I. LES TRANSMISSIONS PAR SATELLITE

1. Introduction

Le but d’une transmission par satellite est d’assurer une liaison radiofréquence Intercontinentale pour permettre la transmission de l’information. Le concept de télécommunication par satellite a été décrit pour la première fois par Arthur C. Clarke en 1845 dans la revue Wireless World. Le premier satellite fut lancé en 1957, il s’agit d’un satellite Russe (ex URSS) nommé SPOUTNIK1.

Il existe de nombreux systèmes de télécommunications par satellite dont le plus grand Intelsat regroupe une centaine d’Etats avec une constellation de 24 satellites à travers 6 séries différentes (Intelsat1, Intelsat2, …, Intelsat6). L’expansion de la technologie satellitaire a favorisé de nombreux progrès dans des domaines divers et variés tels que la météorologie, la téléphonie mobile, la télévision par satellite, le transfert de données, le guidage par satellite(GPS), l’Internet et bien d’autres encore.

C’est dans ce cadre que nous nous pencherons sur les différents aspects de cette technologie, notamment l’architecture d’un système satellitaire, son principe de fonctionnement ainsi que les différentes techniques utilisées à bord afin de mieux cerner ses exigences par rapport à son application au sein du réseau de la BEAC.

2. Architecture d’un système de transmission par satellite

Un système de transmission par satellite est composé :

d’un segment spatial d’un segment terrien 

CHAPITRE I : PRESENTATION GENERALE SUR LES RESEAUX SATELLITAIRES

Fig : Composantes d’un système de télécommunications par satellite2.1 Le segment spatial

Le segment spatial est constitué du satellite et de l’ensemble des moyens de contrôles situés au sol, notamment l’ensemble des stations de poursuite, de télémesure et de télécommande(TT&C) ainsi que le centre de contrôle du satellite, où sont décidées toutes les opérations liées au maintien à poste et vérifiées les fonctions vitales du satellite.

Les moyens de contrôle au sol sont en charge de la mise et du maintien en orbite du satellite, de la programmation de la mission ainsi que de la fourniture des données et des services aux responsables de ces systèmes de communications satellitaires.

Tout satellite comporte une charge utile, constituée par les instruments liés aux objectifs de la mission et une plateforme de service comportant tout ce qui est nécessaire pour assurer le bon fonctionnement des instruments pendant la durée de la mission.

Parmi les contraintes particulières au milieu spatial, on peut citer :

Les contraintes d’autonomie énergétique Les contraintes thermiques Les contraintes mécaniques Les contraintes de masse

La charge utile comprend d’une part les instruments spécifiques, et d’autre part une case à équipements qui contient les enregistreurs de données et l’informatique à bord.

La plateforme comporte un module de service et un module de propulsion. Ces deux modules regroupent ce qui est nécessaire à l’autonomie énergétique du satellite, à sa bonne orientation dans l’espace, aux

corrections éventuelles de trajectoires, à sa communication avec les stations au sol. La plateforme héberge en outre les sous-systèmes permettant le fonctionnement de la charge utile, notamment :

La structure L’alimentation électrique Le contrôle thermique Les équipements de propulsion Les équipements de poursuite, de télémesure et de télécommande

(TT&C)

Pour assurer un service avec une disponibilité donnée, un système de télécommunication par satellite doit disposer de plusieurs satellites afin d’assurer une redondance. Une panne à bord peut mettre le satellite hors d’usage ou il peut arriver en fin de vie, il faudrait pour cela trouver un moyen d’assurer la continuité de service. C’est pourquoi il est important de faire la différence entre la disponibilité et la durée de vie d’un satellite :

La fiabilité est une mesure de la probabilité de panne et dépend de la fiabilité des équipements et des schémas de redondance ;

La durée de vie est liée uniquement à la possibilité pour le satellite d’être maintenu à poste dans une attitude nominale, c’est-à-dire à la quantité de carburant disponible pour le sous-système de propulsion et de contrôle d’attitude et d’orbite. On prévoit en général, pour un système, un satellite opérationnel, un satellite de secours en orbite et un satellite de secours au sol. La fiabilité du système fait intervenir la fiabilité de chacun des satellites mais aussi la fiabilité du lancement.

2.2 Le segment terrestre

Le segment terrestre comporte l’ensemble des stations terriennes au sol ainsi qu’une partie contrôle qui assure la collecte et le traitement des données, puis la diffusion des services aux usagers.

