Enseigner les communications par satellites avec la radio

Enseigner les communications par satellites avec la radio-logicielle
Laurent Franck, Huyen Chi Bui et Marine Campedel
{laurent.franck, huyen.bui}@telecom-bretagne.eu, [email protected]
Institut Mines-Télécom ; Télécom Bretagne
Institut Mines-Télécom ; Télécom ParisTech ; CNRS LTCI
RESUME : Nous proposons un témoignage d’exploitation d’une plateforme de radio-logicielle pour l’enseignement
des communications par satellites. Cette plateforme permet, à un coût raisonnable, de proposer un cadre d’apprentissage
stimulant et riche, à nos étudiants ingénieurs. Nous détaillons la plateforme et son usage pédagogique, en nous appuyant
également sur une enquête récente effectuée auprès des élèves de deux années précédentes.
Mots clés : dispositif pédagogique, retour d'expérience, radio-logicielle, apprentissage actif, compétences.
1 INTRODUCTION
Depuis plus de trente ans, le cursus Space Communications Systems (SCS) [6] situé à Toulouse forme des
futurs spécialistes des techniques des communications
spatiales. Ce cursus animé conjointement par l’INPTENSEEIHT, l’ISAE et Télécom Bretagne se décline
sous plusieurs formes (filière ingénieur, mastère spécialisé) et accueille des élèves internationaux provenant
d’horizons académiques variés. L’approche système
promue dans la formation permet d’aborder la conception de satellites et services de télécommunications en
partant du traitement du signal jusqu’à la commercialisation des services. Cette approche soutient la visée
professionnalisante du programme. Elle permet de
former des spécialistes des télécommunications spatiales rapidement opérationnels auprès de grands
groupes tels que Airbus Defence & Space, Thalès Alenia Space, des agences spatiales nationales et européenne (p.ex. CNES, DLR, ESA) et des PME du tissus
industriel spatial.
Le développement des compétences d’élèves provenant
de viviers hétérogènes dans un cadre complexe et riche
en apprentissages variés (traitement du signal, communications numériques, réseaux) n’est pas sans présenter
des défis. Pour cette raison, un laboratoire expérimental
a été développé, qui met des équipements de communication (modems satellites, antennes) et des instruments
de mesure à disposition des élèves. Cette mise à disposition est réalisée de manière libre ou dirigée via des
projets encadrés. Dans ce contexte d’activités pratiques
deux constatations sont faites : (a) l’usage
d’équipements et d’instruments disponibles sur étagère
n’est pas suffisant pour satisfaire pleinement aux besoins pédagogiques et (b) accéder en émission à un
satellite présente un coût trop élevé pour un établissement académique. Et pourtant, cet accès est nécessaire
afin tester des chaînes de communication en réception
et émission.
L’émergence depuis 5 ans de produits abordables de
radio-logicielle répond à ce constat par des perspectives intéressantes. La radio-logicielle consiste à réaliser en logiciel (p.ex. sur un PC de bureau) des fonctions de télécommunications (modulation, filtrage)
jusque là traditionnellement implantées dans des circuits intégrés dédiés (ASIC). Les produits de radiologicielle sont souvent composés d’un couple (a) équi-
pement numérisant la réception des signaux RF et
transférant les échantillons vers un PC et (b) logiciel
(environnement de développement intégré et librairies)
permettent de traiter les signaux numérisés.
Dans le cadre du cursus SCS, nous utilisons depuis
deux ans la radio-logicielle pour (a) développer des
terminaux de réception satellite et (b) reproduire fidèlement en laboratoire (émuler), les conditions de
transmission au travers d’un canal satellite géostationnaire.
Cet usage de la radio-logicielle présente plusieurs
avantages. Les solutions mises en œuvre sont – par
définition – instrumentées et permettent une observation facile des techniques et phénomènes. Elles sont
également modulaires et économiques partageant
toutes la même plateforme matérielle. Enfin, elles favorisent la mise en place d’une équipe pédagogique
transdisciplinaire autour d’une plateforme matérielle
mutualisée. Cet aspect constitue également un challenge de la radio-logicielle : les domaines couverts par
sa mise en œuvre sont transverses.
Dans cet article, nous présentons tout d’abord le cadre
pédagogique dans lequel nous exploitons la radiologicielle. Puis nous exposons deux exemples
d’applications « élèves », afin de mesurer l’impact pédagogique de notre approche. Enfin nous concluons et
offrons quelques perspectives de ce travail. En outre
une enquête en ligne a été menée en avril/mai 2014
auprès des étudiants des 2 dernières années, avec un
taux de réponse de 21/25 ; les résultats publiés dans [6]
sont exploités au cours de l’article afin de mesurer
l’écart entre les attentes des enseignants et les ressentis
des élèves.
