Bridge Wireless-SpaceWire de debit ridicat pentru transmisii intra-satelitare (High-Throughput Wireless SpaceWire Bridge for Intra-Satellite Communications)

ACASĂ

Informații generale despre proiect

Tipul proiectului: Proiect experimental – demonstrativ - PED
Titlul proiectului: Bridge Wireless-SpaceWire de debit ridicat pentru transmisii intra-satelitare
Acronim proiect: HiSAT
Contract nr: 424PED
Cod proiect: PN-III-P2-2.1-PED-2019-3427
Perioada de desfășurare: –

ABSTRACT

Abstract [RO]:

Numeroasele acțiuni demarate de agențiile spațiale arată că există o nevoie reală de înlocuire a legăturilor cablate din interiorul unui satelit cu unele wireless. În acest context, obiectivul proiectului HiSAT este de a implementa un bridge Wireless-SpaceWire (SpW) de debit ridicat pentru comunicații intra-satelitare care să înlocuiască legăturile cablate SpW la bordul satelitului. Astfel, HiSAT urmărește să: (1) definească setul de cerințe pe care trebuie să le îndeplinească legătura wireless de debit ridicat; (2) proiecteze o arhitectură de sistem cu o interfață SpW și una MIMO RF IEEE802.11ac; (3) implementeze cele două componente principale ale bridge-ului Wireless-SpaceWire de debit ridicat (convertoarele SpW-to-PCIe și PCIe-to-Wireless) pentru gestionarea și conversia corectă a datelor; (4) integreze convertoarele SpW-to-PCIe și PCIe-to-Wireless implementate la nivelul bridge-ului Wireless-SpaceWire de debit ridicat; (5) realizeze teste și măsurători experimentale și (6) demonstreze fiabilitatea soluției pe o platformă de laborator. La implementarea proiectului se va utiliza o infrastructura de cercetare de ultimă generație. Produsele STAR-Dundee SpaceWire vor emula instrumente reale de bord și vor construi legăturile și interfețele SpW. Plăcile FPGA Xilinx ZCU102 vor fi utilizate pentru implementarea stivei de comunicație HW/SW a convertorului SpW-to-PCIe. Convertorul PCIe-to-Wireless va fi implementat pe o platformă completă HW/SW NI, oferind interfața MIMO RF IEEE802.11ac. În etapa de testare și validare se va folosi instrumentație Rohde&Schwarz. Proiectul HiSAT va începe la TRL2 având conceptul de bază clar definit. Testarea funcțională și validarea componentelor implementate vor crește maturitatea soluției la TRL3. Testele de laborator cap-la-cap vor demonstra că ansamblul componentelor funcționează corect ca sistem, dovedind că bridge-ul Wireless-SpaceWire de debit ridicat implementat poate înlocui o legătură SpW intra-satelitară, atingând TRL 4.

Abstract [EN]:

The numerous actions started by space agencies show that there is a real need for replacing wired links inside a spacecraft with wireless ones. In this context, the scope of the HiSAT project is to implement a High-Throughput Wireless SpaceWire (SpW) Bridge for intra-spacecraft communications in order to replace on-board wired SpW connections. As such, HiSAT aims to: (1) define the set of requirements to be met by the high-throughput wireless link; (2) design a system architecture with a SpW interface and IEEE802.11ac MIMO RF front-end; (3) implement the two main components of the High-Throughput Wireless SpaceWire Bridge, namely the SpW-to-PCIe and PCIe-to-Wireless Converters, for proper data handling and conversion; (4) integrate the implemented SpW-to-PCIe and PCIe-to-Wireless converters into the High-Throughput Wireless SpaceWire Bridge; (5) perform experimental tests and measurements, and (6) demonstrate the reliability of the High-Throughput Wireless SpaceWire Bridge solution in a laboratory platform. High-end research infrastructure will be used in the project implementation. STAR-Dundee SpaceWire products will emulate real spacecraft instrumentation and build-up the SpW links and interfaces. Xilinx ZCU102 FPGA Boards will be used for the implementation of the HW/SW communication stack of the SpW-to-PCIe Converter. The PCIe-to-Wireless Converter will be implemented on a comprehensive NI HW/SW platform, providing the IEEE802.11ac MIMO RF front-end. The testing and validation phase will employ Rohde & Schwarz Instrumentation. HiSAT project will start at TRL2 with the basic concept clearly defined. Functional testing and validation of the implemented components will increase the maturity of the solution to TRL3. End-to-end laboratory tests will demonstrate that the assembly of individual components works properly as a system, proving that the implemented High-Throughput Wireless SpaceWire Bridge can replace an intra-spacecraft SpW link, reaching TRL 4.

