project page: http://www.fttplane.info/

Problemática

• Un avión comercial de gran porte tiene más de 100.000 cables, con un total estimado de 470 km y un peso de 5.700 kg. A esto hay que sumarle alrededor de un 30% de peso adicional en conectores.

• Actualmente es muy difícil poder agregar funciones que la aeronave original no posee, dada la complejidad de tender nuevos cables y perforar el fuselaje.
• El cableado sigue siendo muy costoso de remover una vez que está instalado.

Basado en las estadísticas planteadas, y tomando como ejemplo de aeronave comercial grande un Boeing 747, se pueden obtener las siguientes premisas:

Con 68.4m de ancho y 76.3m de largo, se puede obtener un total de 144.7m necesarios para recorrer todo el avión.

Suponiendo que todos los caminos están redundados, asumimos un total de 300 metros de canalización para recorrer el avión, con lo cual se recorre aproximadamente 1500 veces el avión.

Propuesta

Nuestra propuesta busca simplificar los cableados dentro de una aeronave, jerarquizando los sectores del mismo permitiendo armar una topología de segregación de servicios.

La clave del éxito se centra en la multiplexación, diseñando troncales de Fibra Óptica que reemplacen los voluminosos y pesados empaquetados de cable, reduciendo así el peso, minimizando el espacio ocupado por los troncales, y generando una arquitectura escalable que permite agregar dispositivos sin necesidad de realizar nuevos tendidos.

Estandarización

El espíritu de nuestra propuesta se basa en la estandarización en las comunicaciones de los distintos subsistemas de una aeronave.

El desafío propone utilizar un medio común para las comunicaciones entre ellos, lo que nos permite hacer broadcast de la información, teniendo disponible cualquier dato en cualquier punto de la aeronave. Para que esto sea posible, es clave la multiplexación de las señales.

Nuestra propuesta se basa en utilizar un medio guiado para el backbone, para minimizar la problemática referida a las comunicaciones inalámbricas, utilizando estas últimas para soluciones ad-hoc.

Multiplexación

Para poder reducir la cantidad de caminos entre un punto A y un punto B en una aeronave, es necesario multiplexar las señales. Nuestra propuesta se basa en redes de datos y nodos prosumidores que sean capaces de interpretar y generar las señales de los distintos sensores y actuadores que se encuentran en una aeronave, como así también los distintos dispositivos de redes de servicios y entretenimiento.

Clasificación

Se deberán clasificar los distintos sistemas o subsistemas de una aeronave para montar redes independientes según cada necesidad.

Esto permite no solo mayor flexibilidad a la hora de hacer crecer las redes, sino también mayor mantenibilidad de los sistemas.

En términos de seguridad, esto permite controlar el tráfico en el backbone entre los subsistemas, generando distintos anillos perimetrales de seguridad.

1. FCC: Flight Control Computer. Sistemas de aviónica: Son los sistemas esenciales para el control de la aeronave (su capacidad de volar) y los sistemas de aviónica. Su red está securizada y el acceso desde los otros subsistemas está controlado.

Este subsistema obligatoriamente debe encontrarse redundado para garantizar seguridad en la operación de la aeronave.

Dentro de este subsistema se incluyen los controles de vuelo del avión, sensores básicos de aviónica, sistemas de backup, presurización en máscaras de oxígeno, etc.

1. Sistemas de servicio: Son los sistemas referidos al control del ambiente dentro de la aeronave, como puede ser la gestión de temperatura, presión de cabina, iluminación, estado mecánico de la aeronave (puertas, etc), comunicación dentro de la aeronave.

Este subsistema obligatoriamente debe encontrarse redundado para garantizar seguridad en la operación de la aeronave.

1. MMC: Multi Media Center. Sistemas de entretenimiento: Son los sistemas inherentes al entretenimiento de los pasajeros o tripulación a bordo de la aeronave, como puede ser internet, entretenimiento a bordo (IFE: in flight entertainment), información de vuelo, servicios on demand, audio y video general.

Este subsistema opcionalmente podrá encontrarse redundado para garantizar seguridad en la operación de la aeronave.

Supuestos

El tramo final de la comunicación, al menos por el momento, deberá seguir siendo por cobre. Con lo cual se deberán instalar estratégicamente a lo largo del aeronave Flight Nodes/Fiber Optic Nodes.

Cada Flight Node debe transformar luz en señales eléctricas para alimentar los SGW (Sensor Gateway).

A su vez, cada SGW deberá controlar los sensores/actuadores eléctricos legacy.

Componentes

Core Nodes: Son los nodos principales de cada subsistema, cuya función es la de gobernar los Flight Nodes.

Flight Nodes / Fiber Nodes: Son los nodos jerárquicamente dependientes de los Core Nodes, distribuidos estratégicamente a lo largo y ancho de la aeronave.

Internamente están compuestos por:

Router

La responsabilidad de dichos componentes será la de:

• Elegir entre los caminos redundados del anillo interior del avión.
• Transforma la señal de luz en señal eléctrica
• Proveer la información ethernet a un SGW

SGW (Sensor Gateway):

• Interpretar las señales eléctricas de los sensores y digitalizarla en paquetes de datos
• Recibir los paquetes de datos y transformarlos en señales eléctricas.

En resumen, cada SGW deberá cumplir funciones de multiplexación y demultiplexación en cada nodo.

