Exemple d`une installation terrestre pour une connexion Internet par

La communication de données
par satellites
DESS TNI Option Administration Réseaux et sécurité
Année 2004-2005
Allouche Benjamin
Chabal Silvère
SSO
OM
MM
MA
AIIR
RE
E
SOMMAIRE .............................................................................................................................. 2
Introduction ................................................................................................................................ 3
1
Présentation des satellites................................................................................................... 4
1.1
Orbites ........................................................................................................................ 4
1.1.1
Définitions.......................................................................................................... 4
1.1.2
Les différentes orbites ....................................................................................... 4
1.2
Architecture du satellite ............................................................................................. 5
1.2.1
Composition ....................................................................................................... 5
1.2.3
Fonctions utiles .................................................................................................. 6
1.3
Les stations terrestres ................................................................................................. 7
1.3.1
La parabole........................................................................................................ 8
1.3.2
LNB (Low Noise Block) ................................................................................... 8
1.3.3
Démodulateur ..................................................................................................... 9
1.4
Mode d’utilisation des Satellites ................................................................................ 9
2 Transmission Du Signal .......................................................................................................... 9
2.1
Bandes de fréquences ............................................................................................... 10
2.1.1
Présentation ...................................................................................................... 10
2.1.2
Les bandes de fréquences allouées................................................................... 10
2.2
Les modes de transmissions ..................................................................................... 10
2.2.1
Modulation – démodulation ............................................................................. 11
2.3
Les politiques d’accès aux canaux satellites ............................................................ 11
2.3.1
Les contraintes.................................................................................................. 11
3
Les VSAT......................................................................................................................... 12
3.1
Présentation .............................................................................................................. 12
3.2
Fonctionnement ........................................................................................................ 12
4
DVB-RCS......................................................................................................................... 13
4.1
Introduction .............................................................................................................. 13
4.2
Détails du protocole DVB-RCS .............................................................................. 13
4.2.1
Les normes physiques ...................................................................................... 13
4.2.2
Les normes de liaison de données et Réseau.................................................... 14
4.2.4
Protocole d’accès au canal ............................................................................... 14
4.2.5
Les transpondeurs............................................................................................. 14
4.2.6
Les Codes d’erreur ........................................................................................... 16
4.2.7
Modulation ....................................................................................................... 16
4.2.8
Communications............................................................................................... 18
4.2.9
Format des paquets DVB-RCS ....................................................................... 19
4.2.10
Signal Processing ............................................................................................. 22
5 Internet par satellite............................................................................................................... 24
6
Coût .................................................................................................................................. 24
7
GLOSSAIRE.................................................................................................................... 25
IInnttrroodduuccttiioonn
Le monde d’aujourd’hui est animé par un besoin croissant de communication entre les
individus. Cette communication a commencé par voie terrestre vers 1984 avec la concurrence
des secteurs de télécommunications qui nous a conduit à un développement des artères
filaires. Puis l’évolution des nouvelles technologies nous a amené aux satellites. Il y a vingt
ans l’hypothèse était émise que le futur des télécommunications reposerait sur les satellites.
Les réseaux satellitaires aujourd’hui sont encore méconnus, bien qu’ils soient déjà utilisés
dans de nombreux domaines. Les grandes sociétés se sont menées une grande guerre au début
des années 1980 pour câbler notre planète, mais nous pouvons nous demander si le
développement des réseaux satellitaires va révolutionner le monde des réseaux, tout comme
ont pu le faire les réseaux filaires ? Nous pouvons déjà affirmer qu’ils offrent un débit
important ainsi que la possibilité de transférer tout type de données. D'ailleurs, de nombreuses
industries se battent pour avoir le monopole des connexions satellitaires. Chacune proposant
des solutions techniques propriétaires et essayant de les imposer dans le monde des
télécommunications.
Dans les années 1950 et au début des années 1960, des essais de systèmes de communications
d’un autre type ont été effectués. L’un d’entre eux consista à envoyer un signal radio
électrique vers un ballon sonde météorologique recouvert d’un film métallique. Le signal était
réfléchi vers le sol par la surface métallique du ballon. Malheureusement, la puissance du
signal reçu était beaucoup trop faible pour donner lieu à une quelconque utilisation pratique.
Les militaires américains (US Navy) ont utilisé la lune (énorme ballon en permanence dans le
ciel) comme surface réfléchissante des signaux radio et ont construit pour leur propre besoin
un système de radiocommunication opérationnel entre les bateaux et les stations terrestres. De
nombreuses autres tentatives de télécommunication utilisant l’espace céleste ont été menées
sans grand succès, jusqu’à donner lieu en 1962 à la première communication par satellite.
C’est en effet le 10 Juillet 1962, que le premier satellite actif de télécommunication Telstar 1
a été lancé. Puis, la première retransmission d’images télévisées fut réalisée entre la station
d’Andover (E.U.) et Pleumeur-Bodou en France. Depuis cette date, le développement des
télécommunications par satellites a été très rapide.
Depuis leur avènement, avec le lancement en 1962 du satellite Telstar, les satellites de
télécommunication ont évolué selon trois directions. D’une part, le progrès technologique a
accru les capacités et diminué les coûts. D’autre part, les institutions du monde des satellites
se sont organisées, avec apparition d’acteurs publics et d’industries fortes.
Enfin, la fonction des satellites a changé avec les décennies : parallèlement au déclin relatif de
leur rôle dans la téléphonie, ils ont pris une importante croissance dans la télédiffusion et dans
la diffusion de données. Ils amorcent un retour médiatisé dans la téléphonie.
Ces satellites sont les éléments indispensables d’une toile spatiale qui recouvre de plus en plus
le globe terrestre et qui aujourd’hui, permet des communications de n’importe quel point de la
planète.
11
PPrréésseennttaattiioonn ddeess ssaatteelllliitteess
11..11
O
Orrbbiitteess
11..11..11 D
Dééffiinniittiioonnss
-
Orbite : trajectoire courbe d’un corps céleste naturel ou artificiel ayant pour foyer un
autre corps céleste.
-
Apogée : le point le plus haut du satellite auquel sa vitesse est la plus lente.
-
Périgée : Le point le plus bas du satellite auquel sa vitesse est la plus rapide.
-
L’inclinaison : c’est l’angle formé entre le plan orbital et le plan équatorial. Plus l’angle
est important, plus la surface couverte par le satellite est grande.
Apogée, périgée et inclinaison
11..11..22
LLeess ddiifffféérreenntteess oorrbbiitteess
11..11..22..11
SSeellon
on lleess aallttiittuuddeess ddeess ssaatteelllliitteess
Les orbites basses (LEO) entre 200 et 800 km. Elles sont à défilement et le satellite reste
visible au-dessus d'un point, que quelques minutes. Pour sa capture, il nécessite des antennes
suiveuses de dimensions convenables. Ces orbites sont utilisées par les navettes, les
laboratoires spatiaux, l'observation et la photographie de la Terre, la météorologie, ainsi que
les satellites militaires.
Les orbites moyennes (MEO) entre 10 000 et 15 000 km. Elles sont à défilement, cependant le
satellite reste visible au-dessus d'un point pendant quelques heures. Leurs utilisations sont du
même ordre que pour les satellites en orbite basse (LEO)
L'orbite héliosynchrone, fortement elliptique dans un plan quasi polaire, présente le satellite à
la verticale d'un point, tous les jours à la même heure et sur la face éclairée de la Terre. Même
applications, altitudes vers 800 km.
11..11..22..22
O
Orrbbiittee ggééoossttaattiioonnnnaaiirree
Les satellites à orbite géostationnaire constituent de loin les satellites les plus employés
actuellement.
Placés au-dessus de l’équateur à 35 786 km d’altitude, ces satellites géostationnaires
effectuent leur révolution en 23 heures 56 minutes et 4 secondes, durée qui correspond à la
période de rotation de la Terre. Se déplaçant dans le même sens et à la même vitesse angulaire
que le globe, ils apparaissent ainsi immobiles depuis le sol et peuvent couvrir instantanément
une large calotte équivalant environ à un hémisphère.
Comme les satellites géostationnaires conservent toujours la même position par rapport à la
Terre, ils peuvent donc être associés à des antennes terrestres fixes. Ils présentent cependant
l’inconvénient d’être situés bas sur l’horizon lorsqu’ils couvrent des zones éloignées de
l’équateur : les signaux à transmettre, parcourant une plus grande distance, subissent des
atténuations plus importantes et mettent plus de temps à arriver sur Terre (un quart de seconde
en plus). Un satellite géostationnaire peut dériver dans un cube de 150 km de côté sans
conséquences notables pour la réception.
On constate donc qu’il n’existe pas d’orbite idéale pour les systèmes de communication par
satellites : le choix diffère selon les caractéristiques recherchées.
Les différentes particularités de l’orbite géostationnaire :
Le satellite géostationnaire a la particularité de rester fixe par rapport à un observateur
terrestre. Pour ce faire, l’orbite aura plusieurs caractéristiques :
-
Orbite circulaire : le foyer de l’orbite est le centre de la Terre. Le satellite est toujours à
la même vitesse et à la même distance par rapport à la Terre. Dans ce cas, la notion de
périgée et d’apogée n’existe plus.
-
L’orbite équatoriale : un satellite en orbite équatoriale gravite directement au-dessus de
l’équateur : son inclinaison est nulle.
-
Orbite synchrone : le satellite est à 35786 km d’altitude. Sa période orbitale représente
la période sidérale de la Terre, c’est-à-dire 23 heures 56 minutes et 4 secondes.
11..22
A
Arrcchhiitteeccttuurree dduu ssaatteelllliittee
11..22..11 C
Coom
mppoossiittiioonn
Il n’existe pas, à priori, de configuration type pour les satellites. Cependant, il peut être
décomposé en deux sous parties : la « charge utile », servant à l’observation, à la
communication ou à toute autre fonction utile : la « plate forme », composée en 5 sous
parties :
-
Correction d’orbite et d’attitude
-
Alimentation en énergie
Contrôle thermique
Gestion de l’informatique (à bord et avec le sol)
Intégrité mécanique de la structure
11..22..33 FFoonnccttiioonnss uuttiilleess
Un satellite de télécommunications est une sorte de relais hertzien placé à 35786 km de la
terre. Des fréquences de longueurs d’onde centimétriques sont utilisées pour acheminer les
signaux. Le rôle du satellite est de palier à l’affaiblissement du signal qu’il reçoit, de le
régénérer pour le transmettre amplifié en fréquences vers la station terrienne réceptrice. Il ne
s’occupe pas de la compréhension des données qu’il reçoit et qu’il doit retransmettre. En
réalité, il doit simplement les régénérer pour permettre à la station terrienne de les recevoir
convenablement : c’est une sorte de miroir.
Quelle que soit leur mission, les satellites comprennent plusieurs modules.
a) Le module de propulsion
Groupe le moteur de stabilisation avec ses réservoirs d'ergols et ses tuyères trois axes.
b) Le module de service
Assure la télémétrie, la télécommande, le contrôle de l'altitude et de l'orbite au moyen de la
liaison radio avec le sol. Il oriente les panneaux solaires de façon à obtenir la puissance
maximale de l'alimentation. Il comprend la batterie pour la télécommande et l'alimentation
pendant les éclipses du soleil. Il contrôle l'installation électrique et la température des
principaux composants.
c) Le générateur solaire
Groupe un grand nombre de cellules au silicium en fonction de la puissance du satellite. Il
faut plusieurs dizaines de milliers de cellules pour obtenir la puissance souvent supérieure à
3kW en fin de vie. En effet les cellules reçoivent l'impact des microparticules à haute énergie
provenant de l'espace qui diminue leur rendement.
d) Le module de communication
Il reçoit le signal de la Terre, le démodule, l'amplifie, le re-module sur des fréquences
différentes et enfin, le dirige vers l'antenne d'émission.
e) Le module des antennes
Il est établi en fonction des zones à desservir. Il comprend : l'antenne de réception, la ou les
antennes d'émission, l'antenne de télémesure et de la télécommande. Les signaux captés sont
réémis sur une fréquence différente, en général plus basse. Ce changement de fréquence entre
les antennes de réception et d’émission est assuré par des appareils appelés répéteurs, chargés
également d’amplifier massivement le signal.
Les deux cornets de l'antenne servent à la réception et à l'émission pour chacune des
polarisation X et Y. Deux démultiplexeurs sont prévus pour chaque polarisation, l'un pour les
canaux pairs, l'autre pour les canaux impairs. 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.
Les onze canaux sont recombinés au moyen de deux multiplexeurs de canaux adjacents, l'un
pour les six canaux en polarisation X, l'autre pour les cinq canaux en polarisation Y. Les
signaux sont dirigés vers les deux cornets alimentant l'antenne.
On voit qu'un satellite est un répéteur transparent, il n'intervient pas sur le standard du signal
transmis
f) Les transpondeurs :
Les satellites commerciaux transportent un certain nombre de transpondeurs. Par exemple un
signal télévisé peut disposer d’un transpondeur à lui seul alors qu’un autre transpondeur
achemine des centaines d’appels téléphoniques. Les plus grands des satellites commerciaux
peuvent être munis d’une cinquantaine de transpondeurs. Le signal capté par un satellite est
affaibli par la distance qu’il a parcourue. Avant d’être amplifié par des préamplificateurs à
faible bruit, il est déphasé du bruit de fond qui l’accompagne, converti en une fréquence
différente et transmise. Il existe aussi des convertisseurs qui sont constitués de commutateurs
permettant l’isolement des différents signaux reçus mais aussi un système de transposition de
fréquences utilisé pour inhiber le phénomène d’échos.
Empreinte de pas : les satellites emploient un faisceau concentré pour donner un signal plus
fort au-dessus d’une plus petite zone de la terre. Cette zone s’appelle : l’empreinte de pas du
satellite.
Empreinte de pas
11..33
L
Leess ssttaattiioonnss tteerrrreessttrreess
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.
11..33..11
LLaa ppaarraabboollee
Paraboles
Elément incontournable de la réception satellite. Comme pour une antenne de télévision, c'est
elle qui capte le signal venant du satellite et qui le concentre vers le convertisseur. Plus une
parabole est grande, meilleur est son gain. La bande Ku utilise des paraboles dites offset. Par
construction, le convertisseur ne se trouve pas au foyer de la parabole mais décalé vers le bas.
Quant à la parabole, elle n'a pas une forme parabolique mais ovale. Cette astuce permet
d'éviter l'atténuation liée au convertisseur et à son support qui ne masque plus le signal reçu
par la parabole. D'autre part, l'angle d'élévation de la parabole étant plus faible, cela facilite
l'écoulement de la pluie, ou de la neige dans d'autres pays.
11..33..22
LLN
NBB ((LLoow
wN
Nooiissee BBlloocckk))
LNB (Low Noise Block)
11..33..22..11
PPrréésseennttaattiioonn
En réception satellite, le signal recueilli par l'antenne parabolique est trop faible pour pouvoir
l'exploiter directement : il faut l'amplifier, c'est l'un des rôles du LNB nommé également tête
de réception ou convertisseur. C'est un composant actif, contrairement à l'antenne terrestre qui
est passive. Le qualificatif "universel" est relatif à la capacité d'un tel LNB de pouvoir capter
tous les signaux dans la totalité de la bande KU (10 700 à 12 750 Mhz) et quelle que soit la
polarisation (horizontal ou vertical), ce que ne permettaient pas les ancien LNB.
Le rôle du LNB est capital. Il recueille le signal de 12 Ghz reçu par la parabole puis le
convertit en une fréquence intermédiaire (BIS) d'environ 1 Ghz. (gigahertz) A cette fréquence
les atténuations dans le câble de liaison sont moins importantes et le traitement des signaux
par le récepteur s'en trouve facilité. Le LNB est ‘téléalimenté’ par le récepteur/décodeur. (14
ou 18Volts).
11..33..33
D
Déém
moodduullaatteeuurr
Aussi appelé récepteur ou par extension tuner satellite. Cet appareil peut recevoir un signal
modulé en hautes fréquences et le transformer en informations basses fréquences. En
réception satellite, il permet l'obtention des signaux audio, vidéo et données véhiculées par
une onde porteuse, afin de les restituer via les circuits du téléviseur, de la chaîne Hi Fi, voire
d'un ordinateur ou d'une console de jeux. Il transforme les fréquences en tensions et traite
l'information de façon à ce qu'elle soit lue par un ordinateur
11..44
M
Mooddee dd’’uuttiilliissaattiioonn ddeess SSaatteelllliitteess
Un satellite de télécommunications peut être utilisé comme un simple relais hertzien entre
deux stations terrestres, mais il comprend également d’autres options intéressantes. Il offre
ainsi une capacité de diffusion, pouvant retransmettre les signaux émis depuis la Terre vers
plusieurs stations espacées. Réciproquement, le satellite peut capter des informations en
provenance de différentes stations d’émission, présentant dans ce cas une capacité de collecte.
De plus, il est maintenant possible de concevoir des systèmes de liaisons directes entre
satellites. Bien qu’ils ne soient pas encore très utilisés car très complexes à mettre en œuvre,
le projet Iridium développé par la firme Motorola à mis en place en 1999, un système de
téléphonie mobile mondiale assuré par un réseau de 66 satellites en orbite basse, où chacun
est relié à quatre autres satellites.
22 T
Trraannssm
miissssiioonn D
Duu SSiiggnnaall
Une des principales caractéristiques de la transmission de données par satellite est
l'importance de la distance de transmission.
En effet l'éloignement entre l'émetteur terrien et le récepteur spatial (le satellite) est très
important: 35786 km pour le cas des satellites géostationnaires. Cette distance implique donc
non seulement un délai de transmission imposant (de l'ordre de 250 ms pour atteindre le
satellite et rejoindre la terre couvrant ainsi un trajet de 71600 km) mais cela a aussi pour
conséquence un affaiblissement considérable du signal hertzien émis.
Ces deux conséquences amènent donc à considérer la télécommunication satellite comme une
télécommunication spécifique possédant d'une part ses propres contraintes qui la réservent à
certains types de communications et d'autre part ses techniques propres de transmission:
- Les télécommunications satellites sont en très grande partie réservées à des transmissions
sans acquittement et supportant un délai de transmission important.
- L'affaiblissement du signal dû à la distance de transmission implique l'utilisation de
techniques d'amplification, de modulation et de transposition de fréquence.
Les attributions des fréquences peuvent être exclusives (réservées au service attributaire) ou
pas (la plupart des fréquences sont utilisées par des services différents).
22..11
B
Baannddeess ddee ffrrééqquueenncceess
22..11..11 PPrréésseennttaattiioonn
Pour réussir à co-positionner plusieurs satellites sur une même position orbitale, ces
derniers doivent se partager les fréquences. C’est l’IRFB (International Radio Frequencies
Board) qui coordonne les différentes plages de fréquences pour empêcher toutes interférences.
C’est pourquoi il existe une bande de fréquences appelée « Bande KU ».Elle désigne
toutes les fréquences comprises entre 10.7 et 12.75 Ghz. Elle décompose en plusieurs sous
bandes.
La Conférence administrative de l'UIT (CRAM) 1997 a défini ou confirmé les plages de
fréquences réservées aux satellites de télévision et de télécommunications, utilisant l'orbite
géostationnaire.
22..11..22 LLeess bbaannddeess ddee ffrrééqquueenncceess aalllloouuééeess
R1: Europe, Africa and CIS; R2: The Americas; R3: India, Asia, Australia, Pacific.
22..22
L
Leess m
mooddeess ddee ttrraannssm
miissssiioonnss
Les transmissions par satellite font partie des systèmes de transmission par faisceau hertzien.
Définition:
La modulation d'une onde consiste à faire varier dans le temps un ou plusieurs de ses
paramètres: son amplitude, sa fréquence, sa phase en fonction du signal représentatif des
informations à transporter.
2.2.1 M
Moodduullaattiioonn –– ddéém
moodduullaattiioonn
Un message ne peut pas être envoyé directement sur le canal de transmission car, d'une part,
les fréquences des canaux et des messages ne coïncident pas forcément (il faut adapter la
fréquence du signal au mode transmission) et, d'autre part, il s'agit surtout de pouvoir
transmettre plusieurs messages sur un même réseau. De plus, le signal doit être amplifié. D'où
la nécessité de moduler le message à l'aide d'un signal porteur afin de l'adapter au canal
(l'émetteur fonctionne efficacement avec un signal de forme sinusoïdale c'est pourquoi, on
transforme des 0 et des 1 en fréquences). A la réception, il faut effectuer l'opération inverse: la
démodulation.
22..33
L
Leess ppoolliittiiqquueess dd’’aaccccèèss aauuxx ccaannaauuxx ssaatteelllliitteess
Aujourd’hui, de nombreuses stations terrestres veulent accéder aux satellites par
l’intermédiaire de fréquences spécifiques pour pouvoir transporter leurs informations. S’il n’y
avait pas de politique d’accès au support bien définie, les signaux transmis par une station se
confondraient avec d’autres provenant d’une source différente ; ces signaux seraient alors
incompréhensibles et impossibles à décoder. Ceci engendrerait donc leur perte et il serait
nécessaire de les retransmettre. La mise en place d’une politique d’accès aux canaux satellites
a donc été réalisé tout d’abord pour permettre à plusieurs stations ou utilisateurs d’accéder à
un même canal de transmission, ensuite pour avoir une exploitation maximale des
transpondeurs du satellite tout en garantissant qu’il y ait le moins de collisions possibles.
22..33..11 LLeess ccoonnttrraaiinntteess
Permettre une utilisation maximale du canal, partage des ressources. Le délai de propagation
du signal ne permet aux stations de découvrir une collision que 0.27s après leur émission.
Nous allons étudier différentes politiques d’accès que l’on peut trouver dans le domaine des
communications par satellites. Les trois principales d’entre elles sont :
Les politiques de réservation (AMRF, AMRT, AMRC)
Les politiques d’accès aléatoire (ALOHA, …)
Les politiques de réservation par paquet
Comme pour les réseaux locaux, le problème majeur du satellite consiste à attribuer
judicieusement les différents canaux du répéteur.
On peut distinguer cinq protocoles d’accès aux canaux montants des satellites :
ƒ
ƒ
le protocole d'invitation à émettre ou Polling,
le protocole ALOHA,
ƒ
ƒ
ƒ
le protocole FDMA,
le protocole TDMA,
et enfin CDMA.
33
L
Leess V
VSSA
AT
T
33..11
PPrréésseennttaattiioonn
Le système VSAT (Very Small Aperture Terminal) est un système basé sur des satellites
géostationnaires et permettant l’émission et la réception de données à partir d’un terminal de
petite dimension. Les premiers VSAT sont apparues aux Etats-Unis au début des années 80.
Ils peuvent être aisément déplacés, rapidement installés, et disposent de petites antennes de
l’ordre d’un mètre de diamètre, contre environ 30 mètres pour les grosses stations fixes. De
plus, il n’y a pas de problèmes d’interconnexion avec d’autres réseaux. La puissance des
VSAT est de l’ordre de 1 Watt, contre plusieurs centaines de Watts voir KWatts pour les
grosses stations fixes. Le système VSAT est asymétrique. En effet, le débit offert par les
VSAT peut aller de 19,2 Kbits/s jusqu’à 10 Mbits/s. D’autres caractéristiques des systèmes
VSAT sont également intéressantes comme par exemple le prix invariant selon la distance et
le nombre de connexions.
Ce service fixe est utilisé principalement par les entreprises car il apporte divers avantages.
Un exemple d’utilisation est la société Shell Oil Products (à Houston) qui a récemment
implanté le système VSAT dans 5 000 stations services pour pouvoir contrôler ses points de
vente. Ceci leur permet de transférer leur rapport de fin de journée à la maison mère. Shell
surveille également tous ses réservoirs d’essence avec le réseau VSAT.
33..22
FFoonnccttiioonnnneem
meenntt
Comme nous l’avons vu précédemment, la puissance d’émission des VSAT est faible, deux
stations VSAT ne peuvent pas dialoguer directement entre elles. Il est donc nécessaire
d’utiliser une station de relais appelée HUB. La HUB est dotée d’une parabole de grande
dimension à fort gain. Elle a deux rôles principaux. Tout d’abord elle s’occupe d’amplifier et
de relayer les signaux émis par les stations VSAT. Ensuite elle gère toutes les méthodes
d’accès au support de communication afin d’éviter d’éventuelles collisions entre les signaux.
44
D
DV
VB
B--R
RC
CSS
44..11
IInnttrroodduuccttiioonn
Les spécifications de DVB sont développées par DVB Project, initié à l’origine par
l’European Broadcasting Union (EBU), l’European Telecommunications Standards Institute
(ETSI) et l’European Committee for Electrotechnical Standardisation (CENELEC).
Comme dans tous les systèmes de communications, les normes s'assurent que les diverses
parties des communications par satellite travaillent ensemble pour fournir le service soutenu.
Cette norme d’accès Internet par satellite autorise des débits allant jusqu’à 8 Mbits en flux
descendant et jusqu’à 2 Mbps en flux montant. Cette norme européenne a été développée en
1999 et décrit comment le trafic bidirectionnel des données devrait être transmis via satellite.
Suivant le DVB-RCS, le terminal satellite du client peut recevoir une transmission standard
de DVB envoyée par la station satellite maîtresse. La transmission depuis l’installation client
vers cette même station peut également être envoyée via la même antenne. La technologie de
transmission utilise la technique de traitement de signal MF-TDMA (Multi-Frequency Time
Division Multiple Access), ce qui permet de partager la capacité du lien entre différents sites
clients (partager la capacité montante). Les données transportées peuvent aussi être «
encapsulées » dans des cellules ATM (Asynchronous Transfert Mode) ou dans du MPEG-2
peut être utilisée.
La norme spécifie que les liaisons montantes et descendantes doivent utiliser des fréquences
différentes mais est indépendante des bandes de fréquences utilisées (Ku, Ka, L, S...)
La norme permet de transporter le protocole IP mais prend en compte également de nombreux
protocoles de routage (RIP, IGMP) et de transport (RTP, UDP, TCPŠ).
44..22
D
Dééttaaiillss dduu pprroottooccoollee D
DV
VB
B--R
RC
CSS
Les satellites de communications, en orbite géostationnaire (GEO) fonctionnent comme des
relais. Ils ne font que rediriger les flux (en théorie). En conséquence, les normes, comme dans
tous les réseaux de communications de données, suivent la hiérarchie des trois premières
couches (Physique, Liaison et Réseaux) dans le Open Systems Interconnection (OSI) modelé,
en correspondant aux deux premières couches (Network access et Internet) dans le modèle
TCP/IP.
44..22..11 LLeess nnoorrm
meess pphhyyssiiqquueess
Elles s'appliquent indépendamment de la sorte du trafic transporté. Dans des communications
par satellite, elles s'appliquent au niveau 1 du modèle OSI et TCP/IP. Elles concernent
l'équipement de radiofréquence (ex : les antennes).
Elles sont habituellement spécifiques à un satellite et sont déterminées par l'opérateur pour
s'assurer que des paramètres de radiofréquence du satellite restent en concordance avec les
capacités des transpondeurs.
En principe, les systèmes utilisent les mêmes normes physiques parce qu'ils emploient le
même type de satellite. Cependant, les normes physiques changent habituellement en fonction
des transpondeurs utilisés, ou toutes les fois que des services sont commutés d'un satellite à
l'autre.