2 CADRE PEDAGOGIQUE
2.1 Développement d’une approche « programme »
basée sur les compétences
Le cursus SCS s’adresse à des (futurs) ingénieurs, en
fin de parcours ou à des personnes déjà diplômées
choisissant de se spécialiser dans les communications
spatiales ; il est donc important qu’il propose un cadre
pédagogique permettant le développement de compétences promues par la CTI (Commission des Titres
d’Ingénieurs), mettant chaque étudiant au cœur de son
apprentissage, ainsi que cela est conseillé dans [2].
Nous rappelons ci-dessous les 5 compétences présentées dans le rapport de la CTI [3].
« D’une manière générale la CTI considère que le métier d’ingénieur comporte cinq compétences essentielles :
• la maîtrise des sciences de base et de leur utilisation,
socle commun des connaissances et garantie de la rigueur d’analyse et du pouvoir d’adaptation, à long
terme, aux exigences évolutives des métiers,
• la maîtrise des sciences de l’ingénieur formant au
métier visé, garantes de l’efficacité et du pouvoir
d’adaptation, à court terme, du jeune ingénieur,
• la capacité à s’impliquer dans la recherche et à être
un vecteur d’innovation,
• l’assimilation de la culture d’entreprise et la compréhension du contexte économique, social, humain, environnemental, éthique, philosophique, ... permettant
notamment de s’intégrer dans un groupe et de le diriger efficacement,
• la capacité à communiquer dans un contexte culturel
international, sans se limiter à la langue anglaise, ce
qui permet l’exercice du métier et de la relation sociale
en tout lieu. »
Par l’intermédiaire d’une plateforme de radio-logicielle
détaillée ci-après, le cursus propose donc différents
dispositifs d’apprentissage actif, c’est-à-dire de dispositifs dans lequel l’étudiant agit explicitement pour
apprendre. La radio-logicielle devient ainsi un support
à l’apprentissage de concepts transdisciplinaires et à la
résolution de problèmes complexes, qui permettent aux
étudiants de développer leurs connaissances scientifiques, de les mobiliser sur des problèmes réalistes, à
l’aide de matériels/logiciels exploités dans l’industrie.
En outre, le programme est proposé en anglais et les
étudiants sont invités à écrire des rapports et faire des
exposés de leurs travaux dans cette langue; ces livrables sont pris en compte dans l’évaluation du cursus.
en binôme. Les sujets sont proposés par les enseignants
et les partenaires industriels, choisis par les étudiants,
qui doivent les réaliser en 10 semaines environ, en
autonomie. Quelques rendez-vous réguliers permettent
de suivre la méthodologie de gestion de projet et
l’avancement des étudiants. Dans notre enquête, 18/21
étudiants répondent qu’il est indispensable d’avoir des
projets avec une composante pratique, expérimentale.
La radio-logicielle présente ainsi une opportunité de
projets qui n’étaient pas possible auparavant, ainsi que
le confirment les étudiants ayant utilisé ces équipements (8/8). A la question duale de savoir si la radiologicielle apporte plus de complexité que d’avantages,
aucun étudiant n’a répondu positivement.
2.3 Installation matérielle
Les équipements de radio logicielle sont répartis en
deux pôles correspondant aux différents types de plateformes satellites : géostationnaire et en orbite basse.
Pour le pôle « géostationnaire », nous disposons
d’USRP NI-29201 qui sont positionnés entre des modems au standard DVB-S2 pour les aspects émulation
de canal (Figures 1 et 5). L’émulateur dont le logiciel
est installé sur un PC annexe (Figure 6), permet de modifier le rapport signal à bruit du signal transmis en
fonction de la configuration du système satellite émulé
(taille des antennes, présence ou absence de pluie sur le
lien montant/descendant, produits d’intermodulation
dans le transpondeur du satellite etc.). Pour un coût
matériel de 8 k€, il permet de traiter à la volée des porteuses modulées de 2 Mbaud en bidirectionnel.
2.2 Différentes propositions pédagogiques
La plateforme est essentiellement exploitée dans deux
contextes différents :
• Les bureaux d’étude (BE), assimilables à des dispositifs d’apprentissage par problème
• Les projets, généralement en binômes.
Pendant un BE, le matériel est mis à disposition des
élèves, sous la supervision de leur enseignant. Un problème est soumis aux élèves, qui doivent observer des
phénomènes, en faisant varier expérimentalement des
paramètres, et les expliquer. Une conférence disciplinaire peut ensuite être proposée, afin de consolider les
apports conceptuels de la séance. Dans notre enquête,
14/21 étudiants disent que cette façon de procéder (un
BE puis un cours transmissif) les a aidés à mieux comprendre le cours.
