Transmission de données par satellite

Documentation
Technique
version 2.0
Transmission de données par satellite
Vincent DAGLIA
XINF 7-8
Cours Télématique (M. Favre-Bulle)
EPSIC 2002
Chevilly, le 2 décembre 2002
Document Technique
ver. 2.0 – auteur : VDA
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Table des Matières
I.
II.
III.
1.
2.
2.1
2.1.1
2.1.2
2.1.3
2.2
2.2.1
2.2.2
2.2.3
2.2.4
2.3
2.3.1
2.3.2
2.3.3
2.4
2.4.1
2.4.2
2.4.3
2.4.4
3.
3.1
3.2
Journal des modifications
Bibliographie
Abréviations
Introduction
Technologies
Orbites
Tableau comparatif des principales orbites
Orbites géostationnaires
Orbites moyennes et basse
Normes
Normes UIT-T
Modes de transmission
Bandes de fréquences
Methodes d’accès
Internet
Utilisation d’ATM (Asynchronous Transfer Mode)
Schéma OSI d’une connection satellite
Connection au réseau Internet
Différentes applications de la transmission de données par satellite
Téléphonie
Reception TV
Système de positionnement
Système de surveillance (application militaire, météorologiques, scientifique, etc.)
Conclusion
Solutions concrète disponibles en Suisse
Evolution
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I.
II.
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Journal des modifications
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Date
Version
Commentaire
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données par
satellite.doc
30.11.2002
1.0
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données par
satellite.doc
01.12.2002
1.1
Mise à jour du document
transmission de
données par
satellite.doc
02.12.2002
2.0
Mise à jour du document +
finalisation
Bibliographie
Référence
Description
[I]
http://ww.telesatellite.com
[II]
http://perso.club-internet.fr/f_bailly
[III]
http://ib-com.ch
[IV]
http://www.tde.ca
[V]
http://e-terra.com
[VI]
http://www.worldcom.com
[VII]
http://dessinfo.sciences-po.fr
[VIII]
http://reseaux-telecoms.net
[IX]
http://www.tiscali.ch
[X]
http://www.epfl.ch
[XI]
http://www.lemonde.fr
[XII]
http://www.itu.int
[XIII]
http://www.dvb.org
[XIV]
http://www.etsi.org
[XV]
http://www.eutelsat.com
[XVI]
Http://www.satoliver.ch
[XVII]
J. BUET et P. DURANCE, VSAT Les Réseaux Satellite d’Entreprise,
Application et Sécurité, Masson – Pratique des Réseaux
d’Entreprise
[XVIII]
H. BENOIT, Network Architecture and SONET Service in the
NASA-ARPA Gigabit Satellite using NASA’s Advanced
Communication Technology Satellite, ACTS
[XIX]
Ian F. AKYILDIZ, Broadband Satellite Networks for the Last Mile
Technology, Broadband and Wireless Networking Laboratory
School of Electrical and Computer Engineering, Georgia
Institues of Technology
[XX]
B. MARTIN, Internet par satellite, Institut nationnal de recherche
en informatique et en automatique (INRIA)
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III.
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Abréviations
Code
Définition
CDMA
Accès Multiple à Répartition par Code (Code Division Multiple
Access)
DAMA
Accès Multiple avec Allocation à la Demande (Demand
Assignement Multiple Acess)
FDMA
Accès Multiple à Répartition de Fréquence (Frequency Division
Multiple Access)
GMPCS
Système mobile mondiaux de communication personnel par
satellite (Global Mobile Personnal Communication Satellite)
LAN
Réseau Local (Local Area Network)
MAN
Réseau Métropolitain (Metropolitan Area Network)
PDH
Plesiochrone Digital Hierarchy
SCPC
DAMA avec MF-TDMA
SFS
Service fixe par satellite
SMS
Service mobile par satellite
SRS
Service de radiodiffusion par satellite
TDMA
Accès Multiple à Répartition dans le Temps (Time Division
Multiple Access)
UIT
Union Internationale des Télécommunications
VSAT
Verry Small Aperture Terminal
MF-TDMA
Multi-Frenquency TDMA
WAN
Réseau Longue Distance (Wide Area Network)
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1.
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Introduction
Les premiers concepts de communication par satellite ont été élaborés dans les
années 45. Arthur C. Clarke écrivain, mais aussi scientifique, fut la première personne
à avoir lancé un projet de satellite de communications.
Le premier satellite capable d’envoyer des ondes radios en direction de la terre, fut
SPUTNIK-I (1957). Depuis la technologie de communication, réservée dans un premier
temps au monde scientifique et militaire, c’est peu à peu démocratisée, pour
s’étendre au grand publique. Depuis 50 ans les communications, ainsi que les supports
de communication on sensiblement augmenté et évolué, laissant au fils des années,
des possibilités grandissantes.
Actuellement les satellites touchent un grand nombre d’activités et de domaines qui
sont par exemple :
•
diffusion de canaux de télévision
•
multimédia
•
téléphonie
•
transmission de données informatique
•
transmission de données de positions
•
etc.
Le domaine de la transmission de données par satellite, étant un domaine riche en
informations, il a fallu faire un choix quant à la matière développée. Nous avons donc
choisi de nous intéresser plus particulièrement à la transmission de données dans le
cadre des connexions à internet. Effectivement, il nous semblait plus pertinent d’aller,
en direction des intérêts de chacun.
Cependant il est utile de préciser que la transmission de donnée ne se borne pas
uniquement à internet. Mais qu’elle touche des domaines aussi différents les uns que
les autres.
En conclusion, nous verrons les avantages que nous offre une solution « Internet par
satellite », ainsi qu’un petit tour d’horizon sur les offres proposée en Suisse pour de
telles connexions, et nous finirons par aborder le futur de cette technologie.
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2.
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Technologies
Afin de comprendre un peu mieux les aspects technologiques, nous allons tout
d’abord expliquer quelques aspects liés à la technologie spatiale, pour ensuite nous
diriger vers les normes établies ainsi que les méthodes et modes d’accès. Puis nous
développerons les manières qui vont nous permettre de nous connecter à Internet.
Pour finir nous ferons un survole des autres services utilisant également la transmission
de données par satellite.
2.1
Orbites
Pour qu’un satellite puisse effectuer la tâche à laquelle il est destiné, il faut qu’il puisse
se maintenir dans l’espace et ne pas retomber immédiatement après son lancement.
On parle dès lors de mettre un satellite sur orbite, c’est à dire de l’envoyer à un
endroit donné et à une vitesse donnée afin que les lois de la physique, lui permette
de garder une trajectoire, généralement elliptique, en utilisant le moins d’énergie
extérieure possible.
On peut catégoriser les orbites en 3 type différents :
2.1.1
•
GEO (Geosynchronous Earth Orbits) Orbites Géostationnaires
•
MEO (Medium Earth Orbits) Orbites Moyennes
•
LEO (Low Earth Orbits) Orbites basses
Tableau comparatif des principales orbites
Type d’orbite
Altitude
Visibilité du
satellite depuis la
terre
Taille des
antennes
Nombre
de
satellites
Latence
LEO
400 – 3'000 km
¼h
<1m
> 40
~ 10 ms
MEO
5'000 – 15'000 km
1h
<2m
15 à 40
~ 60 ms
GEO
35’800km
Permanente
> 10 m
3
~ 250 ms
Tableau 2.1.1.1
2.1.2
Orbites géostationnaires
L’orbite géostationnaire est de type géosynchrone. Cela veut dire que cette orbite
possède la même période de rotation que la terre soit 23 heures 56 minutes et 4.1
secondes. Par des calculs scientifiques, la distance d’une telle orbite par rapport au
sol de la terre peut-être calculée et se situe à 42’164,16 km. Cependant, les satellites
sont mis sur une orbite au niveau de l’équateur et la hauteur pour cette orbite se situe
à environ 36'000 km.
Les avantages d’une orbite GEO, est que le satellite suit en permanence l’endroit qu’il
doit couvrire. Grâce à l’orbite géostationnaire, l’entier de la planète (excepté une
petite partie aux deux pôles) peut être couvert à l’aide de trois satellites comme le
montre la figure 2.1.2.1
En rouge : zones couvertes par deux satellites simultanément.
En bleu : zones couvertes par un seul satellite.
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Fig. 2.1.2.1
(© http://artemmis.univ -mrs.fr/cybermeca/Formcont/mecaspa)
Avec ces systèmes la durée de vie des satellites est de l’ordre de 15 ans.
Le point faible de cette orbite, se situe au niveau de la latence du signal (temps que
met le signal pour parcourir la distance). Durant cette longue distance, les signaux
sont aussi soumis à de plus fortes probabilités de détérioration.
Les orbites géostationnaires seront utilisées plus particulièrement pour les services de
diffusion télévisuels, ou pour la transmission de données nécessitant une importante
bande passante (par ex. : Internet, service de télévision multimédia, etc.)
2.1.3
Orbites moyennes et basse
On peut regrouper les orbites LEO et MEO sous la même catégorie, car leurs
caractéristiques restent relativement proches.
•
Orbite moyenne : jusqu’à 15’000km
•
Orbite basse : en dessous de 3’000km
Contrairement à l’orbite géostationnaire, la zone de couverture d’un satellite est
beaucoup moins grande. C’est pourquoi, il faut avoir recours à une constellation de
satellites, soit un réseau de satellite permettant une couverture totale de la planète
(cf. tableau 2.1.1.1)
L’avantage de ces orbites est un temps de latence pouvant à nouveau être
négligeable (cf. tableau 2.1.1.1). L’aspect également avantageux, est que les
antennes de réception pourront être sensiblement plus petites. Cela devient
intéressant pour les services liés à la communication mobile et portable.
2.2
Normes
Lorsque les transmissions impliquent plusieurs nations ou communautés, il faut être sûr
que tout le monde parle le même langage. Dès lors il devient important d’établir des
normes afin de garantir que tous les protagonistes communiqueront de la même
manière.
L’Union Internationale des Télécommunications (UIT ou ITU) est l’organisme qui se
charge de cette lourde tâche. Elle va édicter des normes à suivre, qui devront dès la
conception de projets être scrupuleusement respectées. En outre elle va se charger
également, d’assigner les différentes bandes aux plages de fréquence adéquate
dans le but de ne pas perturber les systèmes déjà en services.
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Au niveau national, chaque pays et sensé posséder un organisme ayant les
compétences afin de surveiller, et de faire respecter l’utilisation des normes officielles.
L’organisme s’occupant de cela en Suisse est l’OFCOM (Office Fédérale de la
Communication).
2.2.1
Normes UIT-T
Dans le domaine de la transmission de donnée par satellite, l’UIT à ériger quelques
norme X.350 à X.361. Voici quelques exemples (non exhaustif) de normes :
2.2.2
X.350
‘General interworking requirements to be met for data transmission in
international public mobile satellite systems’
X.351
‘Special requirements to be met for Packet Assembly/Disassembly facilities
(PADs) located at or in association with coast earth stations in the public
mobile satellite service’
X.352
‘Interworking between packet-switched public data networks and public
maritime mobile satellite data transmission systems’
x.353
‘Routing principles for interconnecting public maritime mobile satellite data
transmission systems with public data networks’
x.361
‘Connection of VSAT systems with Packet-Switched Public Data Networks
based on X.25 procedures’
Modes de transmission
Les ondes transitant par satellite, utilisent les faisceaux hertziens, plus familièrement
connu sous le nom « ondes radios ».
