Effettuato upgrade connettività di rete ISS/Ground a 600Mbps

Di recente la NASA ha annunciato di avere effettuato un importante upgrade tecnologico che consentirà di raddoppiare la velocità della connessione tra ISS e ground.

L’attuale velocità su cui si è attestata la connessione a valle degli upgrade, è di 600Mbps.

Questo upgrade sarà di fondamentale importanza per i futuri esperimenti e test tecnologici a bordo, e permetterà di scambiare con la terra una mole maggiore di dati, permettendo un migliore svolgimento dei test di quanto fosse possibile in precedenza.

Giusto per completezza di informazioni, la ISS comunica a terra utilizzando sengnali radio attraverso un sistema di satelliti di rilevamento e trasmissione dati chiamato TDRS (Tracking & Data Relay Satellite), coadiuvato a terra da un sistema di antenne chiamato Space Network.

Per effettuare questo upgrade, la NASA ha dovuto procedere all’aggiornamento di numerosi componenti di questo sistema di comunicazione per supportare l’aumento della velocità di connessione dati, inclusa una nuova architettura digitale a terra per la Space Newtork.

I tecnici di NASA hanno aggiornato i modem basati sui software della ISS, hanno effettuato upgrade sui processori per l’analisi dei dati in vari centri NASA e hanno ottimizzato router, interfacce di rete e altri componenti e software nelle stazioni di terra.
Anche gli impianti di rete e la banda delle dorsali terresti tra i vari componenti sono stati aggiornati.

George Morrow, il direttore ad interim del Goddard Space Flight Center della NASA, ha affermato che le reti di comunicazione della NASA svolgono un ruolo “fondamentale” in ogni missione della NASA, in quanto consentono ai dati della ISS e delle missioni spaziali, di raggiungere la Terra. Sottolinea inoltre che la velocità della rete potenziata a 600Mbps, dimostra l’impegno dell’agenzia a fornire servizi operativi di alta qualità per le missioni di esplorazione attuali e future.

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Ah, quindi finalmente hanno fatto l’upgrade dei TDRS, grazie per il link!

La parte molto interessante dal punto di vista tecnologico è questa:

Cioè sembrerebbe che i TDRS abbiano cominciato ad usare forme d’onda e modulazioni più moderne, che permettono di raddoppiare la banda.

@IK1ODO sai qualche dettaglio in più in proposito?

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No, ma provo a documentarmi.
Vorrei solo fare una precisazione sui “modem basati sui software” che è una cattiva traduzione di “software defined modem”. Con i moderni sistemi di elaborazione dei segnali, convertendo in digitale il segnale radio ed elaborandolo digitalmente, è possibile adattare una struttura HW ad un nuovo modo di comunicazione, solo lavorando su software e algoritmi di codifica/decodifica. Una volta, ai tempi delle radio analogiche, non era così: il sistema di modulazione era fissato nell’hardware del sistema.
Per questo si parla di “waveform” nel senso molto esteso di formato di modulazione (e codifica) del segnale. Dietro c’è un enorme lavoro di ricerca matematica, di teoria dei segnali e di tecnologia delle telecomunicazioni.

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Da quello che si legge in queste slide (credits: NASA) sembrerebbe che l’attuale generazione TDRS sia la terza, che rispetto alla precedente sembrerebbe introdurre un miglioramento nelle performance di acesso multiplo (rispetto al single access service) e un field of view piu’ ampio.
Lo Space Telecommunications Radio System mostra come esistano 3 testbed sulla ISS basati su software defined radios (SDR) per interfacciarsi appunto all’STRS.
Come riportato da @IK1ODO, essendo SDR e’ possibile aggiornare (entro certi limiti) il software in uso sulla radio al fine di adattarla a piu’ innovativi modi e standard di comunicazione. Non ho trovato un riferimento specifico relativamente a quali caratteristiche abbia il sistema TDRS che e’ stato aggiornato, ma in base a riferimenti precedenti azzarderei un miglioramento dei codici a correzione utilizzati, al fine di ridurre la ridondanza e aumentare la capacita’ disponibile.

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Certo, direi che non c’è altra possibilità… ma davvero un aggiornamento del genere può raddoppiare il data rate? C’è davvero così tanto margine di ottimizzazione?
(chiedo in quanto principante di teoria dei segnali)

In realta’ penso di no, a meno che la ridondanza iniziale non fosse davvero molto spinta.
Penso piuttosto che sia una combinazione di fattori, fra cui:

  1. L’utilizzo di una release piu’ recente dello standard trasmissivo TDRS.
  2. Utilizzo di schemi di modulazione a piu’ alta efficienza spettrale (maggiore bps/Hz). Anche questo e’ ottenibile via software su di una SDR, entro certi limiti.
  3. Utilizzo di codici a correzione d’errore piu’ efficienti e a rate piu’ alto (minore ridondanza).
  4. Utilizzo di piu’ canali in parallelo fra quelli offerti dal sistema TDRS.
  5. Utilizzo di altre tecniche (es: PEP, performance enhancing proxies).

