Les réseaux  satellites.
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1. Fonctionnement d'un réseau satellite.
 
                   1.1 Fonctionnement d'une laiason satellite.
                   1.2 Le principe de fonctionnement d'une station de transmission.   
2. Les protocoles satellites.

                  2.1 Le protocole d'invitation à émettre ou POLLING.
                  2.2 Le protocole ALOHA.
                  2.3 Le FDMA.
                  2.4 Le TDMA.
                  2.5 Le CDMA.
     

1. Fonctionnement d'un réseau satellite.

Le principe d'une liaison satellite repose sur une montée (Up Link) et une descente (Down Link). Le satellite ne joue que le rôle d'un répéteur de signaux.
 
1.1 Principe de fonctionnement d'une station de transmission.

Le schéma suivant précise les différents éléments d'une station de transmission :
 
1.1.1 L'antenne.

C'est un composant clé de la station. Ces caractéristiques influent directement sur les performances des transmissions. Quatres paramètres de ce composant sont à considérer dans son choix. Ce sont : la Puissance Rayonée Equivalente (PIRE), le gain (d'émission et de reception), le diamètre et l'efficacité.

1.1.2 L'amplificateur de puissance.

Cet élément de puissance de la chaine de transmission a pour but d'adapter en puissance (fournir un signal ayant une énergie suffisante) le signal mis en forme par le convertisseur d'émission.

1.1.3 Le convertisseur d'émission (Up Converter).

Le nom de cet élément par le fait qu'il met en forme le signal qui sera transmis au satellite par la station. On parle souvent de liaison montante, d'ou le nom en anglais de "Up Converter".

Ce module effectue un traitement de signal à émettre. Dans un premier temps, il élabore une porteuse à 70 MHz qu'il module ensuite avec le signal à transmettre. Après cette modulation, il filtre le signal obtenu de facon à limiter l'étendue du spectre de la porteuse modulée.
Une fois le filtrage réalisé, la porteuse modulée subit une transposition de fréquence de facon à l'amener à sa fréquence d'émission. Enfin, le signal transposé est amplifié pour atteindre un niveau d'émission correct.

1.1.4 Le convertisseur de réception (DownConverter).

Ce convertisseur fait partie de la chaine de reception de la station de télécommunications. Il convertit la fréquence du signal capté par l'antenne en une fréquence de plus faible valeur appelée fréquence intermédiaire. Ainsi, par ce changement de fréquence, l'information pourra être traitée par la chaine électronique adéquate. Ce convertisseur comporte également un filtre passe-bande qui élimine les signaux de fréquence image du signal à traiter.

1.1.5 Le modem.

En modulation, il transforme l'information de base à transmettre en un signal modulé. Plusieurs types de modulation sont employées à l'heure actuelle. En demodulation, il remet sous sa forme initiale l'information recue par la station afin qu'elle soit exploitable.

2. Les réseaux satellitaires.

La plupart des techniques d'accés multiples concernent principalement les réseaux LAN. Toutefois dans le monde des réseaux WAN à base de satellites on utilise aussi de tels mecanismes, qui relèvent plutot du multiplexage. C'est l'objet de cette section que d'analyser brièvement quelques uns des problemes associés aux réseaux WAN à base de satellites et plus particulièrement quelques protocoles imaginés et developpés spécialement pour les satellites.

Un satellite de télécommunication est généralement géostationnaire, il est équipé d'une douzaine de transpondeurs ou répéteurs. Un répéteur diffuse un faisceau d'ondes radio qui dessert ou éclaire une portion plus ou moins importante de la surface terrestre: les faisceaux larges (wide beam) peu concentrés, qui offrent une vaste couverture, une zone allant jusqu'à 10 000 km de diamètre et plus, les faisceaux fins (spot beam) trés concentrés qui couvrent par exemple une zone de 250 km de diamètre. Les stations terrestres à l'intérieur de la zone de couverture peuvent émettre des trames à destination du satellite dans la bande de fréquences du canal montant (uplink channel). Le satellite recevant ces trames se charge de les retransmettre vers la surface terrestre sur la bande du canal descendant (downlink channel). C'est le role du répéteur que de transposer les trames reçues d'une bande de fréquences dans une autres bandes de fréquences, tout en amplifiant les signaux correspondants. Les bandes de fréquences des canaux montant et descendant sont différentes afin d'éviter des interférences et des brouillages intempestifs au niveau du satellite. Certains satellites n'effectuent aucun traitements des signaux reçus, ils se contentent simplement de les réflechir vers la terre comme un miroir. on les appelle des satellites à refraction.