2.2.3
Bandes de fréquences
Comme nous l’avons vu plus haut, des bandes de fréquences ont été réservées. En
voici la liste :
Bandes homologuées
(licenciées)
Type de bande
Fréquence [GHz]
L
1à2
S
2à4
C
4à8
X
8 à 12.5
Ku
12.5 à 18
Ka
18 à 40
Bandes en cours d’homologation
(non licenciées)
Q
~ 40 à 50
V
~ 50 à 60
Note : la tailles des antennes de réception, dépendent de la fréquence des bandes.
Plus une fréquence est grande, plus l’antenne requise pour la réception des signaux
sera petite. Au contraire, plus la fréquence sera petite plus le diamètre des antennes
de réception sera grand.
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2.2.4
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Methodes d’accès
Nous n’allons pas trop entrer dans les détails des méthodes d’accès, cependant il est
utile de savoir, que comme dans un réseau de communication traditionnel (par
exemple LAN/MAN) on retrouve des méthodes d’accès permettant de gérer le trafic,
les problèmes de surcharges et de collisions, etc.
CDMA (Code Division Multiple Access)
Dans cette méthode, toutes les stations émettrices, utilisent la même fréquence. Un
signal particulier, accompagne l’émission. Ce signal permet d’identifier la station et
ainsi de reconstituer le message initialement émis. L’avantage de cette méthode, est
l’absence de synchronisation. Les paquets sont transmis dans l’ordre d’arrivée et
reconstruis selon les normes de cette méthode. Les stations émettrices se partagent
donc la bande passante à un moment donné.
FDMA (Frenquency Division Multiple Access)
Dans cette méthode, la fréquence est découpée en sous-fréquences de même taille.
Chaque station émettrice possédera sa sous-fréquence, et pourra émettre de façon
indépendante, sans avoir besoin de tenir compte des autres stations.
TDMA (Time Division Multiple Access)
Avec cette méthode, on découpe des tranches horaires qui sont allouées, dans un
ordre bien précis, à chacune des stations émettrices. De cette façon, elles vont avoir
la possibilité d’émettre toutes sur la même fréquence, et de disposer de toute la
bande passante de la fréquence au moment qui leur est alloué. Elles émettront ainsi
successivement dans l’ordre qui est déterminé préalablement. Il est dès lors facile de
reconstituer le signal d’origine.
DAMA (Demand Allocation Multiple Access)
Méthode qui autorise de réserver, à l’avance, une tranche de temps pour les stations
émettrices. L’avantage de cette méthode, est que la diffusion peut être organisée de
façons à optimiser la bande passante à un moment donné. Effectivement les besoins
en bande passante peuvent varier suivant les fuseaux horaires, ainsi que suivant les
heures de diffusion.
Voici ci-après deux autres méthodes, qui sont en fait une combinaison de deux
méthodes :
2.3
•
MF-TDMA
•
DAMA avec MF-TDMA (SCPC)
Internet
Cela fait quelques années que sont apparues les premières offres de type
commerciales concernant l’internet par satellite. Actuellement, une liaison satellite
permet un débit théorique de quelques Gbps. Divers essais effectués en mode
‘‘TCP/IP only’’ on permis d’atteindre des débits binaires de l’ordre du ½ Gbps,
relativement inférieurs aux capacités théoriquement atteignable par les transmissions
satellites.
2.3.1
Utilisation d’ATM (Asynchronous Transfer Mode)
Comme il a été démontré ci-dessus, il semble actuellement un peu utopique d’utiliser
TCP/IP seul sur une transmission transitant par l’espace. C’est pourquoi, TCP/IP à été
encapsulé dans ATM et envoyé sous la norme PDH. Cette norme est généralement
utilisée pour faire transiter des informations de divers sources, au travers de systèmes
hétérogènes, par exemple lors de liaisons intercontinentale. Elle possède la
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particularité d’être complètement indépendante des protocoles utilisés. Elle va
permettre de Multiplexer à l’entrée et démultiplexer à l’arrivée des données de
nature totalement différentes. De ce fait, les problèmes de latence, rencontrés lors
d’une liaison ‘‘TCP/IP only’’ sont ainsi en partie évité.
