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dc.contributor.advisor 최지환 -
dc.contributor.author Jung, Seunghwa -
dc.date.accessioned 2020-08-06T06:16:41Z -
dc.date.available 2020-08-06T06:16:41Z -
dc.date.issued 2020 -
dc.identifier.uri http://dgist.dcollection.net/common/orgView/200000333404 en_US
dc.identifier.uri http://hdl.handle.net/20.500.11750/12174 -
dc.description SRAM, FPGA, Reliability, Markov model, Satellite communication, Multiple access protocol -
dc.description.abstract Satellite communication networks with on-board processing (OBP) satellites can provide high-speed da-ta transmission rates and global service coverage with reduced propagation delays. In addition, a use of soft-ware defined radio (SDR) in a small satellite can support flexible small satellite communications and offer flexible and adaptive communication protocols. OBP and SDR systems are implemented in static random-access memory (SRAM)-based field-programmable gate arrays (FPGAs) that are the most representative devices for reprogrammable platforms. However, the SRAM, a volatile memory, is very vulnerable to the space radiation environments and the most common damages are single event upsets (SEUs) that generate the OBP and SDR system malfunctions or system failures. In communication channels, high frequency carri-ers in the channel between satellites and terrestrial gateways are extremely susceptible to weather attenuation and other atmospheric turbulences, which induce unavoidably high bit error rates (BERs) in each communi-cation channel. Besides, with growing demands of wireless network service, bursty traffic in packet transmis-sions will increase, which lead high packet loss ratio (PLR). Such factors have degraded the reliability of satel-lite communications networks over time. This thesis suggests a prediction model for OBP and SDR system failure rates, and a means of analyzing the quantitative reliability of the satellite communication network systems.
The first subject presents an OBP system adopting Triple Modular Redundancy with the concept of mitigation windows and external scrubber, and then suggests a mathematical model that predicts the OBP system failure rate by only using the information of system configuration resources. Our mathematical deri-vation can estimate on-board processor system reliability as a function of the SEU rate, the number of miti-gation windows, and on-board processor shield thickness.
The second subject proposes a means of analyzing the quantitative reliability of the satellite communi-cation network systems. We identify the four major factors that affect the quality of network services: the OBP states, uplink channels, downlink channels, and uplink packet collision losses. Based on these four fac-tors, a Markov model is derived to analyze the probability distributions of various network states. Based on the developed model, a method is suggested for iteratively updating the reliability distribution of network sys-tems affected by changes in the four factors as well as network access time changes.
Finally, the third subject contains a derivation of a Markov model presenting reliability of the small satellite network with respect to SDR structures, transmitted signal powers on uplink/downlink channels, code rates, and packet collisions through an enhanced random access (RA) protocol. Our model provides the quantitative network reliability in terms of SDR structures with bad space radiation environments, signal-to-noise ratios (SNRs) on uplink and downlink channels, and PLRs through an enhanced RA protocol.
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dc.description.statementofresponsibility Y -
dc.description.tableofcontents Abstract i
List of contents ii
List of figures v
List of tables viii

1. Introduction 1
1.1 Motivation 1
1.2 Research Scope and Objectives 2
1.3 Overview of Thesis 3

2. Predicting System Failure Rates of SRAM-Based FPGA On-Board Processors in Space Radiation Environments 4
2.1 Introduction 4
2.2 Related Work 11
2.3 SEU Rate Prediction 15
2.4 Estimation of Accumulation Error Rate 21
2.4.1 SEU Mitigation and Correction Strategies 21
2.4.2 Accumulation Error Rate 22
2.4.3 Mitigation of Accumulation Error Rate 26
2.5 Estimation of OBP System Failure Rates 28
2.5.1 Advantages of Mathematical SEU Error Model 28
2.5.2 SEU Error Model in Combinatorial Logic 29
2.5.3 SEU Error Model in Routing Network 31
2.5.4 System Failure Rate due to SEU 32
2.6 Assessment of System Reliability by OBP Shield Thickness 34
2.7 Conclusions 42

3. End-To-End Reliability of Satellite Communication Network Systems 45
3.1 Introduction 45
3.2 Modeling of Major Factors for Network Reliability 54
3.2.1 OBP System Errors 54
3.2.2 Bit Error Rates in Uplink and Downlink Satellite Channels 56
3.2.3 Uplink Packet Collisions 56
3.3 Multi-State Markov Model of A Network System Reliability 59
3.3.1 Failure and Repair Rates 59
3.3.2 Markov Model 61
3.3.3 Derivation of State Probabilities 62
3.4 Analysis of The System Reliability with A Space Environment and Network Through-put 66
3.4.1 Network Reliability in Space Environments 66
3.4.2 Network Reliability and Throughput with ACRDA 68
3.5 Update of Reliability Functions 71
3.6 Conclusion 77
Appendix A 77
Appendix B 78

4. Reliability of Small Satellite Networks with Software-Defined Radio and Enhanced Mul-tiple Access Protocol 79
4.1 Introduction 79
4.2 SDR Reliability and Asynchronous Random Access Protocol 85
4.3 Modeling of Link Reliability 88
4.3.1 SDR Failure Rate and Repair Rate 89
4.3.2 Small Satellite Communication Links 91
4.3.3 Packet Loss Ratio Approximation 94
4.4 Modeling of Link Reliability 97
4.5 Analysis of Reliability with The Changes of Communication Parameters 99
4.6 Conclusion 103
Appendix 104