OBIECTIVE

Obiectivul proiectului [RO]:

Obiectivul proiectului HiSAT este de a implementa un bridge Wireless-SpaceWire (SpW) de debit ridicat pentru comunicații intra-satelitare care să înlocuiască legăturile cablate SpW la bordul satelitului.

Obiectivul proiectului [EN]:

The objective of the HiSAT project is to implement a High-Throughput Wireless SpaceWire Bridge for intra-spacecraft communications in order to replace on-board SpW connections.

MEMBRII ECHIPEI - Universitatea Tehnica din Cluj-Napoca

REZULTATE

Rezultatele estimate [RO]:

Rezultatele estimate în proiectul HiSAT sunt urmatoarele:

  1. Definirea setului de cerințe pe care trebuie să le îndeplinească legătura wireless de debit ridicat.
  2. Proiectarea unei arhitecturi de sistem cu o interfață SpW și una MIMO RF IEEE802.11ac.
  3. Implementarea celor două componente principale ale bridge-ului Wireless-SpaceWire de debit ridicat (convertoarele SpW-to-PCIe și PCIe-to-Wireless) pentru gestionarea și conversia corectă a datelor.
  4. Integrarea convertoarelor SpW-to-PCIe și PCIe-to-Wireless implementate la nivelul bridge-ului Wireless-SpaceWire de debit ridicat.
  5. Realizarea testelor și măsurătorilor experimentale.
  6. Demonstrarea fiabilității soluției pe o platformă de laborator.

Rezultatele estimate [EN]:

The HiSAT project estimated results are:

  1. To define the set of requirements to be met by the high-throughput wireless link.
  2. To design a system architecture with a SpW interface and IEEE802.11ac MIMO RF front-end.
  3. To implement the two main components of the High-Throughput Wireless SpaceWire Bridge, namely the SpW-to-PCIe and PCIe-to-Wireless Converters, for proper data handling and conversion.
  4. To integrate the implemented SpW-to-PCIe and PCIe-to-Wireless converters into the High-Throughput Wireless SpaceWire Bridge.
  5. To perform experimental tests and measurements.
  6. To demonstrate the reliability of the High-Throughput Wireless SpaceWire Bridge solution in a laboratory platform.

RAPOARTE

Raportare: Etapa 1 (2020) | Perioada de raportare: –

Denumirea etapei:

Rezultatele etapei 1 (2020):

  1. Realizarea paginii web a proiectului HiSAT.
  2. Elaborarea livrabilului D1-Cerințele sistemului.
  3. Raportarea tehnico-financiară (TFR-2020) a activităților proiectului HiSAT pentru etapa 1.

Raportare: Etapa 2 (2021) | Perioada de raportare: –

Denumirea etapei:

Rezultatele etapei a 2-a (2021):

  1. Elaborarea livrabilului D2-Convertorul SpW-la-PCIe.
  2. Elaborarea livrabilului D3-Convertorul PCIe-la-radio.
  3. Realizarea și participarea cu o lucrare la o conferință științifică (prima lucrare de conferință).
  4. Realizarea și transmiterea spre publicare a rezultatelor cercetării la un jurnal ISI (prima lucrare de jurnal ISI).
  5. Actualizarea paginii web a proiectului HiSAT cu rezultatele obținute în etapa a 2-a.
  6. Raportarea tehnico-financiară (TFR-2021) a activităților proiectului HiSAT pentru etapa a 2-a.