Arquitectura

1. Escalabilidad | IoT based Plane

   1. Capacidad de poder incorporar nuevos sensores o componentes para interconectar una parte de la aeronave con cualquier otra utilizando una arquitectura tipo IoT, anytime, anywhere.
   2. Permitir el reemplazo de partes sin la necesidad de realizar un re-cableado de la aeronave.

2. MMC, la red flexible

Da soporte a varios subsistemas como el IFE ( In-flight entertainment ), IoT (sensores de temperatura, presión, etc) basándose en tecnologías como WiFi, LiFi, LoRa, bluetooth y cualquier nueva tecnología estándar del mercado.

Las necesidades ad-hoc de incorporar nuevos sensores o actuadores que requieran conectividad flexible deberán montarse en la red MMC utilizando los protocolos estándar de mercado. De esta manera, el medio de conectividad más vulnerable en el ámbito de una aeronave (el aire), queda encapsulado en la red MMC, cuyo tráfico es controlado dinámicamente.

1. COTS (Comercial Off The Shelf)

   1. A nivel comercial y a escala residencial ya existen componentes que al utilizarlos en conjunto permiten implementar el concepto de FTTPLane.
      1. FO/RF node

2. Protocolos

Protocolo utilizado: Avionics Full-Duplex Switched Ethernet (AFDX) montado sobre redes estándar IP.

Ventajas

Por qué no sin cables?

Fibra Óptica

Al implementar los troncales de comunicación con Fibra Óptica, conseguimos los siguientes beneficios:

1. Inmunidad a la interferencia electromagnética y, en consecuencia, a la radiación solar
2. Mayor resistencia al calor, frío y corrosión
3. Menor peso en comparación con el cableado de cobre
4. Incremento de la fiabilidad mediante caminos redundados.
5. Menor riesgo de fuego

Resiliencia

1. Arquitectura de anillo con redundancia de caminos.

1. Utilización de red ip en conjunto con otros protocolos como el AFDX (Avionics Full-Duplex Switched Ethernet)que permiten una alta disponibilidad y tolerancia a pérdida de paquetes ( build on feature ) .

Monitoreo

1. Capacidad de auto-monitoreo y diagnóstico
2. Brindar alertas ante fallas de componentes.
3. Brindar herramientas para el trouble-shooting ante eventuales fallas.
4. Posibilidad de loguear información tanto dentro localmente en la aeronave, como hacia el exterior vía satélite u otros métodos.<
5. Utilización de herramientas de monitoreo state-of-the-art utilizadas en el ámbito de it.

Flexibilidad

1. Al utilizar tecnología COTS facilita el rápido reemplazo o actualización de hardware.
2. Modularidad - mayor facilidad para introducir modificaciones en la arquitectura
3. Vida util de un avión comercial estimado en 20/30 años. Flexibilidad es clave!

Modernización IFE

1. Al montar el IFE sobre nuestra red MMC se permite por ejemplo la eliminación del cableado de red de los dispositivos de entretenimiento sobre una red wireless basada en LiFi que entre otros beneficios tiene una baja interferencia electromagnética.
2. Reemplazo de la red de entretenimiento física por una red lifi permitiendo la distribución de contenido multimedia a los pasajeros sin la necesidad de conectividad física punto a punto en las terminales de entretenimiento.

Próximos Pasos

Si bien, a efectos de esta presentación, se tomó como ejemplo un avión comercial Boeing 747, la implementación planteada puede hacerse extensible a cualquier modelo de aeronave o nave aeroespacial.

Para cada caso será mandatorio realizar un análisis exhaustivo de cada subsistema candidato a ser digitalizado su camino y reemplazado por un Flight Node.

La aviación del futuro

Esta arquitectura deja el escenario planteado para fácilmente escalar la solución a la virtualización de funciones (NFV Ready) en el avión, permitiendo reemplazar sistemas legacy por servidores con mayor capacidad de cómputo, y la posibilidad de redundar el procesamiento de la información incluso en distintas partes físicas de la aeronave. Esto permite realizar un mismo cálculo n veces al mismo tiempo y comparar sus resultados para evitar errores.

Estado del arte en TI → SDN, SD(X)!

Esta arquitectura escalable permite estandarizar la manera en la que distintos fabricantes de aeronaves plantean los cableados en sus distintos modelos de avión

De la misma manera, al tener mayor capacidad de cómputo es posible escalar la arquitectura de manera modular para implementar un reloj atómico para poder hacer cálculos de posición dentro de la red, sin necesidad de enviar los paquetes para que se procesen en la tierra y se envían nuevamente a la nave. Esto sería fundamental para poder realizar viajes interplanetarios y más allá.

Estimación de Beneficios

Para realizar una estimación inicial se tomará en cuenta que el 30% del cableado total de la nave puede reemplazarse por esta nueva arquitectura. En base a esto, teniendo en cuenta el recorrido total necesario para realizar el tendido de fibra óptica para todos los tipos de servicios a comunicar, se estima una reducción de aproximadamente el 80% del peso total del cableado reemplazable.

Cabe aclarar que para esta estimación inicial se están tomando en cuenta tanto sistemas críticos como no críticos.

A continuación, se presenta una comparación entre el cableado de cobre y el tendido de fibra óptica: