Modes d’accès aux satellites et les protocoles

By 31 May 2012

Mode d’accès aux satellites – Chapitre 3

Dans ce chapitre :
3.1 Introduction
3.2 Accès multiple aux ressources physiques
3.3 Les politiques d’accès aléatoire
3.4 Les protocoles
3.5 Introduction à l’UMTS
3.6 Conclusion ou position du problème

3.1 Introduction

Nous avons vu au chapitre précédent les caractéristiques importantes d’un satellite LEO et les conséquences engendrées par son orbite notamment le Handover ; comme nous avons mis en évidence la nécessité d’établir des liens inter-satellites pour assurer une continuité à 99.9% de la communication. Nous verrons, dans un premier temps un des aspects primordiaux à la communication satellitaire : l’accès multiple aux ressources, les politiques d’accès aléatoire et les protocoles.

Ensuite nous distinguerons les caractéristiques importantes de l’UMTS et sa relation avec la constellation de satellites pour pouvoir poser le problème.

3.2 Accès multiple aux ressources physiques

Les ressources physiques dans toute communication sans fil sont le lien radio composé d’une bande passante limitée donc incapable de répondre à une demande toujours croissante. C’est pourquoi, des méthodes d’accès aux canaux de communication ont été définies pour partager ces canaux entre plusieurs utilisateurs et aussi pour utiliser le même medium physique pour les deux sens de communication ascendant et descendant (ou uplink et downlink).

Représentation des différents modes de duplexage adoptés en UMTS et GSM
Fig 3.1 Représentation des différents modes de duplexage adoptés en UMTS et GSM

Deux méthodes de duplexage sont connues pour séparer les deux sens de communication : Time Division Duplex (TDD) et Frenquency Division Duplex (FDD). Ce sont des applications de TDMA et FDMA.

L’accès multiple vise donc à exploiter au maximum ces ressources limitées en bande passante pour admettre le plus grand nombre possible d’utilisateurs. Trois modes d’accès aux satellites sont adoptés jusqu’à présent : le FDMA, le TDMA, et le CDMA.

3.2.1 L’Accès Multiple à Répartition en Fréquence (AMRF) ou encore FDMA (Frequency Division Multiple Access)

C’est le premier procédé employé, il a tendance à disparaître. Il est particulièrement adapté aux transmissions analogiques. Son principe est, pour n stations dans le système de communication, de découper la bande passante du transpondeur du satellite en n sous-bandes (500 sous-bandes de fréquence par transpondeur). Chaque sous-bande est assignée à une station et lui permet d’émettre simultanément mais indépendamment des autres stations. Pour pouvoir mettre en place cette technique, chaque station possède un modulateur, un émetteur, n récepteurs et n démodulateurs. De plus, chaque satellite doit posséder la possibilité d’amplifier simultanément n porteuses.

Représentation schématique de l’accès FDMA
Figure 3.2 Représentation schématique de l’accès FDMA

Limites d’utilisation :

Si des stations n’émettent pas, il y a perte sèche de la bande passante qui leur est affectée. De plus il y a un asservissement constant des puissances d’émission, c’est à dire qu’une station qui a besoin d’une plus grande bande passante va être gênée par cette contrainte d’avoir des bandes passantes de taille fixe. Enfin, si de nouvelles stations se joignent au système de communication, il est obligatoire d’assigner de nouvelles bandes de fréquences.

Solutions adoptées :

Pour un trafic stable et important : affectation permanente.
Pour un trafic à caractère aléatoire : affectation à la demande; DAMA (Demand Assigned Multiple Access)

Exemple : Le système SPADE utilisé par INTELSAT utilise le DAMA.

3.2.2 L’Accès Multiple à Répartition dans le Temps (AMRT) ou encore TDMA (Time Division Multiple Access)

Cette méthode d’accès est à l’heure actuelle la plus utilisée dans le domaine des transmissions par satellites. Son rendement est bien meilleur que celui de l’AMRF. De plus, si de nouvelles stations arrivent dans le système de communication, il est facile de découper de nouvelles tranches de temps. On peut distinguer deux types d’AMRT : l’AMRT statique, le plus simple, et l’AMRT dynamique.

Représentation schématique de l’accès TDMA
Figure 3.3 Représentation schématique de l’accès TDMA

a- L’AMRT statique

Le principe de cette technique est de découper le temps en plusieurs tranches qui vont être affectées aux stations terrestres. Dans ce cas toutes les stations émettent sur le canal avec la même fréquence tout en utilisant la totalité de la bande passante, mais de façon successive. Au contraire de l’AMRF, les stations ne sont donc équipées que d’un récepteur démodulateur. Par ailleurs, cette technique nécessite le besoin d’une station de synchronisation temporelle ainsi que le besoin de synchroniser l’émission en début de tranches pour éviter les chevauchements de signaux. Pour cela, il y a entre chaque tranche de temps un intervalle réservé à cet effet.