Raportare: Etapa 3 (2022) | Perioada de raportare: –

Denumirea etapei:

Rezultatele etapei a 3-a (2022):

  1. Elaborarea livrabilului D4-Raport de test și măsurători.
  2. Realizarea și participarea cu o lucrare la o conferință științifică (a 2-a lucrare de conferință).
  3. Realizarea și transmiterea spre publicare a rezultatelor cercetării la un jurnal ISI (a 2-a lucrare de jurnal ISI).
  4. Scrierea unei cereri de brevet pentru stiva de comunicație HW/SW SpW-la-PCIe.
  5. Actualizarea paginii web a proiectului HiSAT cu rezultatele obținute în etapa a 3-a.
  6. Raportarea tehnico-financiară (TFR-2022) a activităților proiectului HiSAT pentru etapa a 3-a.

DISEMINAREA REZULTATELOR

Lucrări științifice publicate

Au fost publicate/transmise spre publicare articole cu Acknowledgement la proiectul HiSAT (This work was supported by a grant of the Romanian Ministry of Education and Research, CCCDI - UEFISCDI, project number PN-III-P2-2.1-PED-2019-3427, within PNCDI III):

  • Lucrări științifice publicate în reviste (indexate ISI Journals): 2 lucrări
    1. Padrah, Z.; Pastrav, A.; Palade, T.; Ratiu, O.; Puschita, E. Development and Validation of an ISA100.11a Simulation Model for Accurate Industrial WSN Planning and Deployment. Sensors 2021, 21, 3600. Online: https://doi.org/10.3390/s21113600, WOS:000660682900001.
    2. Minteuan, G.; Palade, T.; Puschita, E.; Dolea, P.; Pastrav, A. Monopulse Secondary Surveillance Radar Coverage—Determinant Factors. Sensors 2021, 21, 4198. Online: https://doi.org/10.3390/s21124198, WOS:000666787600001.
  • Lucrări științifice transmise spre evaluare la reviste (cu indexare ISI Journals): 1 lucrare
    1. Puschita, E., Buta, R., Kirei, B.S., Codau, C., Palade, T., Dolea, P., Pastrav, A., High-Throughput Wireless-SpaceWire Bridge for Intra-Satellite Transmissions, IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2022 (in evaluare).
  • Lucrări științifice publicate la conferințe (indexate ISI Proceedings): 4 lucrări
    1. R. Buta, C. Codau, A. Pastrav, T. Palade, P. Dolea and E. Puschita, "Performance evaluation of sub-band MVDR beamforming for IEEE 802.11ac wideband signals," 2020 International Symposium on Electronics and Telecommunications (ISETC), 2020, pp. 1-4, doi: 10.1109/ISETC50328.2020.9301125. Online: https://doi.org/10.1109/ISETC50328.2020.9301125, WOS:000612681000087.
    2. Buta, RC., Kirei, BS, Codau, C, Pastrav, A., Farcas, C., Simedroni, R., Dolea, P., Palade, T., Puschita, E., "Design and Validation of a SpW Converter for Intra-Spacecraft Communications," 2021 44th International Conference on Telecommunications and Signal Processing (TSP), 2021, pp. 381-385, doi: 10.1109/TSP52935.2021.9522627, Online: https://doi.org/10.1109/TSP52935.2021.9522627, WOS:000701604600081.
    3. Codau, C., Buta, RC., Kirei, BS., Pastrav, A., Simedroni, R., Dolea, P., Palade, T., Hedesiu, H., Puschita, E., "Design and Validation of a Wireless Bridge for Intra-Spacecraft Communications," 2021 44th International Conference on Telecommunications and Signal Processing (TSP), 2021, pp. 386-389, doi: 10.1109/TSP52935.2021.9522609, Online: https://doi.org/10.1109/TSP52935.2021.9522609, WOS:000701604600082.
    4. Simedroni, R., Pastrav, A., Puschita, E., Dolea, P., Codau, C., Buta, R., Palade, T., "Preparation of the Alphasat Q-band Propagation Campaign in Cluj-Napoca," 2021 44th International Conference on Telecommunications and Signal Processing (TSP), 2021, pp. 377-380, doi: 10.1109/TSP52935.2021.9522681, Online: https://doi.org/10.1109/TSP52935.2021.9522681, WOS:000701604600080.
  • Lucrări științifice publicate la conferințe (in curs de indexare ISI Proceedings): 1 lucrare
    1. Simedroni, R., Palade, T, Puschita, E., Dolea, P., Buta, R., Pastrav, A., Short-term Q-band Characteristics and Meteorological Data Statistical Analysis, 2022 International Workshop on Antenna Technology (iWAT2022), iWAT Dublin, Irleand, 16–18 May 2022.
  • Lucrări științifice publicate la conferințe (neindexate): 3 lucrări
    1. Buta, RC., Kirei, BS., Codau, C., Pastrav, A., Farcas, C., Simedroni, R., Dolea, P., Palade, T., Puschita, E., Design and Validation of a SpaceWire-to-Wireless Converter for IntraSpacecraft Communications, First Workshop for ERI on Telecommunication and Networks, Virtual Workshop (Cluj-Napoca), 14-15 March 2022.
    2. Buta, RC., Kirei, BS., Codau, C., Pastrav, A., Farcas, C., Simedroni, R., Dolea, P., Palade, T., Puschita, E., Design and Validation of a SpW-to-PCIe Converter for Intra-Spacecraft Communications, First EUt+ Data Science Workshop, Virtual Workshop (Troyes), 17 January 2022.
    3. Puschita, E., Buta, R., Kirei, B.S., Codau, C., Palade, T., Dolea, P., Simedroni, R., Pastrav, A., High-Throughput Wireless-SpaceWire Bridge for Intra-Satellite Transmissions, Space and Security for Eastern Europe Romania - 10 years in the European Space Agency Conference and Exhibition, Palace of Parliament, Human Rights Hall, Bucharest, Romania, 16-19 May 2022.