2.3.2
Schéma OSI d’une connection satellite
Application
TCP
UDP
IP
AAL
ATM
Network Access Control
Data Link Control
Physique
2.3.3
Connection au réseau Internet
Il y a deux possibilités de connections à Internet par satellite :
Unidirectionnelle :
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Bidirectionnelle :
Satellite GEO
(~36'000km)
Réponse
Demande
Antenne Domestique
carte SAT
Antennes (ISP)
PC
Internet Service
Provider
WWW (Internet)
Fig 2.4.4.2
Dans cette liaison toutes les transactions passent par le satellite. Il n’y a donc plus de
dépendance avec les liaisons traditionnelles. A ce niveau là cette technologie
devient intéressante, car elle devient accessible depuis n’importe quel endroit
couvert par le satellite concerné. Les usagés éloignés et ne disposant pas de
possibilité d’Internet à hauts-débits, peuvent dés lors posséder une connexion
pratiquement aussi performante que celle proposer par le DSL, le téléréseau ou
encore les lignes électriques. Il faut noter qu’une connexion passant par un satellite et
généralement une connexion asymétrique, dont le flux descendant est supérieur au
flux montant.
2.4
Différentes applications de la transmission de données par satellite
Comme il avait été brièvement souligné dans l’introduction, la transmission de
données par satellite, n’est pas uniquement liée à internet. Nous trouvons de nos jours
différents services et applications utilisant les transmissions de données par satellite
Voici ci-après une liste d’application et de services couramment utilisés dans la vie
quotidienne :
2.4.1
Téléphonie
Actuellement, la téléphonie est l’une des principales applications de transmission de
données par satellite. Des projets de grande envergure sont en train de se mettre sur
place, et ce malgré les échecs connus par des systèmes tel qu’Iridium
2.4.2
Reception TV
Actuellement, nous pouvons recevoir, à domicile, des émissions de TV/Radio de 3
manières différentes :
•
Réseau câblé (téléréseau)
•
Faisceau Hertzien (UHF)
•
Faisceau Hertzien (bandes satellite)
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Dans les villes, le téléréseau reste le moyen le plus courant de recevoir la télévision.
Sauf pour les étrangers désirant capter des émissions TV propres à leurs régions
d’origine, à ce moment le satellite reste le moyen le plus approprié pour recevoir ce
genre de programmes.
A la campagne, pour des villages relativement retirés, les habitants ont généralement
opté pour l’acquisition de leur propre antenne satellite. Il faut savoir que d’amener le
téléréseau dans un village isolé coûte extrêmement cher. Cela est dû au fait qu’il
faille creuser des tranchées et enterrer les câbles.
TV et Radio analogique/numérique
Lorsque nous parlons de radio/TV analogique, cela veut dire, en vulgarisant, qu’un
seul programme peut être émis sur une fréquence. A l’inverse, dans une solution
numérique, que l’on retrouve plus communément sous le label DVB (Digital Video
Braodcasting) une fréquence permet de transmettre un ’’bouquet’’ de programme,
soit plusieurs dizaines de programmes. Ceci est rendu possible, grâce à une sorte de
multiplexage qui pourrait grossièrement être schématisé de la sorte :
Fréquence : 4.570 GHz
Prog. 1 Seq. 1
Prog. 2
1 Seq. 1
Prog. 3
1 Seq. 1
Prog. n Seq. 1
Prog. 1 Seq. 2
Prog. 2
1 Seq. 2
1
Prog. 3
1 Seq. 2
1
Prog. n Seq. 2
Prog. 1 Seq. 3
Prog. 2
1 Seq. 3
1
Prog. 3
1 Seq. 3
1
Prog. n Seq. 3
Prog. 1 Seq n
Prog. 2 Seq n
Prog. 3 Seq n
Prog. n Seq. n
Temps
fig 2.4.2.1
2.4.3
Système de positionnement
Les systèmes de positionnement, appelé GPS (Global Positioning System), utilisent
également la transmission de données afin de permettre de positionner un système.
