Systèmes mobiles satellitaires, constellations de satellites

Familiarisation avec les constellations de satellites – Chapitre 2 Dans ce chapitre : 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 2.1 Introduction aux systèmes mobiles satellitaires Il s’est écoulé plus de vingt ans depuis que les techniciens des Bell Labs américains ont démontré que la technologie radio cellulaire pouvait être employée pour offrir des services de communication mobile à un marché de masse; aujourd’hui, à l’aube du nouveau millénaire l’industrie des télécommunications se prépare à faire face à une phase d’expansion dramatique et à des taux de croissance jamais vu jusqu’à ce jour. Les communications satellitaires (http://fr.gsmbox.com/satellite/satel.gsmbox) ont été l’objet, ces dernières années, d’une attention grandissante de la part de nombreux opérateurs de télécommunications attirés par l’énorme potentiel (http://fr.gsmbox.com/satellite/vantaggi.gsmbox) qu’elles présentent; on peut les définir, en effet, comme un des moyens parmi les plus versatiles, capable d’offrir des services de communications internationales, régionales et nationales dans le monde entier. Vers la fin de 1994 il y avait en service 108 satellites de télécommunication autour du globe terrestre pour une capacité totale de plus de 2400 transpondeurs (répétiteurs) et à la fin de 1997 le nombre a atteint une vitesse de croisière de 3500 répétiteurs. Les applicationsLes systèmes de téléphonie mobile satellitaire sont proposés tels des réseaux de communication à l’échelle mondiale établis pour offrir des services indépendamment de la position de l’utilisateur dans le monde et de la disponibilité des réseaux de télécommunications traditionnelles, faisant usage de terminaux portatifs aux coûts modérés. Parmi ces services, on note : * le service voix traditionnel * données * fax * paging * localisation (Global Positionning System (GPS)) * prévision météorologique * diffusion satellitaire Radio et TV * Satellites militaires * Backbone pour les réseaux * Expérimentation scientifique Des millions de gens, de par le monde, n’ont pas encore été atteints par des systèmes de communication terrestre certains pour des raisons économiques et d’autres pour des raisons démographiques. Les raisons économiques concernent les pays sous-développés et les pays en voie de développement qui n’ont pas le capital nécessaire pour l’établissement d’une infrastructure de télécommunications alors que les raisons démographiques concernent les régions faiblement peuplées comme les régions rurales où l’investissement des opérateurs des réseaux cellulaires ne serait pas rentable. Ainsi il devient possible, grâce aux systèmes satellitaires, d’atteindre, avec des coûts modérés et des infrastructures modestes, tous les pays et les villages dans les endroits les plus éloignés du monde. Les systèmes satellitaires proposent aussi une grande variété d’autres applications, comme par exemple, la possibilité de joindre toutes les personnes qui, pour des raisons de travail, se déplacent souvent d’un continent à un autre, tout en ayant le besoin de rester en contact avec leurs bureaux, les communications urgentes dans les cas d’alerte dans des lieux éloignés, l’offre d’appuis dans les cas des désastres naturels lorsque toutes les communications terrestres sont interrompues, et pour finir l’usage privé. 2.2 Concepts importants sur les satellites Constellation satellitaireAfin de pouvoir permettre la couverture globale, à travers des terminaux palmaires et avec la même qualité de transmission des réseaux cellulaires terrestres , devient indispensable l’utilisation de plusieurs satellites (constellation), de préférence à faible ou moyenne altitude (LEO, MEO et HEO http://fr.gsmbox.com/satellite/leo.gsmbox), qui permettent de diminuer le retard de propagation typique des satellites géostationnaires (GEO http://fr.gsmbox.com/satellite/leo.gsmbox) et aussi d’effectuer la liaison avec peu de puissance. Une constellation de satellites est caractérisée par l’altitude du satellite, le nombre de satellites, le nombre de plans, et le nombre de satellites par plan. Notion de Handover L’utilisation de satellites à faible et moyenne altitude, qui se déplacent avec une vitesse différente de la vitesse terrestre, rend indispensable la présence constante de handover d’un satellite à l’autre; en effet chaque terminal mobile est situé sous la couverture d’un