Activități de diseminare în cadrul proiectului

  1. Masa rotundă Tendinte in invatamantul superior si cercetarea stiintifica din domeniul Comunicatii, Tehnologia Informatiei si Aparare Cibernetica, Academia Forțelor Terestre "Nicolae Balcescu" din Sibiu, 07 mai 2021. Online: https://www.armyacademy.ro/ctiac_cercetare.php.
    Au fost prezentate următoarele lucrări cu prezentarea rezultatelor obținute în cadrul proiectului HiSAT:
    • Wireless Solutions for Intra-Spacecraft Data Transfer and Localisation, doctorand Rares-Calin Buta, doctorand Cristian Codau, Botond Sandor Kirei, Andra Pastrav, doctorand Raluca Simedroni, Paul Dolea, Tudor Palade, Emanuel Puschita (Universitatea Tehnica din Cluj-Napoca).
    • Wireless Transmission Techniques for Intra-satellite Communications, doctorand Cristian Codau, doctorand Rares Buta, Andra Pastrav, Horia Hedesiu, Tudor Palade, doctorand Raluca Simedroni, Paul Dolea, Emanuel Puschita.
    • Preparation of a Q/V-band Propagation Campaign in Cluj-Napoca - A Brief Overview of the Alphasat Experiment, doctorand Raluca Simedroni, Andra Pastrav, Emanuel Puschita, Paul Dolea, doctorand Cristian Codau, doctorand Rares Buta, Tudor Palade (Universitatea Tehnica din Cluj-Napoca).
  2. Conferința cercetării UTC-N „2021 Research Conference of Technical University of Cluj-Napoca”, October 20-22, 2021. Online: https://research.utcluj.ro/index.php/conferinta-cercetarii-in-utcn-2021.html.
    În secțiunea Spatial Applications a fost prezentate următoarea lucrare cu prezentarea rezultatelor obținute în cadrul proiectului HiSAT:
  3. Școala de vară „Third Romanian Summer School of Antennas, Propagation, and RFID Applications”, Technical University of Cluj-Napoca, September 21 – 23, 2021. Online: https://r8.ieee.org/romania-apcrfid/2021/08/06/third-romanian-summer-school-of-antennas-propagation-and-rfid-applications-cluj-napoca-september-21-23-2021/.
    A fost prezentată lucrarea:
    • Center of intra-satellite wireless communication technologies (IntraSAT-Tech) - radio communications group at the Technical University of Cluj-Napoca: research topics and results, Prof. Tudor PALADE, Prof. Emanuel PUSCHITA, Technical University of Cluj-Napoca, cu prezentarea rezultatelor obținute în cadrul proiectului HiSAT. Online: https://events.vtools.ieee.org/m/279037.
  4. Participare cu demonstrația „Bridge Wireless-SpaceWire de debit ridicat pentru transmisii intra-satelitare (High-Throughput Wireless SpaceWire Bridge for intra-satellite communications)” la evenimentul „Space and Security for Eastern Europe 2022, Conference and Exhibition” organizat de Agenția Spațială Română (ROSA) în perioada 16-19 mai 2022, Palatul Parlamentului din Bucuresti. Online: https://www.rosa.ro/index.php/en/news-menu/evenimente/6382-event-space-and-security-for-eastern-europe-romania-10-years-in-the-european-space-agency.