Les stations se distinguent par leur taille qui varie en fonction du volume de trafic à acheminer sur la liaison spatiale ainsi que du type de trafic offert (voix, données, téléphonie, etc).

Le positionnement des antennes au sol est déterminé par deux paramètres essentiels :

L’angle du site L’azimut

L’angle de site θ est calculé par la relation suivante :

cosθ= r+dθd

∗√1−cos2α∗cos2 λ

L’azimut de l’antenne est l’angle qu’elle doit faire avec le sud, il est donné par la relation suivante :

sin ( Az )= sin λ

√1−cos2α∗cos2 λAvec

r: Rayon de la terre (6378km)

dθ Altitude du satellite (35786 pour un satellite géostationnaire)

r+dθ: Distance centre terre – satellite (42164 km pour un satellite géostationnaire)

d : Distance Station – Satellite calculée par la formule suivante :

d2=dθ2+2 r (r+dθ ) (1−cosα cos λ )

2.3 Les orbites des satellites

Tous les satellites quel que soit leur utilité (d’observation ou de télécommunications) ont une orbite, c’est-à-dire des trajectoires spécifiques qui décrivent leur mouvement périodique lié à leur utilisation. On distingue trois types d’orbites : les orbites elliptiques, les orbites circulaires et l’orbite géostationnaire. Chaque orbite est caractérisée par sa vitesse et la distance qui la sépare de la terre.

Les Orbites elliptiques

Un satellite placé en orbite elliptique décrit une trajectoire en forme d’ellipse autour de la terre. Pour placer un satellite dans cette orbite, il faudrait que sa vitesse de lancement soit supérieure à 7900m/s (théories sur la gravitation de Newton). A cette orbite, les satellites subissent une grande variation de leur vitesse v qui dépend de leur masse m, la constante de gravitation G, de leur altitude ainsi que du demi grand axe de l’orbite a.

V 2=G∗m( 2h−1a )

Fig : orbite elliptique

L’inconvénient de ce genre d’altitude est la position du satellite qui n’est pas fixe pour un observateur terrestre. Cela implique de doter les antennes au sol de systèmes de poursuite automatique afin de rester synchronisées avec le satellite. Les orbites elliptiques sont bien adaptées pour la couverture des zones éloignées de l’Equateur.

Les orbites circulaires

Plusieurs types d’orbites circulaires existent dont chacune correspondent à une inclinaison par rapport au plan orbital. On distingue deux principales orbites circulaires : l’orbite circulaire polaire et l’orbite circulaire inclinée :

Fig : orbite circulaire inclinée et polaire

L’orbite circulaire polaire est une orbite circulaire qui passe au-dessus des deux pôles de la terre et peuvent au bout d’un certain temps couvrir toute la surface terrestre. Ces satellites sont essentiellement utilisés pour l’observation ou la communication différée.

Les satellites en orbite circulaire inclinée ne permettent pas de couvrir la surface du globe, puisque la plus haute latitude desservie correspond à l’inclinaison du plan orbital. Par contre, cette orbite possède un avantage est qu’il est possible de cibler les zones du globe, c’est-à-dire que l’on peut desservir les parties intéressantes d’un point de vue économique, militaire, etc.

L’orbite géostationnaire

Un satellite en orbite géostationnaire se déplace à la même vitesse que la terre, le fait le tour de la terre en 24 heures et paraît immobile pour un observateur terrestre. Dans cette orbite le satellite est placé à une

distance de 35786 Km d’altitude et peut couvrir une grande zone géographique.

Fig : orbite circulaire inclinée et polaire

Les satellites en orbite géostationnaire utilisent des antennes fixes au sol, ils présentent l’inconvénient d’être bas sur l’horizon lorsqu’ils couvrent des zones éloignées se rapprochant des pôles. Les signaux à transmettre parcourant une grande distance, subissent des atténuations plus importantes, et mettent plus de temps pour arriver sur terre. Ce genre de satellite est mieux adapté pour des applications en mode connecté qui nécessitent une connexion instantanée.

Dans le cas de la BEAC, l’utilisation d’un satellite géostationnaire permet d’avoir des stations VSAT fixent au sol sans système de poursuite.