Les antennes du satellite permettent de pointer vers une zone terrestre. On distingue divers types d'antennes, certaines sont émettrice et réceptrices, certaines sont multifaisceaux. La zone de couverture est étroitement liée à l'antenne.

Comme pour les réseaux locaux, le problème majeur du satellite consiste à attribuer judicieusement les différents canaux du répéteur. Cependant, contrairement à ce qui se passe pour les LAN, en raison du temps de propagation important, de l'ordre de 270 ms, il est impossible de surveiller l'activité du canal que l'on souhaite utiliser. En effet, lorsqu'une station écoute un canal descendant, elle reçoit ce qu'il a émis 270 ms plus tot et elle ne possède aucun moyen de connaitre l'état du répéteur à l'instant d'écoute. L'écoute d'un canal montant est impossible. En conséquence, les protocoles de type CSMA/CD sont inutilisables avec les réseaux satellitaires. En effet, avec CSMA/CD une station qui transmet un signal peut détecter une collision au cours des quelques premiers bit qui suivent, et donc, cesser sa transmission lorsqu'une collision apparait; cela est rigoureusement impossible avec un réseau satellitaire. Il est donc nécessaire d'utiliser pour ces réseaux des protocoles d'accés multiples spécialement adaptés aux satellites.

On peut distinguer cinq protocoles d'accés aux canaux montants des satellites :
 

• le protocole ALOHA,
 
• le protocole d'invitation à émettre ou Polling,
 
• le protocole FDMA,
 
• TDMA,
 
• et enfin CDMA.
 

2.1 Protocole d'invitation à émettre (POLLING).

Une technique traditionnelle d'allocation d'une ressource unique (un canal dans notre cas) entre plusieurs compétiteurs consiste à effectuer une consultation ou une interrogation organisée des divers compétiteurs en les invitant à émettre à tour de role. C'est à dire obliger le satellite à interroger chaque station, afin de voir si elle a une plusieurs trames à lui transmettre, est hors de  propos du point de vue des performances, étant donné le temps requis (au moins 270 ms) par interrogation et par réponse, pour chaque station.

En revanche, si toutes les stations terrestres sont reliées par exemple à un réseau à transmission de données par paquet (c'est souvent le cas), l'idée ci-dessus peut etre concevable. La matérialisation de cette idée consiste, par exemple, à inserer toutes les stations sur un anneau logique organisé sur le réseau à transmission de données, de telle façon que chaque station connaisse l'adresse de son prédécesseur et de son successeur sur l'anneau. Il suffit ensuite sur cet anneau logique terrestre, de faire circuler un jeton.

Le satellite ne voit jamais le jeton. C'est la station qui a le jeton qui a le droit d'émettre sur le canal montant vers le satellite. Si le nombre de stations est petit et constant, le temps de circulation du jeton est faible. Si le temps de transmission de la salve des signaux (burst) sur le canal montant est beaucoup plus important que le temps de rotation du jeton sur l'anneau, l'efficacité de cette technique est moyenne.

2.2 Protocole ALOHA.

Le protocole ALOHA a été développé par l'université d'Hawai pour l'interconnexion des sites informatiques répartis sur les différentes iles de l'archipel. Le principe en est extremement simple : dès qu'une station a besoin d'envoyer une information, elle l'émet. Sans aucune précaution particulière. S'il y a collision, elle attendra un temps aléatoie avant de procéder à une nouvelle réemission. Dans le cas d'un réseau satellitaire, ce principe conduit à une efficacité assez faible du canal qui avoisine 18%. Il est certain qu'un tel taux d'utilisation d'un canal satellite est inacceptable vu le cout de mise en oeuvre d'un réseau satellitaire.

Afin de minimiser cet inconvenient, le protocole ALOHA Séquencé (Slotted Aloha) a été conçu peu de temps aprés. L'idée de base consiste à découper l'accés au canal en tranche de temps. Chaque station ne pourra alors accéder à la tranche (slot) qu'au début de celle-ci et uniquement pour la durée d'un slot. De la sorte, si une station réussit à commencer une émission, elle est ceratine de la terminer correctement. Cette variante du protocole ALOHA supporte mieux la charge. Son efficacité maximum théorique est de 37%.