5. Conclusion Remarks 106
References 108
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dc.format.extent 131 -
dc.language eng -
dc.publisher DGIST -
dc.title Predicting Network Reliability for Satellite-Based Communication Systems -
dc.title.alternative 위성 기반 통신 시스템의 네트워크 신뢰성 예측 방법 -
dc.type Thesis -
dc.identifier.doi 10.22677/thesis.200000333404 -
dc.description.alternativeAbstract 온보드 프로세싱 위성으로 구현되는 위성 통신 네트워크는 위성에서의 신호처리 및 라우팅 역할이 가능해 짐으로써, 위성 네트워크는 전파 지연 축소와 고속 데이터 전달이 가능해 졌을 뿐 만 아니라 글로벌 서비스 커버리지 제공도 가능해 지게 되었다. 마찬가지로, 소형 위성과 소프트웨어 기반 무선 통신 기술은 통신 환경에 따른 유연한 프로토콜 적용이 가능하게 되어, 이를 바탕으로 새로운 패러다임의 우주 미션에 적용 및 활용이 활발히 진행되고 있다. 일반적으로 온보드 프로세서와 소프트웨어 기반 무선 통신 기술은 SRAM 기반 FPGA로 구현되며 이는 가장 대표적인 재프로그래밍이 가능한 디바이스이다. 위성 시스템에 사용되는 SRAM 기반 FPGA의 가장 큰 단점은 우주환경에 의한 SRAM 메모리에 저장된 정보의 반전 현상을 일으키는 싱글 이벤트 업셋 현상에 취약하다는 점이며, 이 현상은 위성 시스템의 오작동 혹은 운용 실패를 불러올 수 있다. 통신채널 입장에서는 위성 통신의 주파수 대역이 높을수록 채널 환경에 영향을 크게 받게 되어 신호의 비트 에러율이 증가하게 된다. 게다가 무선통신 네트워크 서비스 사용의 증가와 함께 패킷의 트래픽 또한 증가하게 되어 패킷의 충돌에 의한 패킷 손실율도 증가하게 된다. 이러한 요소들은 위성 네트워크의 신뢰성을 저하시키게 된다. 본 논문은 온보드 프로세싱과 소프트웨어 기반 무선 통신의 시스템 실패율을 예측하는 수학적 모델을 제시하고, 더 나아가 전체 위성 통신 네트워크 시스템의 신뢰성을 정량적으로 표현하여 통신시스템 설계의 가이드 라인을 제시할 수 있는 마르코브 모델을 처음으로 제안한다.
첫번째 주제에서 3중 모듈 중복 구조를 적용한 온보드 프로세싱 시스템 실패율을 계산하는 수학적 모델을 제안하며, 이 실패율이 온보드 프로세싱의 구조와 우주 환경, 위성 궤도에 따라 얼마나 변하는지를 정량적으로 표현하였다. 마찬가지로 이 결과를 이용하여 온보드 프로세싱 시스템의 신뢰성을 도출하였다.
두번째 주제는 위성 통신 네트워크 시스템의 정량적인 신뢰성을 분석하기 위한 방법론을 제안한다. 네트워크 서비스의 신뢰성에 영향을 미치는 주된 4가지 요인(OBP 상태, 업링크/다운링크 채널 상태, 패킷 충돌)을 확인하였고, 제안된 마르코브 모델을 통해 신뢰성 확률 분포를 유도 및 분석하였으며 매번 위성 접속시간의 변화와 4가지 요인의 변화에 따른 확률 분포 업데이트 기법을 제시하였다.
마지막 세번째 주제는 마르코브 모델을 이용하여 초소형 위성망의 신뢰할 수 있는 운용을 위한 정량적인 신뢰성을 표현하였고, 이 신뢰성의 변화를 SDR 구조, SNR, 코드 레이트의 변화에 따른 패턴을 분석하여 초소형 위성망 운용자가 원하는 신뢰성을 만족하기 위한 최소 통신 파라미터 값을 제시하기 위한 가이드 라인을 제시하였다.
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dc.description.degree Doctor -
dc.contributor.department Department of Information and Communication Engineering -
dc.contributor.coadvisor Lee, Sungjin -
dc.date.awarded 2020/08 -
dc.publisher.location Daegu -
dc.description.database dCollection -
dc.citation XT.IM정57P 202008 -
dc.date.accepted 7/23/20 -
dc.contributor.alternativeDepartment 정보통신융합전공 -
dc.embargo.liftdate 7/23/20 -
dc.contributor.affiliatedAuthor Choi, Jihwan -
dc.contributor.affiliatedAuthor Lee, Sungjin -
dc.contributor.affiliatedAuthor Jung, Seunghwa -
dc.contributor.alternativeName 정승화 -
dc.contributor.alternativeName Choi, Jihwan -
dc.contributor.alternativeName 이성진 -
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Department of Electrical Engineering and Computer Science Theses Ph.D.

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