En outre, deux sessions de projets sont proposées au
cours du cursus (en plus du stage), à effectuer seul ou
Figure 1 : Principe de fonctionnement du banc
d’émulation de transmission satellite géostationnaire
Une autre installation du pôle « géostationnaire »
comprend un USRP NI-2920 qui est directement relié à
une antenne parabolique de 1.2 m installée sur le toit
du laboratoire. Cette installation est utilisée pour recevoir des signaux de référence appelés « balises » envoyés par les satellites et permettant d’évaluer à chaque
instant les conditions de propagation entre le satellite et
la Terre (p.ex. l’atténuation liée à la pluie). Ce banc de
test, développé par les élèves, n’est pas détaillé dans la
présente contribution.
1
Numériseur National Instruments couvrant de 50
MHz à 2.2 GHz avec une bande passante de 20 MHz, un port
TX et deux ports RX. Les échantillons sont transférés par
Ethernet.
Le pôle « orbite basse » est constitué d’une station
satellite incluant des antennes (VHF/UHF) orientables
en azimut et élévation (Figure 2), une chaîne de communication « historique » basée sur du matériel radioamateur (émetteur/récepteur et modem à base de
DSP) et une chaîne entièrement numérique articulée
autour d’un USRP NI-2920 (Figure 3). Un PC vient
compléter cette installation afin de piloter les antennes
pour le suivi de satellite et traiter le signal numérisé
provenant de l’USRP.
sentons dans les sections suivantes deux exemples
d'applications : la réception d’images météo NOAA et
l’émulation d’un canal de propagation géostationnaire.
3.1 Réception d'images météo par satellite
Cette application consiste à recevoir, démoduler et décoder les images météo diffusées par les satellites en
orbite basse opérés par la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). Ces satellites filment la surface de la terre dans le spectre visible et
infrarouge et diffusent à la volée chaque ligne de pixels
capturés. Dans le mode le plus simple, la résolution est
de 1 pixel pour 16 km2.
Le projet des élèves consistait à concevoir et développer sous LabVIEW™ un logiciel permettant de suivre
les satellites NOAA ainsi que de recevoir et décoder les
images météorologiques. Ce projet fait appel à plusieurs disciplines : la mécanique orbitale pour le pointage et le suivi des satellites, les communications radiofréquence (RF) pour la réception et la démodulation
des images et finalement le traitement du signal pour le
décodage et le post-traitement des images.
Figure 2 : Equipements extérieurs de la station « satellite en orbite basse » : antennes directives VHF et
UHF, positionneur azimut/élévation et amplificateurs
de mât.
Figure 4 : Parties de l’Europe et de l’Afrique par une
fin d’après-midi d’octobre 2013 (infrarouge à gauche,
spectre visible à droite).
Figure 3 : Equipements intérieurs de la station « satellite en orbite basse » : chaîne historique (étagère du
milieu) et numérique (étagère du bas).
3 EXEMPLES D'APPLICATION
Les avantages de l’utilisation de la radio logicielle dans
l’enseignement ont été confirmés lors de plusieurs projets d’élèves réalisés au sein du cursus SCS. Nous pré-
Quelle que soit la discipline abordée, la démarche proposée aux élèves est identique : état de l’art, définition
d’un algorithme à partir des informations récoltées,
mise en œuvre sous LabVIEW™ et validation. En prenant pour exemple le suivi de satellites, cela s’est décliné de la manière suivante : recherche d’un modèle de
propagation orbitale, prototypage sous MATLAB™
d’un algorithme suivant le modèle, portage sous LabVIEW™ et validation en deux temps. Dans un premier
temps, en comparant avec les résultats fournis par
d’autres outils disponibles sur Internet, ensuite par une
mise en pratique du suivi de satellites et la réception de
signaux. Le prototypage sous MATLAB™ a permis
aux élèves de travailler – dans un premier temps – avec
un outil qui leur est familier. Dans notre enquête, 13/21
étudiants disent que s’ils ne devaient choisir qu’un seul
outil entre MATLAB™ et LabVIEW™, ce serait MATLAB™ (et Simulink). Cependant les 8/8 élèves ayant
véritablement utilisé LabVIEW™ disent le préférer à
MATLAB™.
3.2 Emulation de canal satellite géostationnaire
Le but de cette application est de reproduire en laboratoire les phénomènes affectant la transmission d’un
signal au travers d’un satellite géostationnaire.