Cerere de brevet

      Titlul complet al brevetului: Punte SpaceWire – IEEE 802.11 pentru comunicații cu debit ridicat pe bordul vehiculelor spațiale
      Tip brevet: Național
      Autoritatea emitenta: Oficiul de Stat pentru Invenții și Mărci (OSIM)
      Data depunere cerere: 19/04/2022
      Numar cerere brevet: A/00200
      Autorii: Puschita, E., Kirei, BS., Palade, T., Pastrav, A., Buta, R., Codau, C., Farcas

REZUMATUL PROIECTULUI

Prezentare succintă a rezultatelor proiectului HiSAT

Scopul proiectului HiSAT a fost acela de a implementa un bridge Wireless-SpaceWire (SpW) de debit ridicat (brigde HiSAT) pentru comunicații intra-satelitare. Soluția a fost concepută pentru a înlocui legăturile cablate SpW de la bordul satelitului. Pentru a asigura transferul și conversia corectă a datelor, soluția HiSAT implementează două componente principale: (1) Convertorul SpW (SpW Converter, SpC) un convertor care transformă traficul SpW în date adecvate pentru o interfața externă PCIe (vezi Figura 1) și (2) Convertorul Radio (Wireless Converter, WiC), un convertor radio care asigură conexiunea radio și asigură traficul wireless de debit ridicat prin intermediul unui front-end RF cu mai multe antene (vezi Figura 2).

Figura 1. Convertorul SpaceWire_SpC

Figura 1. Convertorul SpaceWire_SpC

Figura 2. Convertorul Radio_WiC

Figura 2. Convertorul Radio_WiC

La implementarea HiSAT s-a utilizat o infrastructură de cercetare de ultimă generație. Produsele STAR-Dundee SpW au emulat instrumente reale de bordul satelitului și au asigurat legăturile și interfețele SpW. Plăcile FPGA Xilinx ZCU102 au fost utilizate la implementarea stivei de comunicație hardware/software (HW/SW) a convertorului SpC. Convertorul WiC a fost implementat pe o platformă completă HW/SW National Instruments (NI) bazată pe USRP Software Defined Radio (SDR), oferind interfața MIMO RF IEEE802.11ac. Testele de laborator cap-la-cap au fost efectuate pentru a evalua performanța soluției propuse în termeni de întârziere cap-la-cap, debit al transmisiei și rată de transmitere cu succes a pachetelor. Testarea funcțională și validarea componentelor implementate au indicat faptul că ansamblul funcționează corect ca sistem (vezi Figura 3), demonstrând faptul că bridge-ul HiSAT de debit ridicat poate înlocui cu succes o legătură SpW intra-satelitară, atingând TRL 4.

Figura 3. Bridge-ul HiSAT testat în interiorul machetei de satelit Sentinel-3

Figura 3. Bridge-ul HiSAT testat în interiorul machetei de satelit Sentinel-3

În concluzie, principalele contribuți aduse stadiului actual al cercetării sunt: (1) implementarea convertorului SpC pe o placă de dezvoltare FPGA pentru conversia pachetelor SpW-UDP/IP; (2) implementarea convertorului WiC folosind SDR-uri și front-end-uri multiantenă care oferă conversia pachete UDP/IP-la-Wireless și (3) implementarea punții HiSAT cap-la-cap care oferă rate de trasfer intra-satelit de până la 27Mbps validată într-un mediu înalt reflexiv, și anume macheta Sentinel-3.