Chaque tranche de temps est composée d’un en-tête. Les premiers bits de cet en-tête sont utilisés pour l’acquisition des circuits de recouvrement de porteuse et de rythme du démodulateur. L’en-tête sert également à identifier la station émettrice. Plus les tranches de temps sont grandes, et moins l’en-tête prend de place par rapport aux données à transmettre, donc le taux d’utilisation du canal satellite.

Problèmes : si la station n’utilise pas sa tranche de temps pour émettre, il y a perte de la tranche : donc apparaît l’AMRT dynamique

b- L’AMRT dynamique

L’AMRT dynamique a été mis en place pour pouvoir donner la main aux stations qui en ont réellement besoin. En effet, dans l’AMRT statique, si une station n’émettait pas de données dans sa tranche de temps, la tranche était inutilisée. Le but de cette technique est donc d’allouer des tranches de temps aux stations qui en font la demande et selon leurs besoins. En revanche, cette allocation dynamique alourdit la gestion du système et augmente le temps de réponse, car il faut au minimum deux allers-retours avant que les stations terrestres obtiennent de la part de la station de gestion les tranches de temps correspondant à la demande.

En résumé, la technique AMRT est simple et a une gestion moins complexe que celle des méthodes que nous allons voir par la suite. En revanche, elle a un taux d’utilisation du canal encore très loin de l’optimum.

Limites d’utilisation :

On désire donner la main aux stations terrestres qui en ont réellement besoin, au bon moment et avec la plus grande longueur de temps de parole possible (tranche de temps T).

3.2.3 L’Accès Multiple à Répartition par Code (AMRC) ou encore CDMA (Code Division Multiple Access)

Le principe de cette méthode d’accès est l’allocation de canal par durée et non par paquet, ceci en utilisant un code identifiant chacune des stations du système de communication. En effet, les stations peuvent alors utiliser la totalité de la bande passante, le code qui leur est affecté permet de dissocier les données qu’elles envoient de celles des autres stations. Pour illustrer cette méthode, prenons l’exemple d’une foule de personnes qui sont en conversation. Si nous écoutons de façon générale les conversations, il ne se dégage de la foule qu’un bruit incompréhensible. En revanche, si l’on se focalise sur une discussion entre deux personnes de la foule, il est possible de comprendre la conversation. Le principe de focaliser son attention sur une chose donnée correspond, dans le cas de l’AMRC, à l’affectation d’un code identifiant chaque station émettrice. En effet, toutes les stations vont émettre sur le même canal en même temps, avec la même fréquence, mais chacune de ces stations pourra reconnaître les données qui lui sont destinées grâce au code d’identification approprié.

Dans ce système, chaque temps bits (durée de transmission d’un bit) est décomposé en m intervalles de temps élémentaires, appelés chips. Un exemple simple pour illustrer la méthode AMRC, est le codage de la valeur binaire 1 par +1 et celui de la valeur binaire 0 par -1. Prenons l’exemple d’une station qui est identifié par son code 00011011. Pour transmettre un bit à 1, la station transmet la séquence de chips (-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1) et pour transmettre un bit à 0, elle transmet la séquence de chips (+1 +1 +1 -1 -1 +1 -1 -1). Aucune autre station du système de communication ne peut utiliser ces deux séquences spécifiques à cette station.

Nous pouvons constater que cette méthode d’accès repose sur un système complexe car toute la difficulté est de pouvoir donner des codes suffisamment différents à chaque utilisateur pour qu’il n’y ait pas d’interférence.

WCDMA qu’en est-il ?

Acronyme de Wideband Code-Division Multiple-Access, WCDMA est l’une des principales technologies utilisées dans les systèmes cellulaires de troisième génération (3GPP). Il a été conçu pour les services multimedia ayant des besoins différents de QoS en termes de délais de transfert et de BER (Bit Error Rate). Dans cette méthode d’accès multiple, les données de l’utilisateur sont répandues sur toute la bande passante (5 MHz à peu près). Cette bande passante peut supporter des débits utilisateur élevés et est performante grâce à la diversité en fréquences.