Les services dans les transmissions par satellite

Les trois principaux systèmes de transmission par satellite sont : Le service fixe par satellite (SFS): c’est un service de

radiocommunication entre stations terrestres situées en des points fixes déterminés ;

Le service mobile par satellite (SMS: c’est un service de radiocommunication entre des stations mobiles et d’autres mobiles ou des stations du service fixe. On distingue trois classes des services mobiles par satellite, notamment le service avec station mobile terrestre, le service maritime avec des stations à bord et le service aéronautique avec des stations à bord ;

Le service de radiocommunication par satellite(SRS) : c’est un service de radiocommunication dans lequel des signaux retransmis par satellite sont destinés à être reçus par des antennes de faibles diamètres généralement installées chez l’utilisateur final.

3. Les bandes de fréquences utilisées

En fonction de leur mission, les antennes des satellites sont conçues afin de couvrir des zones précises de la planète, qui peuvent aller de la taille d’un pays à celle de plusieurs continents.

Les conditions climatiques de la zone à desservir privilégient l’usage de certaines bandes de fréquences. Les plus basses fréquences offrent une meilleure résistance à la rencontre de fortes pluies et les plus hautes permettent de réduire la taille des antennes au sol.

BandeBande UHF

Bande S-DAB

Bande LBande

SBande C

Bande Ku

Bande Ka

Fréquence

235 MHz à

400 MHz

1,452 GHzà

1,492GHz

1,518 GHz à

1,675 GHz

1,97 GHzà

2,69 GHz

3,4 GHz à

7,025 GHz

10,7 GHz à

14,5 GHz

17,3 GHz à

30 GHz

Services

Services mobiles militaires

Diffusion de TV et Radio

Services mobiles civils

Diffusion de TV, radio et données vers mobiles

Diffusion de TV, radio et données, connexion Internet

Diffusion de TV, radio et donnéesConnexion Internet

Service IPRadio et donnéesConnexion Internet

Tableau : Bandes de fréquences avec leurs principaux domaines d’utilisation

Afin de permettre à plusieurs satellites d’être sur une même position orbitale, ces derniers doivent se partager des fréquences. C’est pourquoi l’UIT a mis en place une réglementation spécifique et stricte concernant la répartition des fréquences. Cette réglementation définit les positions orbitales des satellites ainsi que les bandes de fréquences qu’ils doivent utiliser. Chaque satellite doit respecter sa position et sa bande.

Pour couvrir le globe terrestre, il existe une répartition géographique en trois régions :

La région 1 :( Europe, Afrique, Moyen-Orient et la Russie) ; La région 2 : (Asie, Océanie) ; La région 3 : (Amérique)

4. Les politiques d’accès aux canaux satellites

La communication entre une station terrestre et son satellite se fait en full duplex, c’est-à-dire dans les deux sens à la fois. Ceci est permis grâce à l’utilisation de deux fréquences différentes : une pour le flux montant et une pour le flux descendant. Les techniques de partage des canaux satellites sont appelées les méthodes d’accès au support. On classifie les techniques d’accès en trois grandes catégories :

Les politiques de réservation Les politiques d’accès aléatoire Les politiques de réservation par paquets

4.1 Les politiques de réservation

Il existe deux principales techniques de réservation : le TDMA et le FDMA

L’accès multiple à répartition de fréquence (AMRF ou FDMA)

Dans cette méthode, on découpe la bande de fréquence allouée en n sous-bandes permettant à chaque station d’émettre indépendamment des autres liaisons. Chaque station terrestre possède donc ses propres équipements, notamment un modulateur, un émetteur, n répéteurs et n démodulateurs. De plus le satellite doit amplifier simultanément n porteuses. Il se crée donc nécessairement des produits d'intermodulation dont la puissance croît très rapidement avec la puissance utile : il peut y avoir perte de plus de la moitié de la capacité de transmission par rapport à un accès unique. On évite les collisions en répartissant le canal entre les divers utilisateurs.

On constate donc les limites de cette technique puisque, si une ou plusieurs stations sont inutilisées, il y a perte sèche des bandes correspondantes. Si l'on veut rendre cette politique dynamique en répartissant la fréquence allouée entre les utilisateurs actifs, ou si l'on veut introduire une nouvelle station dans le réseau, il faut imposer une nouvelle répartition des fréquences, ce qui pose de nombreux problèmes et ne peut se faire que sur des tranches de temps assez longues.

L’accès multiple à répartition de temps (AMRT ou TDMA)

On découpe le temps en tranches que l'on affecte successivement aux différentes stations terrestres.

Toutes les stations terrestres émettent avec la même fréquence sur l'ensemble de la bande passante, mais successivement. A l'opposé du fonctionnement en FDMA, chaque station doit être équipée d'un seul récepteur démodulateur.