44..22..22 LLeess nnoorrm
meess ddee lliiaaiissoonn ddee ddoonnnnééeess eett R
Réésseeaauu
Elles s'appliquent aux niveaux 2 et 3 dans le modèle OSI (niveaux 1 et 2 dans TCP/IP) et
concernent les manières dont des signaux numériques sont envoyés par l'intermédiaire d'un
chemin de transmission. Dans les communications par satellites, elles sont spécifiques à un
système, habituellement déterminées par l'opérateur pour s'assurer que toutes les stations du
système fonctionnent ensemble. Elles incluent habituellement les conditions si dessous:
•
•
•
•
Codage et décodage
Compression et expansion
Multiplexage et démultiplexage
Modulation et démodulation
Ces paramètres dictent la conception du fonctionnement des stations jusqu'aux fréquences
utilisées. Mais ces normes diffèrent considérablement, selon le système ou le service
auxquels elles s'appliquent.
Par conséquent, les systèmes ont différentes normes de liaison et de transmission de données
sur le réseau, même s'ils emploient les mêmes types de transpondeur. Les normes peuvent
appartenir à un des quatre attributs suivants:
•Fermés (peu ou aucune publication)
•Ouverts (avec tous les paramètres édités)
•Propriétaires (pour l'usage exclusif avec accord des propriétaires)
•Publics (disponible pour tous)
44..22..44 PPrroottooccoollee dd’’aaccccèèss aauu ccaannaall
Tous les systèmes de communications par satellite nécessitent de contrôler les émetteurs et
les récepteurs pour permettre l'accès multiple (MA) aux ressources des satellites qui sont
limitées.
Plusieurs méthodes d’accès sont possibles : ALOHA, TDMA, FDMA, SDMA, CDMA
RMA (Random Multiple Access) = ALOHA
Seulement dans la plupart des cas seuls, TDMA et FDMA sont utilisés.
44..22..55 LLeess ttrraannssppoonnddeeuurrss
Deux types de transpondeurs : transparents et régénérateurs.
44..22..55..11 RRééppéétteeuurrss ttrraannssppaarreennttss
La fonction du répéteur d’un satellite est de séparer les porteuses ou les groupes de porteuses
et d'augmenter leur puissance avant de les retransmettre vers le sol. Les fréquences des
porteuses sont également modifiées lorsqu'elles passent à travers le satellite.
Les répéteurs qui effectuent ce type d'opération sont dits "transparents", car seules les
caractéristiques radioélectriques essentielles de la porteuse (amplitude et fréquence) sont
modifiées par le satellite. Le format détaillé de la porteuse, comme la modulation et la forme
du spectre, reste inchangé.
44..22..55..22 TTrraaiitteem
meenntt àà bboorrdd dduu ssaatteelllliittee
La conception de certains satellites va au-delà de ce traitement "transparent" et permet de
manipuler le format de la porteuse. C'est ce que font les systèmes de traitement à bord. Malgré
leur plus grande complexité, ces architectures sophistiquées présentent des avantages par
rapport aux répéteurs transparents, à savoir une meilleure qualité d'émission et la possibilité
d'utiliser au sol de petits terminaux d'usager compacts et bon marché.
44..22..55..33 M
Méétthhooddeess dd’’aaccccèèss aauuxx ttrraannssppoonnddeeuurrss
Méthodes d’accès aux transpondeurs
Un satellite possède, en principe, une vingtaine de transpondeurs. Typiquement, un
transpondeur peut transmettre dans une largeur de bande de 33 MHz avec un débit d’environ
760 Mbit/s. Une station terrestre, transmettant par l'intermédiaire d'un transpondeur, peut le
faire de deux manières. Les recommandations de largeur de bandes dans la norme DVB-RCS
sont normalement 33, 26 ou 72 MHz.
L'émetteur peut envoyer les données sur une porteuse unique qui occupe toute la largeur de
bande du transpondeur, l'accès est appelé Single Carrier Per Transponder (une seule porteuse
par transpondeur). Cette porteuse peut être divisée avec des méthodes comme TDMA, ce qui
permet la communication par l'intermédiaire de plusieurs canaux. Multiple Channels Per
Carrier (MCPC). Combinaison de plusieurs signaux uplink (single Channel Per Carrier
SCPC) ou canaux de TDMA, dans un seul signal downlink TDM (Time Division Multiplex).
Un ou plusieurs émetteurs peuvent envoyer des porteuses avec différentes fréquences sur le
même transpondeur. On parle alors de Multiple-Carriers Per Transponder. Chaque porteuse
ne sert qu'un seul canal Single Channel Per Carrier (SCPC).
Le système de DVB-RCS est conçu principalement pour utiliser MCPC comme méthode
d'accès. Tous les services sont multiplexés dans un seul flux qui emploie toute la capacité du
transpondeur.
Cela permet aussi de supprimer le bruit présent dans le signal montant, cela améliorant la
qualité globale des canaux par satellite.
44..22..66 LLeess C
Cooddeess dd’’eerrrreeuurr
Il y a deux types de codages différents pour assurer l’intégrité des données transmises :
D’une part les codes pour la détection d’erreur, détectent l’erreur, mais ne sont pas capables
de la corriger. Ils entraînent alors la réémission de l’information.
Puis il y a les codes de correction d’erreur, en plus de la même fonction des codes de
détection ils ont la possibilité de corriger l’erreur sans nécessiter la réémission de
l’information. Les Forward Error Correction (FEC).
Dans la transmission de signaux numériques sur ondes radio il existe plusieurs types de
modulations : par amplitude, par fréquence et par phase. Hors la présence de bruits dans les
communications satellites, empêche l’utilisation de la modulation par amplitude.
44..22..77 M
Moodduullaattiioonn
Il y a seulement deux états du signal (1 et 0), la modulation consiste à coder ces deux états
suivant une des deux méthodes suivantes : Frequency Shift Keying (FSK) consiste à produire
deux fréquences porteuses f 1 et f 2 pour représenter les deux états, Phase Shift Keying
(PSK) consiste à changer la phase entre les deux états.