Représentation du multiplexage WCDMA
Figure 3.4 Représentation du multiplexage WCDMA

3.3 Les politiques d’accès aléatoire

Les politiques d’accès aléatoire pour les réseaux satellites sont sensiblement les mêmes que celles définies pour les réseaux locaux. Nous allons en définir quelques unes successivement parmi : la technique ALOHA, l’ALOHA en tranches et l’ALOHA avec réservation

3.3.1 La technique ALOHA

Le nom de cette méthode provient des expériences faites à l’Université d’Hawaï pour relier les centres informatiques dispersés sur plusieurs îles. Les stations émettent, de façon inconditionnelle, des paquets dès qu’ils sont en leur possession, il n’y a pas d’écoute du support avant la transmission. De plus, le temps de propagation des signaux sur le canal satellite est un facteur contraignant car les stations sont averties d’une collision seulement 270 ms après l’émission des données. Dans le cas où la transmission des données ne s’est pas bien passée, la station va retransmettre les paquets après un délai aléatoire. Cette méthode d’accès a donc un taux d’utilisation du canal satellite faible, approchant les 20 %, d’où l’apparition de techniques similaires mais avec des modifications qui apportent de meilleurs performances.

3.2.2 ALOHA en tranches ou discrétisé

L’idée de cette méthode est de découper le temps en tranches correspondant chacune au temps de transmission d’un paquet, les émissions sont alors synchronisées en début de tranches. Grâce à cette méthode, s’il y a détection de collisions, c’est sur l’ensemble de la tranche de temps, et non plus sur une partie d’un paquet. Cette méthode de découpage du temps en tranches, tout en gardant le système de l’ALOHA, améliore le taux d’utilisation du canal et le ramène à 36 %.

3.3.3 ALOHA avec réservation

Cette méthode est basée sur la notion de probabilité. Si une station commence à émettre un paquet, il y a de fortes chances qu’elle en émette un autre immédiatement. Ce raisonnement va mener à l’idée de réserver plusieurs tranches de temps à une station qui commence à émettre. De plus s’il y a collision, celle-ci s’effectue sur un intervalle complet et non sur une partie.

3.4 Les protocoles

Il faut tout d’abord noter que les protocoles mis en place pour les télécommunications par satellites sont difficilement accessibles par le grand public pour des raisons de confidentialité liées à la concurrence qui règne aujourd’hui dans ce secteur et aussi parce qu’aujourd’hui encore aucun protocole n’est normalisé spécifiquement pour les télécommunications par satellites. Les programmes satellites déjà mis en œuvre adoptent chacun les protocoles qui répondent à leurs besoins spécifiques.

Des protocoles déjà existant, créés pour les télécommunications terrestres ont été modifiés pour répondre aux contraintes des télécommunications par satellites. Suivant les couches, nous allons voir les modifications qui ont été apportées aux protocoles.

Bien qu’un grand nombre de transmissions par satellites soient sans acquittement (Télévision, téléphonie), les protocoles utilisés pour les transmissions de données doivent être avec acquittements. Lors d’une transmission par satellites, deux contraintes interviennent:

* La distance de transmission très importante affaiblit le signal et conduit à un fort taux d’erreurs
* Le délai de transmission lui aussi important (transmission terre – satellite – terre de l’ordre de 270 ms) posent des problèmes de délais pour les télécommunications avec acquittements

Description générale :

a- Protocole au niveau PHYSIQUE

Le protocole normalisé X21 est utilisé comme protocole de la couche physique dans les télécommunications par satellites.

b- Protocole au niveau LIAISON

La norme ISO 4335 définit les éléments de procédure d’une liaison de données à haut débit HDLC (High level Data Link Control) possédant trois procédures de reprises (reprise par pointage (bit P/F), REJ (rejet de trame) et SREJ(rejet de trame sélectif) ). Mais la procédure HDLC est mal adaptée pour les hauts débits et forts taux d’erreurs.

c- Protocole au niveau TRANSPORT

Il n’y a pas de normalisation de traprotocole de nsport dans le cas des télécommunications par satellites. Chaque programme satellite a proposé sa solution propre, puisqu’ils possèdent des besoins et des contraintes spécifiques.

d- Protocole au niveau RESEAU

Bien qu’aucun protocole n’ait été défini spécifiquement pour la couche réseau des télécommunications par satellites, beaucoup de programmes satellites utilisent une couche réseau partagée en deux sous couches:

La sous couche Accès au sous réseau SNACP (SubNetwork access Convergence Protocol).
La sous couche Réseau SNICP (SubNetwork Independant Protocol) contient les fonctions de routage.

Optimisation de l’accès Low Earth Orbit LEO
Mémoire de fin d’études – Réseaux de télécommunications
Université Saint-Joseph, Faculté d’Ingénierie

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