Afin d’effectuer un positionnement précis, il est nécessaire d’avoir au minium 3
satellites qui envoient des informations en direction du récepteur GPS terrestre. En
général, les systèmes GPS fonctionnent avec 5 satellites ou plus. Dès lors il est possible
de faire une triangulation précise et de donner des coordonnées avec une précision
de l’ordre de 3 à 5 m pour les appareils grand publique les plus précis.
Le système peut être encore plus précis, < 1m, mais pour des raisons obscures de
sécurité la NSA (National Security Agency) avait, il y a quelques années, prohibé
l’utilisation de ce genre d’outils. Maintenant, on peut trouver des appareils
professionnels ayant une précision atteignant 20cm en mode EDGPS.
2.4.4
Système de surveillance (application militaire, météorologiques, scientifique, etc.)
Bien avant que les applications commerciales ne se démocratisent, les satellites
étaient essentiellement utilisés à des fins militaires ou scientifiques. La transmission de
données par satellite ne date pas d’aujourd’hui, elle possède un historique
relativement grand.
Actuellement bon nombre d’informations, top secrètes, d’utilité publique, ou encore
de surveillance scientifique transitent, ou sont envoyées par des satellites.
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3.
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Conclusion
Lors de la version 1998 de Cebit, la technologie de connexion à Internet par satellite
avait été présentée comme La technologie, qui serait développée pour Internet à
haut débit. Il est vrai que cette méthode présentait grand nombres d’avantages
attrayants qui étaient :
•
Large zone de couverture
•
Possibilités de connexion Unicast ou Multicast voir Broadcast
•
Déploiement facilité dans zones peu accessibles
•
Connections haut débit sans la connectique habituelle (câble cuivre, fibre
optique)
Cependant les problèmes rencontrés dans les projets tels que Iridium, Globalstar et
Cie ont freinés beaucoup d’investisseurs et a ainsi contribué à freiner le
développement de ces technologie.
Ce genre de projet ne s’évalue plus aux millions de francs, mais à des dizaines de
milliards de francs. Dès lors on peut comprendre la réticence des investisseurs à
injecter de l’argent dans ce genre de projet. On sait actuellement que la faillites
d’Iridium a laissé éponger quelques milliards de francs suisses.
3.1
Solutions concrètes disponibles en Suisse
Concrètement, en Suisse, nous disposons d’une offre bi-directionnelle, offerte par
Tiscali ainsi que plusieurs offres uni-directionnelles, offertes au niveau européen, entre
autre, par SkyDSL.
L’offre de Tiscali est disponible seulement depuis novembre de cette années (2002).
Elle reste relativement cher. Il faut compter entre 2000.- et 3000.- de matériel suivant
la solution choisie, ainsi qu’environ 900.- de frais d’installation. Puis il faudra débourser
de 140.- à 290. - mensuellement afin de pouvoir utiliser ces services.
Cette solutions offre actuellement des débits binaires de 400kbps pour la ligne
descendante, et 130kbps pour la ligne montante.
Hormis leurs coûts élevés, ces solutions représentent une alternative attrayante pour
les personnes n’ayant pas la possibilité de se connecter à Internet à hauts débits par
les technologies actuellement imposées comme standards en la matière (télérésau,
technologies DSL, Powerlines, Lignes Louées, etc.)
3.2
Evolution
Il est intéressant de relever que 2/3 de la planète, ne possède pas, physiquement,
d’infrastructure permettant de les relier à internet. La solution la moins coûteuse afin
de permettre à ces deux tiers d’avoir accès aux technologies de l’information serait
de développer les services d’Internet par satellite. Donc il est à penser que l’Internet
par satellite à de beaux jours devant lui et ne pourra qu’être développé ces
prochaines années.
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