satellite donné pendant une période de temps limitée alors que dans les réseaux cellulaires terrestres, les handovers étaient dus à la mobilité de l’abonné se déplaçant à l’intérieur de la zone de couverture. Il est donc nécessaire de garantir que chaque fois qu’une liaison entre une station au sol et un satellite devient mauvaise, une commutation de liaison vers un autre satellite de la constellation soit possible (problème du handover). Les principales situations de handover dans les systèmes satellites sont les suivantes : * Handover intra-satellite : – le handover se fait d’un faisceau à un autre. – La station mobile se trouve toujours dans l’empreinte du satellite mais dans une autre cellule * Handover inter-satellite – – le handover se fait d’un satellite à un autre – – la station mobile quitte l’empreinte d’un satellite vers celle d’un autre * Handover entre stations de base (gateway handover) – handover d’une station de base à une autre – la station mobile se trouve toujours dans l’empreinte du satellite mais la station de base sort de cette empreinte. * Handover inter-système – handover d’un réseau satellite à un réseau cellulaire terrestre – la station mobile peut joindre un réseau terrestre qui présente moins de latence et coûte moins cher. Liens inter-satellites ou ISL (Inter-Satellite Links) Pour les constellations en orbite polaire, on peut définir les liens intraplans, interplans et les liens entre plans sécants aussi appelés Crossseam ISLs. * Les ISLs intraplans existent entre les satellites appartenant au même plan et ne sont jamais désactivés, rompus ou échangés. * Les ISLs interplans existent entre les satellites appartenant à des plans voisins en co-rotation. Ces liens sont désactivés à proximité des pôles (au dessus de la«  latitude ISL seuil ’’) parce que le mécanisme de visée de l’antenne ne peut pas suivre ces liens dans les régions polaires. De la même sorte que les ISLs intraplans, les ISLs interplans ne sont jamais rompus. * Les ISLs Crossseam peuvent exister dans une constellation entre des satellites appartenant à des plans sécants non parallèles (où les plans forment une couture dans la topologie). Ce sont ces ISLs qui sont sujets à des ruptures fréquentes et donc des handovers. Liens entre les satellites et les terminaux ou (GSL) Grounds to Satellite Links Plusieurs terminaux peuvent être connectés au même canal satellite GSL. Les liens GSL pour les canaux des satellites LEO font périodiquement du handover contrairement aux liens des satellites GEO qui eux, sont statiques. Angle d’élévation ou Elevation mask C’est l’angle au-dessus duquel le lien satellite-terre (GSL) peut-être opérationnel. Pratiquement, si le satellite (LEO) servant le terminal descend au-dessous de ce masque d’élévation, le terminal cherche un nouveau satellite se trouvant au-dessus de cet angle. Les terminaux satellitaires examinent toute possibilité de handover selon l’intervalle de temps de timeout spécifié par l’utilisateur. Chaque terminal va initier des handover de façon asynchrone; il serait aussi possible de définir un système où le handover se produit de façon synchrone. Figure 2.1 Angle d’élévation d’un satellite 2.3 Transpondeurs et antennes Evidemment, le satellite à lui tout seul ne suffit pas à l’établissement de la communication, c’est un maillon dans la chaîne auquel il faut ajouter des dispositifs essentiels tels que les stations au sol (antennes d’émission et de réception) et les terminaux des utilisateurs. Nous verrons dans ce paragraphe ces éléments ainsi qu’une exposition du transpondeur. 2.3.1 Les transpondeurs Figure 2.2 Schéma d’un satellite. Lorsqu’un signal est émis depuis la Terre vers le satellite, ce dernier reçoit ledit signal sur un transpondeur donné (identifié par la fréquence du signal émis, fréquence d’uplink F1). Pour simplifier, disons qu’un transpondeur (aussi noté tp) est un canal. Le satellite démodule le signal, le déphase du bruit de fond qui l’accompagne et le remodule à une autre fréquence (fréquence de downlink F2) en général plus basse que F1 pour inhiber le phénomène d’échos puis envoie ce signal vers la Terre grâce à une de ses antennes. Un transpondeur est identifié par ses fréquences d’Uplink/Downlink, par sa polarisation (horizontale, verticale, circulaire droite, circulaire gauche). Il a une certaine largeur de bande.Chaque satellite à un certain nombre de transpondeurs (16 pour Eutelsat 2F1, 