In teoria tutte queste tecniche possono essere combinate per migliorare la capacita’ disponibile di un sistema, a patto che ognuno di questi parametri sia configurabile e ottimizzabile da entrambi i lati del sistema (ovvero lato client, in questo caso ISS, e lato provider, in questo caso TDRS + segmento di terra). Questo sembra essere possibile vista la flessibilita’ del sistema TDRS, anche lato provider.

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Forse (mia ipotesi, senza fatti a supporto) si sono accorti negli anni di aver sottostimato i margini di rapporto S/N, e quindi hanno visto che il canale poteva supportare un data rate più elevato, con opportuna codifica. Penso anche che un sistema del genere debba avere un data rate adattivo, con fallback a valori più bassi se per qualche motivo il rapporto s/n diminuisce, ad esempio per un disallineamento del puntamento delle antenne o per una interferenza.

Possono avere migliorato anche la compressione dei dati?

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Molto probabile. Con fattori contingenti (miglioramenti hardware nei satelliti TDRS) e’ possibile che il margine di rumore sia aumentato e abbiano potuto modificare la codifica a correzione d’errore adottata.

Possibile anche questo, anche se dipende molto dal tipo di servizio: per un servizio general purpose (e.g., trasferimento dati generici) e’ piu’ difficile comprimere in modo efficiente (al contrario di quanto avviene con immagini e audio, ad esempio), al costo di un maggiore ritardo nella comunicazione (accettabile solo per servizi non conversazionali o real time).

Da questa presentazione apprendiamo che per saperne di piu’ possiamo cercare info su esc.gsfc.nasa.gov/sn_data_rate_upgrade
Al momento non ho avuto tempo di scavare nei meandri per trovare info tecniche ma magari nel frattempo qualcuno puo’ iniziare a sbadilare :smiley:

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Avevo trovato anche io la stessa presentazione, purtroppo riporta solamente un generico:

  • Update space station data processors throughout NASA to enable 600 Mbps of data flow
  • Modify the onboard Ku-band modem’s modulation and forward error correction algorithms
  • Update the integrated communications unit software to process twice as much data (ingesting, recording and downlinking)

Stavo giusto cercando su Google Scholar se sono presenti paper o articoli che riportassero nel dettaglio le modulazioni usate. A questo link ho trovato solo la info relativamente alla modulazione usata (8-PSK) e al FEC che e’ un low density parity-check code (LDPC) con rate 7/8.
Continuo a cercare!

Non so se può essere utile (alcuni tecnicisimi e un pò di storia di astronautica mi sfuggono) ma in questo interessante documento che ho trovato sul sito di Nasa, vengono descritti i risultati delle dimostrazioni preliminari di collegamento ad alta velocità tra Space Network and Ground Network condotte nell’ambito del Ka-Band Transition Project (KaTP).

Durante la dimostrazione, il personale della NASA ha usato il nuovo servizio di Space Network KaSAR-Wideband IF, per simulare un collegamento in banda Ka da 600 Mbps attraverso il satellite TDRS-8, facente parte della seconda generazione di satelliti TDRS.

Non riesco a capire quanto sia datato questo documento ma forse può offrire degli spunti interessanti.

La data di creazione del file del documento nei metadati è 2004:07:08, quindi sembrerebbe del 2004.

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Dunque, da Developing Future Deep-Space Telecommunication Architectures: A Historical Look at the Benefits of Analog Research on the Development of Solar System Internetworking for Future Human Spaceflight (Seibert et al., 2019) ho ricavato i link a due interessanti documenti con vari dettagli tecnici aggiuntivi:

La presentazione del 2016 mi pare la piu’ “gustosa”…
20120015294.pdf (829,7 KB) 20160009326.pdf (2,5 MB)

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Ed ecco qui un (altro) articolo interessante (da Google Scholar, via Citeseer).

E’ un po’ datato (2012) per cui non e’ chiarissimo se gli sviluppi di cui gli autori parlano sono esattamente quelli che sono poi stati implementati. Tuttavia sembrano coerenti, anche come tempistiche di sviluppo e realizzazione (l’articolo parla di ricerca applicata, per cui e’ possibile che ci siano voluti alcuni anni per avere un sistema funzionante e autorizzato al volo).

In sintesi parlano di:

  • cambio di modulazione da QPSK a 8PSK
  • utilizzo di LDPC a rate 1/2 per canali power-constrained (che richiedono maggiore protezione contro gli errori) e LDPC a rate 7/8 per canali bandwidth-constrained, rispetto all’utilizzo di codici convoluzionali.
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No, questo è sicuramente escluso dal conto.
Semplicemente se la compressione migliora, si possono trasmettere più dati con la stessa banda, ma non aumenta la banda.

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