Optimisation de l’accès Low Earth Orbit LEO

«… es réseaux en certains points et sur des périodes spécifiques.
Pour aller à l’encontre de ces problèmes, les opérateurs se sont intéressés au déploiement d’un réseau satellitaire à basse orbite (ou Low Earth Orbit (LEO)) – par opposition au réseau géostationnaire.
La constellation d’un tel réseau assurerait une couverture mondiale et relaierait le réseau terrestre en cas de forte ….»
Université Libanaise
(Faculté de Génie)

Université Saint-Joseph
(Faculté d’Ingénierie)

Sous l’égide de l’Agence Universitaire de la Francophonie AUF

Diplôme d’Etudes Approfondies
Réseaux de télécommunications

Optimisation de l’accès LEO

Par : Carole BITAR

Encadré par : Melle Rima ABI FADEL

Soutenance le 21/12/2004 devant le jury composé de
MM. Samir Tohmé Président
Mohamad Zoaeter Membre
Wajdi Najem Membre
Imad Mougharbel Membre
Nicolas Rouhana Membre
Mahmoud Doughan Membre
Maroun Chamoun Membre

«Tout mon amour, Tout mon respect,
Toute ma gratitude…»
Merci papa

Remerciements :
Un grand merci à Dr Rima Abi Fadel, pour m’avoir aidée tout le long du projet, me guidant dans mes recherches, m’encourageant dans mes efforts. Rima est plus qu’une encadrante, c’est une grande amie.
Introduction :
Le but de ce mémoire est l’étude de l’accès d’un mobile à une constellation de satellites pour servir sa communication, lorsqu’il n’est pas couvert par le réseau terrestre.
L’étude se concentre en fait sur un des aspects de l’accès : celui de la décision à prendre par l’opérateur sur le choix du satellite qui prendra le service de la communication du client lorsque plusieurs satellites seront en vue simultanément.
Le chapitre 1 reprend cette définition de manière plus détaillée afin de clarifier le but du projet. Il comprend entre autres les raisons qui ont mené à cette étude ainsi que la manière avec laquelle nous avons procédé dans le projet pour le traitement du problème.
Le chapitre 2 fournit une familiarisation avec la constellation de satellites LEO et passe en revue tous les paramètres importants et les toutes les caractéristiques liées à leur orbite telles que la mobilité, le handover, les liens intersatellites, etc…notions essentielles pour la suite du document.
Le chapitre 3 présente les différents modes d’accès multiples et aléatoires adoptés par les constellations de satellites ainsi que les protocoles utilisés à chaque niveau d’accès.
Finalement, il présente le système de télécommunications mondial – UMTS – puisque le réseau satellitaire doit servir comme complément à ce réseau terrestre.
Le chapitre 4 expose l’expression de la fonction de coût liée au contexte vu précédemment dans l’introduction, et pour différentes classes de service et ceci en suivant le déroulement d’une communication par satellite.
Le chapitre 5 donne les premiers résultats théoriques de la fonction de coût à partir de l’expression obtenue dans le chapitre 4 et pour un exemple simplifié. Ce résultat est important dans la mesure où il donne une idée intuitive sur le contexte dans lequel on pourra appliquer cette fonction.
Le chapitre 6 fournit les résultats de la première simulation réalisée avec le simulateur de réseau (Network Simulator ou ns) dans le contexte où un satellite est en vue à la fois par les mobiles et permet de comprendre des simulations plus complexes réalisées dans le chapitre suivant.
Le chapitre 7 fournit donc les résultats de différentes simulations réalisées aussi sur ns mais lorsque deux satellites sont candidats au service du mobile. L’interprétation des résultats a surtout concerné la réalisation éventuelle de l’équilibre de charge dans le réseau et la probabilité de pertes de paquets.
Finalement, le chapitre 8 conclue toute l’étude réalisée sur l’optimisation de l’accès LEO et montre aussi les avantages qu’un opérateur a à choisir un mode d’accès aléatoire. Cette conclusion ouvre aussi de nouveaux horizons pour des études ultérieures.
L’appendice A contient une description physique des orbites tandis que l’appendice B définit quelques acronymes utilisés dans le document. L’appendice C contient le code de la première simulation ainsi qu’un tableau représentant ses résultats.
On clôture le document par une liste de références qui sont de valeur pour tous ceux intéressés dans l’étude des réseaux satellitaires.