20 pour Hotbird 2, 3 et 4) 2.3.2 Les antennes Le satellite comporte également des antennes et des dispositifs électroniques. Les signaux sont reçus et retransmis par des composants appelés cornets, montés devant ces grandes antennes paraboliques. Le faisceau directionnel peut être axé sur une zone ou un pays déterminé à condition de choisir avec soin la fréquence, la forme et les dimensions des antennes paraboliques. Beaucoup de progrès ont été réalisés sur les antennes des satellites en vue d’économiser les ressources d’amplification, le gain nécessaire consommant effectivement beaucoup d’énergie. La zone de couverture des antennes est ainsi ajustée à la mission demandée, selon que l’on désire desservir de grandes zones comme les États-Unis ou bien des plus petites comme le Luxembourg. En effet, il apparaît inutile d’utiliser une large couverture pour une zone peu étendue, d’autant plus qu’un faisceau étroit permet d’offrir plus facilement un gain élevé. 2.3.3 Secteur terrien Equipements identiques Figure 2.3 Equipements utilisés dans une communication par satellite Un système complet de télécommunications par satellites comporte en outre un certain nombre d’équipements au sol qui ont une technologie similaire aux équipements embarqués sur les satellites. D’une part, il possède, comme tout satellite artificiel, des stations de poursuite, de télémesure et de télécommande, qui contrôlent le suivi de la trajectoire. D’autre part, il est doté de stations d’émission qui assurent les liaisons montantes vers le satellite, et de stations de réception qui établissent les liaisons descendantes (point à point) ; bien entendu, certaines stations peuvent être bidirectionnelles. A ces équipements il faut ajouter les fonctions de modulation et de démodulation réalisées par un modem. En modulation, il transforme l’information de base à transmettre en un signal modulé. En démodulation, il remet sous forme initiale l’information reçue par la station afin qu’elle soit exploitable. Equipements différents Les stations terrestres peuvent être de diverses échelles. Les grandes stations, dont les antennes paraboliques peuvent avoir jusqu’à 30 m de diamètre, permettent de collecter les communications d’une zone à un niveau international. Très onéreuses, elles sont réservées aux grands opérateurs : on en dénombre actuellement plus de 150 dans le monde. On développe maintenant des stations plus légères, les VSAT* (Very Small Aparture Terminal), qui sont dotées d’antennes paraboliques d’1 m de diamètre. Accessibles à des entreprises et des particuliers en raison de leur coût relativement modeste, ces stations peuvent être installées en une demi-journée. 2.4 Constellation de satellites Teledesic La constellation de satellites Teledesic sera adoptée comme modèle de réseau satellitaire à basse orbite dans les simulations, c’est pourquoi nous en donnons une analyse détaillée. Teledesic est une association de plusieurs acteurs dans l’industrie des satellites, y compris Motorola, Microsoft, Boeing, Nextel, et Matra Marconi, Motorola étant l’actionnaire le plus important. Teledesic utilise 288 satellites volant à une altitude inférieure à 800 miles. Ceci veut dire que Teledesic volera plus bas que les autres systèmes, ce qui se traduit en : * plus de bande passante par région (zone de couverture par satellite plus réduite) * terminaux plus petits (puissance requise moindre puisque les satellites sont plus rapprochés). Le tableau ci-après comprend les principales caractéristiques de l’orbite des satellites Teledesic (pour comprendre plus clairement la signification des termes figurant dans ce tableau, voir l’annexe A).

Teledesic Altitude 1375 km Plans 12 Nombre de satellites par plan 24 Inclinaison (deg) 84.7 séparation Interplan (deg) 15 Séparation de frontière (seam) (deg) 15 Elevation (deg) 40 Intraplane phasing yes Interplane phasing no Nombre de ISLs par satellite 8 Bandepassante ISL 155 Mb/s Up/downlink bandwidth 1.5 Mb/s Cross-seam ISLs yes ISL latitude threshold (deg) 60 Nombre de canaux 2500 Fréquences (GHz (environ)) 19↓28.8↑ Méthode d’accès CDMA Vitesse de transmission des données (ou Bit Rate) 64Mbit/s↓2-64 Mbit/s↑ Longévité 10 ans Coût 9 Billions de dollars

Table 2.1 Caractéristiques de la constellation Teledesic. Optimisation de l’accès Low Earth Orbit LEO Mémoire de fin d’études – Réseaux de télécommunications Université Saint-Joseph, Faculté d’Ingénierie Sommaire :