Developed 
Asian Regions from 2001. 
The Medium Earth Orbit component of WISDOM will allow extending the coverage 
and the range of services of the initial system. It will address new services and new 
markets such as remote communities network access, higher return link data rates 
professionals, residential users with highly interactive applications requirements, and 
will serve new regions such as Australia, Central and South America. 
 8 
WISDOM participates in a Global Telecommunications Infrastructure, which 
encompasses both traditional "narrow-band" networks (PSTN, N-ISDN, FR, etc.) and 
broadband networks (mainly B-ISDN networks, which rely on the ATM technology). 
 
WISDOM
B-ISDN 1
TN3
B-ISDN2
TN4
B-ISDN 3
Global Telecommunications Operators
B-ISDN : Broadbadnd ISDN network, using the ATM protocol
TN : Terrestrial Networks, eg PSTN, Frame Relay Network, Internet, narrowband ISDN ...
users
users
users
users
users
users
users
users
users
users
 
Figure 1-1: WISDOM integration in the global telecommunications 
infrastructure.  
 
WISDOM can provide specific communities of interest with a wide range of services, 
either internally (within the community) or with other communities, even if they do 
not have a direct access to WISDOM. Based on the standard ATM technology, 
WISDOM interfaces with many terrestrial networks in a seamless manner, thus 
offering its users a worldwide access to multimedia services. 
Using state-of-the-art satellite technology, WISDOM combines the well-known 
advantages of satellites (inherent multicast / broadcast capabilities, fast and easy 
access to rural areas, mobility...) with modern networking techniques enabling 
advanced multimedia services. 
There are two types of entities that can access the WISDOM system: 
• On the one hand, the WISDOM subscribers (e.g. remote communities, LANs, 
multimedia servers, individual subscribers, SMEs...), via Satellite Terminals (ST) 
• On the other hand, the terrestrial networks, via Gateways (GW)