Chapitre 1 : INTRODUCTION

Dans ce chapitre :
1.1 Présentation du projet
1.2 Terminologie
1.1 Présentation du projet
De nos jours, les communications se sont diversifiées et déployées. Elles ont été aussi adoptées dans les milieux professionnels pour faciliter l’échange et accélérer le travail.
D’une échelle nationale, les communications se sont élargies à l’échelle internationale.
Pour assurer cette couverture mondiale, les réseaux de télécommunications se sont densifiés et intégrés les uns aux autres. Malgré cela, ils présentent des lacunes dans la couverture. Plusieurs causes sont à l’origine de ce défaut du réseau de télécommunications. On cite notamment des raisons économiques et des raisons de faible densité géographique.
Un autre problème est la congestion de ces réseaux en certains points et sur des périodes spécifiques.
Pour aller à l’encontre de ces problèmes, les opérateurs se sont intéressés au déploiement d’un réseau satellitaire à basse orbite (ou Low Earth Orbit (LEO)) – par opposition au réseau géostationnaire.
La constellation d’un tel réseau assurerait une couverture mondiale et relaierait le réseau terrestre en cas de forte charge.
Mais à ce stade là, un autre problème se pose, celui de la gestion et de l’optimisation de l’accès LEO. C’est ce qu’on se propose d’étudier dans ce projet.
En effet, ces constellations présentent par rapport aux constellations de satellites géostationnaires, l’avantage d’une plus grande proximité par rapport à la surface de la terre, ce qui se traduit en un temps de propagation plus réduit que dans le cas géostationnaire. La difficulté de leur étude réside dans le fait que la constellation est en soi mobile. On suppose qu’à tout instant, le mobile peut «voir» au moins un satellite.
Le problème se pose lorsque plus d’un satellite sont candidats au service du mobile. Le choix du satellite qui supportera la communication devra tenir compte de plusieurs paramètres dont, entre autres, la capacité résiduelle du satellite, le délai de bout en bout que subira la communication, les occurrences de handovers subséquents dus notamment à la mobilité de la constellation. Dans le cadre de cette étude, on se propose de considérer plusieurs fonctions de coût, tenant compte des différents paramètres cités ci-dessus ainsi que d’autres éventuellement, pour optimiser l’accès à une constellation de satellites.
Le simulateur de réseau – Network Simulator (ns) sera aussi utilisé à cette fin.

1.2 Organisation du document

Le chapitre 2 fournit une familiarisation avec la constellation de satellites LEO et passe en revue tous les paramètres importants et les toutes les caractéristiques liées à leur orbite.
Le chapitre 3 présente les différents modes d’accès multiples et aléatoires aux constellations de satellites ainsi que les protocoles utilisés à chaque niveau d’accès. Finalement, il présente le système de télécommunications mondial – UMTS – puisque le réseau satellitaire doit servir comme complément à ce réseau terrestre.
Le chapitre 4 expose l’expression de la fonction de coût liée au contexte vu précédemment dans l’introduction, et pour différentes classes de service et ceci en suivant le déroulement d’une communication par satellite.
Le chapitre 5 donne les premiers résultats théoriques de la fonction de coût à partir de l’expression obtenue dans le chapitre 4 et pour un exemple simplifié.
Le chapitre 6 fournit les résultats de la première simulation réalisée avec ns dans le contexte où un satellite est en vue à la fois par les mobiles.
Le chapitre 7 fournit les résultats de différentes simulations réalisées aussi sur ns mais lorsque plus d’un satellite sont candidats au service du mobile.
Finalement, le chapitre 8 conclue toute l’étude réalisée sur l’optimisation de l’accès LEO et ouvre de nouveaux horizons pour des études ultérieures.
L’appendice A contient une description physique des orbites tandis que l’appendice B définit quelques acronymes utilisés dans le document. L’appendice C contient le code de la première simulation ainsi qu’un tableau représentant ses résultats.
On clôture le document par une liste de références qui sont de valeur pour tous ceux intéressés dans l’étude des réseaux satellitaires.