En revanche un problème majeur apparait : comment synchroniser toutes les stations entre elles afin qu'elles puissent savoir simultanément quand un intervalle de temps (un slot) commence ? Heureusement, le satellite lui-meme à la reponse; elle est en effet inhérente aux systèmes à diffusion. Une station terrestre particulière, la station de référence, transmet périodiquement un signal spécial, qui aprés rediffusion par le satellite, est reçu par toutes les stations; ce qui leur permet de fixer l'origine des temps (c'est une action de synchronisation temporelle). Si chaque slot dure un temps xt, chaque station sait alors exactement quand le slot k commence; un temps kxt aprés l'origine temporelle. Comme les horloges des stations peuvent avoir de très légères différences de fréquence et surtout de phase, une resynchronisation temporelle fréquente et périodique entre les stations est nécessaire. Une complication additionnelle est liée au fait que le temps de propagation des signaux de chaque station vers le satellite est quelque peu différent; cet effet est toutefois bien maitrisé et il est possible de le corriger.

2.3 Prtocole d'accés multiple par répartition en fréquence. (AMRF ou FDMA).

La technique d'Accés Multiple par Répartition en Fréquence, AMRF (FDMA, Frequency Division Multiple Acess), est sans doute la plus ancienne et probablement encore aujourd'hui la plus utilisée des techniques d'accés multiples dans le domaine des satellites. Cette technique est basée sur le multiplexage fréquentiel AMRF ou FDMA. Typiquement un répéteur peut disposer par exemple d'une bande passante de 36 Mhz partagée en quelques 500 sous-bandes de fréquences (une sous-bande par canal de communication). Cela garantit, outre le partage de la bande passante, l'abscence d'interferences entre les divers canaux.
 


 
 
Bien qu'elles paraissent simple, la technique FDMA présente quelques difficultés. Tout d'abord, pour éviter les interférences entre sous-bandes, il est nécessaire de prévoir un espace de protection interbande suffisant pour garantir une séparation effective et efficace des canaux. Cette contrainte existe car il est possible de concevoir des émetteurs qui n'émettent que sur la bande de fréquence alloueé; il y a toujours une certaine dispersion sur les fréquences avoisinantes(qui va en s'atténuant avec l'éloignement fréquentiel). La somme des fréquences perdues dans les espaces interbandes peut représenter une fraction substantielle de la bande passante totale du répéteur.

Ensuite, la puissance d'émission des stations est (et doit etre) rigoureusement controlée. Si une station émet des signaux d'une puissance trop importante dans la sous-bande qui lui est attribuée, elle pertubera d'autant plus les fréquences avoisinantes, arrivant jusqu'à déborder dans les sous-bandes adjacentes dons à perturber les stations voisines. Enfin la technique FDMA est une technique entièrement analogique. Elle ne se prete pas bien, de ce fait, aux implementations logicielles.

Si le nombre de stations est fixe et petit, les sous-bandes de fréquences des canaux peuvent etre attribuées de façon statique, à l'avance. En revanche, lorsque le nombre de stations augmente ou que la charge du trafic fluctue rapidement, une forme d'allocation dynamique des sous-bandes est nécessaire. Un système très souple d'assignation à la demande appelé accés multiple à porteuses monovoies peut etre mis en place; les proteuses sont attribuées par commutation ou permutation, au cas par cas, selon les besoins entre les stations terrestres. Un tel mécanisme, le système SPADE (Single channel per carrier PCM multiple Acess Demand assgnment Equipment), fut mis en place sur les premiers satellites INTELSAT. Chaque répéteur SPADE était divisé en 794 canaux PCM simplex (voies téléphoniques numérisées à 64 kbits/s) associés à un canal commun de signlisation à 128 kbit/s. Les canaux PCM étaient affectés par paires aux stations pour offrir un service de communication duplex. Le débit global du répéteur était de 50Mbit/s sur la liaison descendante.

Les signaux numériques PCM modulaient en phase les ondes porteuses de sous-bandes attribuées aux canaux avant leur transmission vers le satellite. Le canal commun de signalisation était divisé en trames temporelles de 50 ms. Chaque trame temporelle était elle-meme subdivisée en 50 slots de 1 ms (chaque slot comprenant 128 bits). Chaque slot était affecté à une station parmi 50 stations terretres. Lorsqu'une station avait des données à transmettre, elle choisissait au hasard un canal inutilisé et inscrivait le numéro de ce canal dans son prochain slot de 128 bits sur la trame suivante du canal de signalisation. Si le canal choisi était encore libre lorsque la demande revenait sur le canal descendant, il était alors considéré comme attribué à la station qui l'avait demandé; les autres stations stations s'abstenaient de tenter d'accéder à ce canal. Si deux stations ou plus essayaient de s'attribuer un meme canal pendant la meme trame, une collision apparaissait. Les stations devaient alors renouveler leur tentative d'accés ultèrieurement. Lorsqu'une station avait fini d'utliser un canal, elle transmettait le message "Fin d'utilisation du canal" dans son slot sur le canal commun de signalisation.