Chaque tranche de temps est composée d'un en-tête qui a plusieurs fonctions : les premiers éléments binaires sont utilisés pour l'acquisition des circuits de recouvrement de porteuse et de rythme du démodulateur. L'en-tête transmet également les informations nécessaires pour permettre d'identifier la station terrestre émettrice. De plus, il est nécessaire de synchroniser l'émission en début de tranche pour qu'il n'y ait pas de chevauchement possible. Il existe entre chaque tranche un intervalle réservé à cet effet.

Globalement, le rendement de la politique TDMA est bien meilleur que celui du FDMA. De plus, il est facile de découper de nouvelles tranches de temps si de nouvelles stations sont connectées sur le canal. La valeur de la tranche de temps varie selon l'application devant être supportée.

Dans le cas du transport de la parole en numérique sur un multiplex normalisé à 2MB/s, une tranche de temps est composé de 6 blocs de 125 µs. Les signaux transmis pendant cette tranche forment une trame de 750µs qui est précédée d’un en-tête. L'augmentation de la durée des tranches de temps diminue la fraction du temps perdu en en-tête et augmente l'efficacité de la transmission et le taux d'utilisation réel du canal satellite.

Toute la difficulté de la politique TDMA est de donner la main aux stations terrestres qui en ont réellement besoin, au bon moment et avec une tranche de temps la plus longue possible. Une politique d'allocation dynamique doit donc être utilisée. Les stations demandent, au fur et à mesure de leurs besoins, les tranches nécessaires pour écouler leur trafic. Ces demandes d'allocation ont, en revanche, le désagrément d'alourdir la gestion du système et d'augmenter sensiblement le temps de réponse, puisqu'il faut au minimum deux aller-retour avant d'obtenir de la station maître qui gère le système les tranches de temps correspondant à la demande. Dans le cas d'une application téléphonique, ce délai est inacceptable puisque déjà un seul temps de propagation aller-retour rend la conversation à la limite du compréhensible.

L’accès multiple à répartition de code(CDMA)

TDMA et FDMA sont deux exemples des systèmes orthogonaux, mais il y a des autres. CDMA est une technique de multiplexage par code. Chaque utilisateur reçoit en effet un code différent.

Cette technique permet d'éviter tout problème de synchronisation temporelle. De plus, CDMA partage le canal de façon dynamique. Il n'est pas nécessaire d'avoir une allocation rigide des ressources. On peut tolérer plusieurs usagers qui transmettent en même temps, jusqu'à un maximum.

4.2 Les politiques d’accès aléatoire

L'accès aléatoire consiste pour les stations terrestres à émettre dès qu'elles ont un paquet de données en leur possession. S'il y a collision, les stations terrestres concernées s'en aperçoivent puisqu'elles écoutent les signaux émis sur le canal. Les paquets perdus seront retransmis ultérieurement après un temps tiré de façon aléatoire pour éviter au maximum de nouvelles collisions.

Des améliorations ont été apportées à ce principe général. Trois catégories d'accès aléatoire s'en dégagent :

la technique de base nommée ALOHA la politique ALOHA en tranche les techniques de réservation ALOHA

5.3 Les politiques de réservation par paquets

Les politiques de réservation par paquet sont très nombreuses. Le dénominateur commun de ces méthodes réside dans la faculté de réserver à l'avance des tranches de temps pour les stations qui ont des paquets à émettre. 

CONCLUSION

A travers l’étude des télécommunications par satellite, nous avons pu comprendre les paramètres qui défissent les performances d’un satellite. Ces paramètres sont essentiels et contribuent à l’amélioration du temps de latence. Il s’agit des paramètres suivants :

Les zones de couverture du satellite ; La gamme de fréquences utilisées ; La puissance et la capacité de transmission ; La taille des antennes des stations terriennes ; Les techniques de modulation et de codage utilisé pour la

transmission des signaux.

BIBLIOGRAPHIE

Références

Ouvrages

[1] Claude Servin, « Réseaux et Télécoms », Dunod 2003. [2] ALTMAN (Eitan), FERREIRA (Afonso), GALTIER (Jérôme), Les réseaux satellitaires de

télécommunication : technologies et services, Ed. Dunod, coll. Informatiques, 1999

Sites web

[3] http://www.techniques-ingenieur/ transmission de données par

satellite

[4] http://www.techniques-ingenieur/ systèmes de télécommunications

par satellite