1.3 Terminologie

Afin de prévenir toute confusion dans la lecture du document, il est utile de noter quelques conventions qui y ont été adoptées

Table 1.1 Terminologie

Sommaire :

1 Introduction
1.1 Présentation
1.2 Organisation du document
1.3 Terminologie
2 Familiarisation avec la constellation de satellites
2.1-Introduction aux systèmes mobiles satellitaires
2.2- Concepts importants sur les satellites
2.3  Transpondeurs et antennes
2.4- Constellation de satellites Teledesic
3 Mode d’accès aux satellites
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
4 Calcul de la fonction de coût
4. 1 Introduction
4. 2 Exposition du problème ou contexte
4.3 Schéma d’interconnexion et schéma d’intégration
4.4 Déroulement d’une communication par satellite
4.5 Classes de service et mode d’allocation de ressources
4.6 Expression de la probabilité de blocage et du temps de latence
4.7 Expression de la fonction de coût
4.8 Conclusion
5 Première ébauche de la fonction de coût
5. 1 Introduction
5.2 Objectifs et contraintes sur la fonction de coût
5.3 Considérations et approximations
5.4 Exemple d’optimisation de la fonction de coût
5.5 Conclusion
6 Simulations de différents scénarios
6.1 Introduction
6.2 Contexte général
6.3 Premier scénario
6.4 Conclusion
7 Simulation de différents scénarios (suite) – Accès aléatoire
7.1 Introduction
7.2 Contexte général
7.3 Scénario 2
7.4 Scénario 3
7.5 Scénario 4
7.6 Scénario 5
7.7 Comparaison des résultats des différents scénarios
7.8 Conclusion
8 Conclusion
Conclusion
Annexe A
A.1 Description physique de l’orbite
Annexe B
Terminologie relative aux satellites
Annexe C
C.1 Code source de optimum_access.c
C.2 Résultats du code optimum_access.c
Bibliographie
Bibliographie
Références et webographie

1. Systèmes mobiles satellitaires, constellations de satellites
2. Modes d’accès aux satellites et les protocoles
3. Calcul de la fonction de coût de communication par satellite
4. Première ébauche de la fonction de coût – LEO
5. Simulation de différents scénarios – Accès LEO
6. Introduction à l’UMTS, réseau de télécommunication

Liste des figures :
2.1 Angle d’élévation d’un satellite
2.2 Schéma d’un satellite
2.3 Equipements utilisés dans une communication par satellite
3.1 Représentation des différents modes de duplexage adoptés en UMTS et GSM
3.2 Représentation schématique de l’accès FDMA
3.3 Représentation schématique de l’accès TDMA
3.4 Représentation du multiplexage WCDMA
3.5 Interface Radio de l’UMTS
4.1 Evolution d’un satellite d’observation à orbite polaire
4.2 Situation où plusieurs satellites sont candidats au service du mobile
4.3 Moyens pour accéder à un canal satellite
4.4 Probabilité de blocage en fonction du nombre de canaux disponibles dans un satellite
4.5 Probabilité de blocage en fonction du nombre de canaux alloués dans un satellite
5.1 Probabilité de blocage réseau en fonction des taux d’arrivée λA et λB
6.1 Répartition des mobiles à l’intérieur d’une grille de dimensions 700×700 Km2
6.2 Distance en Km entre deux points séparés par 1 degré
Liste des tables :
1.1 Terminologie
2.1 Caractéristiques de la constellation Teledesic
3.1 Classes de service de l’UMTS
5.1– Variation de Pblocage-res en fonction des taux d’arrivée λA et λB
6.1 Chronologie des applications de la première simulation
C.1 Résultats du programme optimum_access.c