L’avantage de la radio-logicielle dans ce contexte est
triple. D’une part, c’est une solution économique lorsqu’elle est basée sur des équipements tels que les
USRP. Ensuite, les traitements inclus dans l’émulation
peuvent être adaptés en fonction de l’usage. Enfin,
l’émulation opère au niveau RF, ce qui est une condition nécessaire pour un niveau de représentativité élevé.
Dans ce contexte, cette plateforme soutient les activités
pédagogiques de trois manières. Premièrement en se
substituant à un accès satellite réel. Deuxièmement, en
proposant un lien satellite fictif dont on peut faire varier les caractéristiques à volonté, y compris pour simuler l’occurrence d’évènements rares : pluie inhabituelle,
orage magnétique ou forte interférence des canaux adjacents. Troisièmement en accueillant dans l’émulateur
des modules additionnels développés par des élèves
tels que l’intégration de modèles ITU d’atténuation liée
à la pluie. Nous avons eu l’occasion de mettre en
œuvre les deux premières approches.
Deux cas d’usage sont détaillés ci-dessous : un bureau
d’étude d’introduction à DVB-S2 et un projet d’élèves
portant sur la qualité de la voix sur IP (VoIP) sur lien
satellite. Dans le premier cas, la combinaison de
l’usage des modems et de l’émulateur nous a permis de
balayer des thématiques allant de la visualisation du
spectre des porteuses, le calcul du rapport signal à bruit
par la mesure et la confrontation avec le calcul théorique jusqu’à l’analyse du comportement de TCP sur
un lien géostationnaire en fonction de différents rapports signal à bruit, y compris pour certaines conditions
extrêmes. Ce bureau d’étude a été suivi de cours magistraux présentant les différents aspects de DVB-S2.
Dans le second cas, un binôme d’élèves a construit en
laboratoire un réseau VoIP composé de plusieurs
téléphones et d’un serveur Asterisk. Les téléphones
étaient répartis de chaque coté du lien satellite
reproduit grâce à l’émulateur. Grâce à cela, ils ont pu
établir la relation entre la qualité perçue de la voix sur
IP et les caractéristiques du réseau de transport associé
(délai, gigue, taux de perte).
4 IMPACT PEDAGOGIQUE
Nous disposons de peu de recul sur l’usage de la radiologicielle dans nos activités d’enseignement, puisque le
matériel de radio-logicielle n’est utilisé intensivement
dans notre cursus que depuis deux ans. Plusieurs points
méritent cependant d’être évoqués.
Globalement, nous constatons que les élèves apprécient
les activités où la radio-logicielle est utilisée. La métrique la plus immédiate est leur implication qui dépasse souvent le volume horaire demandé. Nous pensons cependant que cela n’est pas uniquement dû à la
radio-logicielle en tant que nouvelle technologie mais
plutôt aux nouvelles portes qu’elle ouvre en termes de
champ applicatif.
D’un point de vue pratique, nous constatons également
que la courbe d’apprentissage de LabVIEW™ est
compatible avec des projets de petite durée (p.ex. 70 h
par binôme), même si les élèves n’ont jamais été confrontés à ce langage au delà d’un tutoriel d’une heure
délivré par nos soins en début de projet. Ceci est confirmé par notre enquête : sur les 16 étudiants initiés à
LabVIEW™, 9 estiment que l’initiation et les ressources à disposition leur ont suffi, et 6 de plus disent
avoir été impressionnés très positivement. Un seul étudiant a trouvé la tâche d’apprentissage trop difficile.
Une raison est la richesse de l’aide en ligne et
l’abondance de ressources pédagogiques disponibles
sur Internet. Lors d’années précédentes, des projets
utilisant GNU Radio2 ont été proposés. Une difficulté
majeure constatée était la prise en main de cet environnement par les élèves. Cette difficulté est liée aux
compétences hétérogènes des élèves en ce qui concerne
l’informatique système.
Les remarques suivantes sont spécifiques aux deux
exemples d’application présentés précédemment.
4.1 Réception d’images météo par satellite
Pour les élèves, la réception d’images réelles capturées
depuis l’espace est une source de motivation importante. Par ailleurs, un cercle vertueux s’installe où les
élèves s’investissent pour améliorer le traitement de
« leurs » images. Ce cercle vertueux les incite à
s’approprier différentes techniques de traitement du
signal. L’usage de LabVIEW™ permet de mettre en
œuvre très rapidement des « sondes » dans le code afin
de visualiser les étapes intermédiaires (formes d’onde
après démodulation FM, AM, filtrages successifs etc.).
Ces sondes illustrent visuellement des concepts souvent enseignés par le biais des mathématiques.