Méthodes de modulation
Dans la théorie, le FSK est plus commode, car le récepteur peut toujours distinguer les deux
fréquences et identifier par conséquent correctement l'état du chiffre reçu (0 ou 1).
De même, PSK a un inconvénient du fait que le récepteur ne peut pas identifier le chiffre reçu
à moins qu'il ne connaisse la nature de la phase.
Cependant, dans la pratique il est plus difficile de mettre en application FSK, alors que
l'ambiguïté de phase peut être résolue, si tous les systèmes numériques de transmission
utilisent des horloges.
En conséquence, PSK est la méthode la plus utilisée par les satellites de communications.
Binary Phase Shift Keying (BPSK), avec un changement de phase de 180°, est la forme
basique de PSK. (Etant donné qu’il n’y a que deux symboles à coder 0,1). Cela renforce les
réussites du détecteur d’amplitude et de phase face au bruit qui est susceptible d’altérer le
signal.
La capacité de charge de l'information d'un BPSK modulé sur le canal est limitée à un bit par
symbole. Cette contrainte est surmontée avec Quadrature Phase Shift Keying (QPSK), dans
lequel les données binaires sont converties en symboles de deux bits, pour des raisons de
limitation de puissances dans les communications via satellites c’est la technique de QPSK
qui est utilisée dans le standard DVB-RCS.
Les caractéristiques de DVB pour QPSK utilisent une amélioration en changeant les
configurations binaires qui sont codées dans l'émetteur et décodées dans le récepteur.
L'amélioration s'appelle Gray coded QPSK, parce qu'il emploie le codage de Gray, (Robert
M. Gray est un professeur d'université de Stanford au début des années 70). Ce code améliore
la résistance au bruit, en réduisant au minimum le nombre de bit d'erreurs par symbole. Son
principe et que chaque transition d'un symbole à l'autre se fait en ne changeant qu’un seul bit,
ce qui simplifie la détection des erreurs tout en réduisant la proportion de bit mal transmis
44..22..88 C
Coom
mm
muunniiccaattiioonnss
Communications
Comme illustré dans la figure, le système de DVB-RCS supporte des communications dans
deux directions:
•Forward channel, de la station Hub vers plusieurs terminaux. Time Division Multiplex (TDM).
•Return channels, des terminaux vers la station Hub. Multi-Frequency Time Division Multiple Access
(MF-TDMA).
La station Hub et le satellite ont des positions fixes dans l’espace, donc le temps de
propagation en uplink et downlink est constant et connu. Par contre pour les terminaux qui
sont à différentes positions sur la terre le temps de propagation n’est pas constant. Dans le cas
d’un Forward channel ce n’est pas important mais dans le cas d’un Return channels cela peut
perturber la transmission.
En effet l’accès au canal est contrôlé avec la méthode TDMA, ils sont multiplexés dans le
temps, hors un paquet envoyé par un terminal peu empiéter sur le temps alloué à un autre
terminal. Sachant que le temps de propagation entre un terminal et un satellite varie de 250 à
290 millisecondes, cela dépend de la position géographique du terminal, il faudrait ajouter une
marge de 40 ms pour chaque attribution de slot, soit 80 millisecondes (temps de garde allerretour). Cette méthode étant trop coûteuse DVB-RCS a introduit deux méthodes pour
compenser cette perte de temps.
Chaque terminal connaît sa position GPS (Global Positioning System) et peut calculer son
propre temps de propagation. De plus les satellites GPS possèdent des horloges atomiques
avec une précision de l’ordre de la nanoseconde.
La station Hub surveille les temps d'arrivée des burts, et peut envoyer des données de
correction aux terminaux si besoin en est.
44..22..99
FFoorrm
maatt ddeess ppaaqquueettss D
DV
VBB--R
RC
CSS
Il y a quatre types de base pour les ‘return channel bursts’:
• Common Signalling Channel (CSC)
• Acquisition (ACQ)
• Synchronisation (SYNC)
• Traffic (TRF)
44..22..99..11 CCoom
mm
moonn SSiiggnnaalllliinngg CChhaannnneell ((CCSSCC))
Common Signalling Channel (CSC)
Le terminal utilise les messages du type Common Signalling Channel (CSC) pour s'identifier
pendant l'ouverture.
•Un préambule de taille variable pour la détection du burst
•Un champ décrivant les capacités du terminal, incluant:
• Terminal return channel (RCST) Capability, 24 bits
• Adresse MAC du Terminal (RCST), 48 bits
• Réservé pour une application future, 40 bits
44..22..99..22 A
Accqquuiissiittiioonn ((A
ACCQ
Q))
Acquisition (ACQ)
Un terminal peut employer un burst d'acquisition (ACQ) pour réaliser la synchronisation
avant d'être opérationnel pour accéder au réseau. La trame comporte un préambule et une
fréquence.
44..22..99..33 SSyynncchhrroonniissaattiioonn ((SSY
YN
NCC))
Synchronisation (SYNC)
Le terminal emploie cette trame pour maintenir la synchronisation et envoyer des
informations de contrôle. Le format comporte un préambule et un Encoded Satellite Access
Control (SAC).
44..1144..99..44
TTrraaffffiicc ((TTRRFF)) bbuurrsstt ffoorrm
maattss
Il existe deux formats MPEG2 et ATM.
Dans la documentation de DVB est prise la définition suivante : Byte = octet = 8 bits.
Trafic (TRF) burst formats
Format MPEG2
MPEG2 a été universellement adopté par DVB dans toutes ses variétés pour le codage de
source vidéo, acoustique et de données. DVB-RCS emploie le format MPEG2 dans lequel
sont encapsulés différents protocoles indépendants. Avec une taille de 188-Byte par paquets.
