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Theses Year : 2008

Cross-Layer Optimization Techniques for Satellite Communications Networks

Codage multi-couches pour systèmes de communication par satellites

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Abstract

Current satellite architectures for delivering interactive IP services and broadband connectivity are based on the layered principles of the OSI reference model. There is no denying that the traditional research approach focusing on layer-specific problems faced by satellite architectures within the well-defined bounds of the layered model has been rather fruitful. Wireless-friendly adaptations of major protocols exist today, and state-of-the-art coding and modulation techniques have taken physical layers close to their theoretical performance limits. However, a number of critical issues such as end-to-end fulfillment of service-level agreements, seamless mobility or scalable support for reliable multicast have not yet found optimal solutions by means of independent layer tuning, due to the unique characteristics of satellite links. The modular approach blurs the dynamics of layers interaction with the wireless medium, hindering the overall system performance with redundancy, inefficient resource handling and suboptimal performances. Recent research has thus started to address these problems in a holistic way, by stressing the potential benefits of authorizing information exchanges across layers beyond the scope of the reference model. Multi-layers feedback and the resulting system adaptivity offer multiple possibilities for attuning the protocol stack as a whole, allowing for overall optimization and better integration of satellite links in the increasingly heterogeneous network environment. Cross-layer design has emerged as a promising research area in the satellite and wireless communications fields, characterized by a multi-disciplinary approach involving information theory, network protocol design, optimization techniques, stochastic modeling and advanced signal processing. Since recent cross-layer proposals have started tackling successfully some complex problems that layered architectures do not address properly, next-generation standards and protocols are starting to integrate cross-layer principles de facto. This thesis addresses the error control problem for satellite links from the perspective of cross-layer design. At the crossroads of QoS-related constraints, devices complexity and efficient spectrum use, error control is indeed a key aspect of wireless communications - particularly crucial in the satellite context - where cross-layer enhancements can play an important role. After a thorough introduction to cross-layer design, the first part of this work focuses specifically on the error control strategy of early DVB satellites, where redundancies between the channel decoder and the adaptation layers are set to light in order to propose a joint bandwidth-efficient error control policy. The focus then moves to second-generation DVB satellites and the definition of the novel, IP-centric and cross-layer friendly GSE encapsulation protocol, where results from the aforementioned study were successfully applied. Finally, a whole new cross-layer framework called HERACLES is introduced, offering efficient and overhead-free error correction capabilities for almost any layer of a protocol stack and being patented at the moment of writing these words. The results of the overall work show the strengths of an integrated approach to error control, and open the way for innovative cross-layer mechanisms to be deployed in next-generation communications networks.
Les architectures satellitaires actuelles pour distribution de services interactifs IP et la connectivité large bande sont basées sur les principes en couches du modèle de référence OSI. Il ne fait aucun doute que l'approche classique basée sur la résolution de problèmes spécifiques à chaque couche dans le cadre du modèle de référence a été très fructueuse jusqu'à aujourd'hui. De nombreux protocoles ont été adaptés aux environnements satellite, et les couches physiques actuelles opèrent près de leurs limites théoriques de performance grâce à l'état très avancé des techniques de modulation et de codage. Cependant, les caractéristiques uniques des transmissions par satellite font que de nombreux et importants problèmes tels que la transparence de la mobilité, le respect des niveaux de services négociés ou la fiabilisation à grande échelle des communications point à multipoint n'ont pas encore trouvé de solutions satisfaisantes dans le cadre de l'approche traditionnelle en couches. L'approche modulaire n'appréhende que moyennement les interactions complexes qui existent entre les couches ainsi que celles avec le médium sans fil, et de ce fait le design actuel fait apparaître des redondances et inefficacités affectant les performances globales. De nombreux chercheurs ont donc commencé à aborder ces différents problèmes de manière holistique, en mettant l'accent sur les avantages potentiels d'une collaboration entre couches au-delà du modèle de référence. La flexibilité résultant d'échanges accrus entre les différentes couches offre en effet de riches possibilités d'optimisation globales, favorisant une meilleure intégration des satellites dans un environnement réseau de plus en plus hétérogène. Cette "optimisation multi-couches" apparaît aujourd'hui comme un domaine de recherche très prometteur pour les communications satellitaires et sans fil en général. Elle se caractérise par une approche pluridisciplinaire mêlant différents aspects de la théorie de l'information, du design de protocoles réseau et du traitement du signal avancé. Force est de constater que de nombreuses techniques multi-couches récemment proposées ont commencé à traiter avec succès quelques uns des problèmes énumérés auparavant, ce qui explique que nombreux protocoles, standards et systèmes de nouvelle génération ont déjà commencé à intégrer ces principes de facto. Cette thèse aborde les problèmes liés à la fiabilité des transmissions satellitaires depuis la perspective de l'optimisation multi-couches. S'agissant d'un aspect crucial des communications satellitaires ayant des implications à presque tous les niveaux de la communication - tels que la qualité de service, la complexité des terminaux ou l'utilisation du spectre - le contrôle des erreurs est sans doute l'une des thématiques satellite où les techniques multi-couche peuvent jouer un rôle important. Après une introduction dédiée aux techniques multi couche en général, la première partie de ce travail s'intéresse à la stratégie de contrôle des erreurs des satellites DVB de première génération, où sont identifiées des redondances liées à une gestion inefficace du problème par le décodeur canal et les couches d'adaptation. Une solution basée sur une approche multi-couche réduisant ces inefficacités et améliorant l'utilisation des ressources est alors proposée. Dans un deuxième temps, nous nous consacrons au standard satellite DVB de nouvelle génération et à la définition de GSE, sa nouvelle couche d'adaptation pour IP. Nous montrons comment GSE intègre de nombreux concepts multi-couches, parmi lesquels ceux liés à une gestion des erreurs basée sur les considérations de la première partie de ce travail. La troisième et dernière partie de ce travail présente HERACLES. Ce nouveau mécanisme multi-couches permet d'apporter des capacités accrues de correction d'erreurs et de synchronisation paquets à tout système de communication par paquets sans consommation supplémentaire de bande. HERACLES a été entièrement développé dans le cadre de cette thèse et a fait l'objet de deux brevets récents. Les résultats globaux de ce travail montrent les possibilités offertes par l'approche multi-couches au problème du contrôle des erreurs, et ouvrent d'excellentes perspectives de déploiement dans les réseaux futurs.

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Dates and versions

pastel-00005209 , version 1 (22-06-2009)

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  • HAL Id : pastel-00005209 , version 1

Cite

Juan Cantillo. Cross-Layer Optimization Techniques for Satellite Communications Networks. domain_other. Télécom ParisTech, 2008. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨pastel-00005209⟩
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