4.2 Emulation de canal satellite géostationnaire
L’usage de l’émulateur de canal et des moyens associés
permet d’aborder les communications par satellite
géostationnaire de manière assez complète. Le programme de cours inclut quelques cours magistraux
autour de DVB-S2, une norme de transmission. Ces
cours, abordés par le biais de la standardisation associée sont précédés d’un bureau d’étude où une chaîne
de communication DVB-S2 est mise en œuvre. Cette
articulation entre bureau d’étude et cours permet une
meilleure
compréhension
du
lien
entre
l’implémentation pratique et la théorie. Des concepts
2
http://www.gnuradio.org/
tels que l’efficacité spectrale, le C/N0 (rapport de la
puissance de porteuse et la densité spectrale de la puissance du bruit), le codage canal, la surcharge liée à
l’encapsulation protocolaire, ou encore la performance
de TCP sur un lien géostationnaire, sont mis en lumière. L’usage de l’émulateur dans ce contexte permet
de faire varier les conditions de transmission et de démontrer clairement l’impact des différents phénomènes. Les élèves arrivent à gagner leurs premières
expériences en découvrant un système de communication fonctionnel et en observant la transformation des
signaux réels à travers diverses couches de protocoles.
Ces deux exemples de mise en œuvre nous ont également permis de découvrir les défis que constitue
l’usage de la radio-logicielle. Ils peuvent être résumés
dans la maxime suivante : « sachez maîtriser science,
matériels, pilotes logiciels, système d’exploitation et
langage de programmation ». Dans une certaine mesure, la radio-logicielle combine les exigences de
l’instrumentation et de la programmation. C’est ce qui
fait sa force et sa difficulté et donc sa richesse pédagogique, dans le cadre du développement des compétences de nos futurs spécialistes.
radio », IEEE Conference on Metrology and Space, MetroAerospace 2014, May 2014, Italy.
[2]
R. Prégent, H. Bernard et A. Kozanitis, "Enseigner à
l’université dans une approche programme", http://
www.polymtl.ca/livreeuap/, Presses internationales Polytechnique, 2009, ISBN 9782553014352.
[3]
CTI (Commission des Titres d’Ingénieur),
"Références et Orientations – Tome 1 principes", version
2012-2015, http://www.cti-commission.fr/Nouvelle-versiondu-referentiel.
[4]
T.B. Welch, S. Shearman, « Teaching Software Defined Radio Using The USRP And LabVIEW », IEEE International Conference on Acoustics Speech and Signal Processing (ICASSP’12), pp 2789-2792, March 2012, Japan.
[5]
S. Katti, « Designing Hands-On Wireless Communications Labs With the NI Universal Software Radio Peripheral and LabVIEW », http://sine.ni.com/cs/app/doc/p/id/cs13848
[6] http://spacecomm.wp.mines-telecom.fr/ Site web de la
formation Space Communication Systems
5 CONCLUSION
Dans cet article, nous avons présenté la radio-logicielle
comme support d’apprentissage des communications
par satellite, et vecteur de développement de compétences essentielles aux ingénieurs. En effet, reposant
sur une plateforme matérielle et logicielle riche, une
palette diversifiée d’activités pédagogiques (problèmes,
projets) peut être proposée, favorisant la professionnalisation des étudiants.
La plateforme logicielle exploitée, reposant sur l’usage
d’USRP et de LabVIEW™ permet, à un coût raisonnable, d’aborder des problèmes transdisciplinaires
(traitement du signal, communications numériques et
analogiques) dans une approche système. Ces problèmes sont complexes et pourtant les élèves parviennent rapidement à un niveau de compétence suffisant
pour produire des prototypes efficaces et en temps réel.
Nous appliquons cette plateforme dans le cadre de
l’enseignement des communications par satellite, il
peut être appliqué à d’autres contextes [4-5].
Figure 5 : Emulateur de canal, partie matérielle : routeur, modems et numériseurs (de haut en bas).
L’usage de LabVIEW™ est cohérent avec la dimension professionnalisante du programme de formation
SCS. Cependant, l’usage d’environnements open
source (p.ex. GNU Radio, Octave) ne remettrait pas en
cause le principe pédagogique. A ce propos, au travers
de l’enquête effectuée, il apparaît que nos étudiants
apprécient ce mode d’enseignement, mêlant situations
pratiques, manipulations expérimentales, problématiques ouvertes et apport de connaissances théoriques.
Bibliographie
[1]
H-C. Bui, L. Franck « Cost effective emulation of
geostationary satellite channels by means of software-defined
Figure 6 : Emulateur de canal, partie logicielle : le
panneau de contrôle.