Il y a une charge utile de 182-Byte et une entête de 6-Byte.
Dans DVB-RCS, la charge utile peut être:
•Le trafic IP.
•De l'information MPEG2.
•D'autres informations répondant au Standard TCP/UDP.
Traffic (TRF) burst format using MPEG2
Traffic (TRF) burst format using ATM
Le protocole ATM est supporté en option. Tous les 53 bits on retrouve une cellule ATM avec
un prefix.(48 octets de données et 5 pour l’adressage et le contrôle).
44..22..1100 SSiiggnnaall PPrroocceessssiinngg
Generic DVB-S communications channel.
Traitement de bande de base (Standard MPEG2) et le traitement du signal numérique (Digital
Signal Processing DSP).
Dans une communication de TCP/IP l'ordre du traitement de la transmission est le suivant:
1. Le message de TCP/IP arrive et est soumis à l'optimisation de TCP.
2. Les paquets IP sont divisés en plus petits morceaux et combinés avec les 96 bits de DSMCC (Digital Storage Medium – Command and Control ).
3. Les sections de données DSM-CC sont encore divisées dans le processeur de bande de
base en 188-Byte MPEG2-TS.
4. Les paquets de MPEG2-TS alors sont soumis au codage du canal dans le DSP.
44..22..1100..11
BBaasseebbaanndd pprroocceessssiinngg
Le module Baseband processing permet l’encapsulation de données brutes dans des trames au
format MPEG2.
44..22..1100..22
BBaassiicc D
DSSPP)) ppoouurr D
Diiggiittaall SSiiggnnaall PPrroocceessssiinngg ((D
DV
VBB--SS cchhaannnneell
C’est la phase intermédiaire entre le MPEG2-TS (MPEG2 Transport Stream) et la transmission du signal.
Les différentes étapes
Multiplex adaption and energy dispersion : Mise en forme du stream dans une structure
régulière.
Outer coder : Le premier correcteur d'erreurs utilisant Reed-Solomon. Dans DVB-S, le code
de Reed-Solomon, il ajoute environ 8,5% de données de contrôle.
Interleaver : Dans cette section les symboles sont réorganisés de façon à ce que deux
symboles successifs quelconques sont séparés par un nombre spécifique d'autres symboles.
Inner coder : Seconde fonction de correction d'erreurs, code convutionnel, il ajoute environ
15 à 100% de données de contrôle.
Baseband shaping : Préparation du message pour la modulation.
QPSK modulator : Phase de modulation en utilisant QPSK.
Ces différentes étapes peuvent être effectuées par un composant de type logiciel ou matériel.
On peut alors remplacer les étapes Outer coder, Interleaver et Inner coder,par un turbo coder
utilisant le code : Convolutifs Récursifs Systématiques Circulaires CRSC.
Utilisation de la concaténation de code par l’émetteur.
Utilisation du turbo codeur par l’émetteur
55 IInntteerrnneett ppaarr ssaatteelllliittee
Schéma synoptique d’une connexion Internet
par satellite unidirectionnel
Avantages :
Solution économique
Matériel à bas prix
Facile à mettre en oeuvre
Inconvénients :
Abonnement à un FAI obligatoire
Utilisation de la ligne de téléphone
Connexion non permanente
Schéma synoptique d’une connexion Internet par
satellite bidirectionnel
Avantages :
Pas de connexion terrestre
Plus de facture téléphonique
Connexion permanente à l'Internet
Inconvénient :
Matériel et installation coûteux
66
C
Cooûûtt
Connecter 3 à 6 personnes
FAI
Débit en réception
Débit en émission
Prix par mois (hors
taxes)
Frais de mise en
service, matériel
compris
Aramiska
512 Kbit/s
128 Kbit/s
149 €
4900 €
ComIP
512 Kbit/s
150 Kbit/s
99 €
550 € hors
équipement
Divona
512 Kbit/s
128 Kbit/s
169 € avec une limite 2500 € hors
de 1500 Mo de
installation (prix
volume
variable)
E-Qual
512 Kbit/s
64 Kbit/s
200 €
3950 €
Hexanet
512 Kbit/s
128 Kbit/s
179 €
2600 €
IMG
512 Kbit/s
153 Kbit/s
130 €
3650 €
Infosat
256 Kbit/s
64 Kbit/s
150 €
2600 €
I-Sat
512 Kbit/s
128 Kbit/s
155 €
3100 €
Sat2Way
512 Kbit/s
153 Kbit/s
160 €
2350 €
77
G
GL
LO
OSSSSA
AIIR
RE
E
Le BER(Bite Error Rate): ou TEB (Taux Erreur Binaire). C’est le nombre de bits erronés
reçus sur le nombre total de bits reçus. Si sur 1000 bits reçus, il y en a un de faux, on a un
BER de 1/1000.
DiSEqC
Protocole de standardisation des commandes et dialogue entre les différents éléments d'un
système de réception satellite.
CAF
Contrôle automatique de fréquence. En anglais, Automatique Frequency Control ou AFC.
Procédé électronique qui verrouille la syntonisation d'une fréquence donnée et maintient en
permanence l'accord d'un récepteur, afin d'éviter un décalage pouvant entraîner une réception
perturbée.
CCIR (Comité consultatif international des radiocommunications), CCITT (Comité
consultatif international télégraphique et téléphonique). Organismes techniques de l'Union
internationale des télécommunications (UIT). De nombreuses normes et standardisations
utilisent ces sigles.
ESA European Space Agency.
C'est l'Agence spatiale européenne, dont le siège est à Paris et qui est chargée de nombreux
programmes spatiaux pour le compte de différents pays européens. L'ESA est un des
partenaires qui exploite le centre spatial guyanais de Kourou.