2.4 Protocole d'accés multiple par répartition dans le temps. (AMRT ou TDMA).

Tout comme FDMA, le prtocole d'Accés Multiple par Répartition dans le Temps, AMRT (TDMA, Time Division Multiple Acess), est bien connu et très utilisé dans le mond des satellites. La technique TDMA est basée sur le multiplexage temporel AMRT ou TDM. Elle nécessite de façon impérative une action de synchronisation temporelle des slots cadençant les échanges. Comme nous l'avons vu dans le cadre du protocole ALOHA séquencé, cela peut etre réalisé au moyen d'une station qui sertde référentiel temporel. De façon semblable à ce qui se passe pour le protocole FDMA, pour un petit nombre fixe de stations, l'allocation des slots aux stations peut etre faite à l'avance et durablement. Mais, pour un nombre de stations qui fluctue, ou pour un nombre faible de stations présentants des variations de charge très importantes, il est plus efficace d'affecter les slots de façon dynamique.
 
 


 
 
Le processus d'allocation des slots peut etre fait selon un schéma centralisé ou réparti. Analysons, par exemple, celui du système ACTS (Advanced Communications Technlogy Satellite) qui a été conçu pour un douzaine de stations. Le projet en lui-meme a été lancé en 1992, il dispose de quatre canaux à accés multiples de type TDMA, à 110 Mbit/s : deux canaux montants et deux canaux descendants. Chaque canal est organisé en une suite de trames de 1 ms, chaque trame contenant 1 728 slots. Chaque slot dispose d'une charge utile de 64 bits ce qui lui permet de porter un canal vocal numérisé à 64 kbit/s.
Le faisceau du satellite peut etre commuté (déplacé) d'une zone géographique à une autre, mais comme cette action peut durer pendant quelques slots, l'ensemble des canaux destinés aux stations d'une meme zone géographique sont normalement affectés à des slots contigus afin d'augmenter le temps d'arret (ou de vise) vers une zone terrestre (dwell time) et de minimoser le temps perdu dans le mouvement du faisceau. La gestion du déplacement du faisceau exige une connaissance approfondie de la géographie des stations afinde minimiser le nombre de slots perdus. Pour cela, et bien d'autres raisons, la gestion des slots est effectuée par l'une des stations terrestres, la station de supervision maitresse, MSC (Master Control Station).
L'opération de base du système ACTS est un processus continu à trois étapes, dont chacune dure 1 ms. A l'étape 1, le satellite recoit une trame et la stocke temporairement dans une mémoire tampon interne de 1 728 bits. A l'étape 2, un ordinateur de bord recopie chaque entrée vers la sortie correspondante (avec le plus souvent un changement d'antenne). A l'étape 3 , la trame mémorisée est transmise sur le canal descendant associé à la sortie sélectionnée.
Au début toute station se voit affecter au moins un slot. Pour acquérir des canaux additionnels (des slots) afin de pouvoir émettre de nouveaux appels vocaux, une station émet un court message à destination  de la station MSC. De façon similaire, une station peut libérer un canal (ou plusieurs), dèes lors qu'elle n'en a plus besoin, en envoyant un message à la station MSC. Ces messages à destination de la station MSC nécessitent de transmettre un surplus de bits en complément des bits utiles. Ils transitent ainsi sur canal spécial de service entre la station de supervision MSC et les stations du réseau; la capacité de ce canal est de13 messages/secondes et par station. Les canaux de service sont dédiés par station, il n'y a donc aucun risque de contention pour y accéder.
Comme avec FDMA, dans le cas de TDMA il est également possible de pratiquer l'allocation dynamiquedes slots. Nous en présentons ci dessous trois techniques. Dans chacune d'elles les trames TDM sont divisées en slots et constituent des groupes de slots. Selon la méthode utlisée, chaque slot est affecté ou non à une station. En affectation de slot, la station propriétaire d'un slot peut l'utiliser quand elle le souhaite.
 
• la première technique,

Une première technique, s'apparantant au protocole ALOHA séquencé, suppose qu'il y a plus de slots que de stations et que chaque station a un slot propre qui lui est affecté (Binder,1975). Les slots supplémentaires n'ont pas d'affectation. Si le propriétaire d'un slot ne l'utilise pas pendant un groupe, le slot devient inoccupé. Un slot vide signifie à toutes les stations que son propriétaire est inactif. Au cours de la trame suivante ce slot peut etre utlisé par n'importe quelle station; en cas de contention, l'attribution du slot se fait sur la meme base que celle utlisée avec le système ALOHA séquencé. Si la station propriétaire du slot souhaite le récuperer, elle se met à transmettre dès l'apparition de son slot afin de provoquer une collision (au cas où une autre station s"en est emparée temporairement). En réponse à une collision sur un slot, toutes les stations doivent se dédister hormis celle qui en est propriétaire. Cela permet à cette station de récupérer son slot dés le goupe suivant. Ce principe permet à toute station de pouvoir transmettre lorsque son slot se présente; dans le pire des cas(en cas de collision) la station doit attendre un temps égal à deux groupes consécutifs. En cas de faible taux d'utilisation du canal un tel système n'est pas aussi performant qu'un système ALOHA séquencé. En effet, suite à une collision les stations concernées doivent s'abstenir de transmettre sur le slot en contention pendant au moins une trame  afin de savoir si c'est la station propriétaire du slot qui souhaite le récupérer. La figure suivante montre un groupe comprenant huit slots, sept slots sont affectés aux stations G, A, F, E, B, C et D, respectivement. Le huitième slot est sans affectation, toute station peut donc tenter de se l'approprier lorsqu'elle en a besoin.
 

• la seconde technique,

Une seconde technique est applicable, meme si le nombre de stations est inconnu ou s'il varie dynamiquement. Dans cette technique, les slots n'ont pas d'affectation propre comme dans la technique precedente. Les stations entrent en compétition selon le protocole ALOHA séquencé pour accéder à un slot. Chaque fois qu'une station réussit à transmettre, le slot qu'elle a utilisé peut etre à nouveau réutilisé au cours du groupe suivant si la station en a besoin. En fait, aussi longtemps que la station aura des données à transmettre, elle pourra conserver le slot. Cette technique s'apparente à un mélange entre TDMA et ALOHA séquencé, avec un nombre de slots attribué aux stations qui varie selon la fluctuation des demandes et la charge du système. La figure suivante montre un groupe comptant huits slots. On peut constater, lors du premier groupe, que la station E utilise le huitième slot et, deux groupes plus tard, qu'elle l'a libéré. Ce slot reste libre pendant un groupe, puis la station D le prend et l'utilise tant qu'elle en a besoin.
 

• la troisième technique,

Une troisième technique, due à Roberts(1973), exige que les stations émettent une demande d'accés avant de commencer une transmission. Chaque groupe contient un slot spécial qui est divisé en un nombre V de sous-slots utilisés pour formuler les demandes de réservation. Lorsqu'une station souhaite transmettre, elle diffuse dans un sous-slot choisi de façon aléatoire un court message de demande de réservation. Si la réservation aboutit i.e qu'il n'y a pas eu de collision), le prochain slot disponible qui suit lui sera réservé. Ainsi, toute station effectuant avec succés une réservationconnait l'emplacement du slot qui lui est attribué. Les stations n'ont pas besion de savoir qui est bénéficiaire des réservations, elles se contentent de savoir combien de réservations sont effectives. Quand il n'y a plus de demande de réservation, tous les slots deviennent des sous-slots de réservation, ce qui permet d'accélerer le processus de réservation.

2.5 Le protocole CDMA.
 
Un signal d'un debit numérique peut être étalé sur une bande passante grâce à un code d'étalement, "spread spectrum". L'utilisation de plusieurs codes d'étalement permet de multiplexer plusieurs signaux sur une même bande passante. Le signal émis par une station est combiné avec un code pseudo-aleatoire de telle facon qu'il occupe la totalité de la bande disponible. Les signaux émis par les stations terriennes se chevauchent tous, la station réceptrice doit corréler le signal recu avec le même code pour décrypter ce signal.
 

Cette technique tend à gaspiller la bande passante mais en contre partie génère une transmission d'une grande robustesse aux interferences permettant de limiter la puissance de transmission. Or on cherche habituellement, pour des raisons de coûts et de taille des stations, à diminuer la puissance des transmissions et non pas la largeur de la bande utilisée.