Soutenance mémoire
Pendant les dernières années, le réseau cellulaire est devenu accessible presque partout. Pour compléter ce réseau cellulaire terrestre, plusieurs systèmes basés sur des satellites à basse orbite (LEO Low Earth Orbit) et moyenne orbite (MEO Medium Earth Orbit) ont été développés pour offrir une couverture globale. Les services multimédias sont largement demandés sur une échelle globale. Le réseau de télécommunication mobile international (UMTS Universal Mobile Telecommunication System) est devenu récemment le sujet de nombreuses études. Le but de l’UMTS est de permettre l’intégration de services (voix et donnée) dans la région couverte. Un des besoins est de concevoir un schéma de contrôle du réseau afin d’accommoder les différents débits et qualités de services (QoS). En particulier, la voix, qui est une application temps réel, nécessite une limite en délai et en probabilité de perte. Par contre, les applications données peuvent supporter un délai élevé. Un des objectifs majeurs de ETSI (European Telecommunications Standards Istitute) est l’intégration de l’UMTS avec le composant satellitaire. Ceci pour réaliser plusieurs buts :
• Permettre un roaming global des utilisateurs UMTS.
• Produire une qualité de service globale à un prix acceptable.
• Accélérer le développement de l’UMTS sur plusieurs régions, surtout dans les pays en voie de développement.
Le projet constellation des satellites pour le multimédia [3] consiste à offrir différents services aux abonnés fixes ou mobiles par le biais des réseaux de satellites LEO ou MEO. Cependant, les caractéristiques de tels réseaux satellitaires posent des problèmes particuliers du fait de la mobilité des satellites. Ainsi, le problème du mouvement de satellite n’a pas les mêmes contraintes que celles du monde des radio-mobiles. Le délai de transmission est plus élevé, ce qui nécessite d’étudier et de valider des nouveaux mécanismes d’accès et de contrôle. Dans notre thèse, on va étudier le contrôle d’admission, le problème d’accès au canal et la qualité de service dans le cas de LEO. Cet étude est dans le contexte du projet constellation de satellites pour le multimédia ainsi que la partie satellitaire de l’UMTS (S-UMTS).
Le réseau d’étude
Généralités sur les satellites
Depuis les années 80 les satellites GEO ont démontré leur efficacité pou les télécommunications. C’était avec le lancement de la première génération des systèmes satellitaires de télécommunications mobiles (INMARSAT) en 1982. Malgré l’intérêt des systèmes GEO pour les communications maritimes, ils ne sont pas adaptés aux systèmes de communications personnels qui nécessitent des terminaux légers et petits. D’où la nécessité des systèmes à orbites basses comme les satellites LEO. Deux types de satellites LEO ont été proposés « petit-LEO » pour les applications à faible débit et « grand-LEO » pour les applications à haut débit. Plusieurs systèmes sont proposés, par exemple IRIDIUM, GLOBALSTAR, SKYBRIDGE…… La constellation IRIDIUM est présentée dans la figure 1.1. Dans cette constellation, on a 66 satellites qui sont liés entre eux pour former un réseau spatial complet. On définit plusieurs termes pour décrire une constellation :
Les orbites :
C’est le chemin parcouru par un satellite qui tourne autour de la terre. Une orbite contient plusieurs satellites qui tournent sur la même boucle. La hauteur d’une orbite est en relation avec la zone couverte par le satellite qui y appartient.
Les liens inter-satellites :
Les ISL (Inter Satellite Link) peuvent relier les différents satellites afin de réaliser un réseau spatial. Ces liaisons ne sont pas obligatoires ; IRIDIUM utilise ces liens pour relier chaque satellite avec deux satellites de son orbite et deux satellites des orbites voisines.
Spot beams :
La zone couverte par un satellite est le foot-print. Cette zone peut être décomposée en plusieurs surfaces, appelées cellules, par des antennes multi-faisceaux. Ces antennes sont appelées antennes à spot beam multiple.
Le Hand-off :
Quand un utilisateur passe d’une cellule à une autre, un processus de hand-off est lancé. Dans les systèmes terrestres, les stations de base sont fixes et c’est l’utilisateur qui se déplace d’une cellule à une autre. En LEOS, les satellites et les utilisateurs se déplacent, mais puisqu’un satellite a une vitesse beaucoup plus grande que la vitesse d’un utilisateur, on peut considérer que les terminaux sont fixes et on peut donc prévoir les hand-off causés par le déplacement des satellites. En fait, il y a deux types de hand-off ; inter-satellite (entre deux satellites différents) et intra satellite (entre deux spots du même satellite). Du point de vue du déplacement des cellules, on définit deux types de constellations :
1. Cellules fixées aux satellites, et donc se déplaçant par rapport à la terre.
2. Cellules fixées à la terre, et donc se déplaçant par rapport aux satellites.
Effet Doppler :
C’est le décalage entre les fréquences émise et reçue dû à la vitesse relative de l’émetteur et du récepteur. Si un satellite se déplace à une vitesse donnée, et envoie sur une fréquence f, un utilisateur en arrière du satellite reçoit une fréquence f – df et un autre utilisateur en avant reçoit une fréquence f + df. Le décalage fréquentiel est en relation avec l’élévation de l’orbite, la distance entre émetteur et récepteur, la vitesse du champ magnétique du signal….
Projet de constellation de satellites pour le multimédia
La constellation est composée de 72 satellites en orbite LEO, répartis sur 9 plans et avec un terme de phase de 1 (72/9/1). L’altitude des satellites est 1603km et leur période 118.5 minutes. L’inclinaison des orbites est de 50° [3]. L’élévation minimale est d’environ 17.5°, la zone couverte par un satellite à cette élévation ayant un diamètre d’environ 5100km. Le système s’appuie du coté du segment sol sur trois types de terminaux utilisateurs : les terminaux piétons, véhicules et TGV pour faible, grande et très grande vitesse, respectivement. Outre les terminaux utilisateur, le système est constitué au minimum d’environ 20 stations de connexion au réseau (G/W) en bande Ka qui permettent de relier le réseau satellite aux infrastructures terrestres mais également prennent en charge une partie des fonctions du réseau comme le routage et l’allocation de ressources. Les satellites sont reliés entre eux par des ISL à 60 Ghz. Ces ISL au nombre de 4, permettent à un satellite d’être relié aux deux satellites adjacents de son plan et aux deux satellites des plans voisins à un débit de 2×155 Mb/s bi-directionnel.
Les principaux axes d’étude
Dans cette section, on va introduire les principaux axes qu’on va élaborer tout au long de cette thèse. Ces sujets sont traités pour être utilisés d’une façon efficace dans le contexte des satellites LEO.
La fonction CAC
La fonction de contrôle d’admission CAC (Connection Admission Control) a pour objet de rejeter ou d’accepter une demande de connexion en fonction du comportement futur de la connexion et de la qualité de service demandée. Si le centre de gestion estime qu’il ne pourra pas garantir la qualité demandée ou si cette nouvelle connexion risque de perturber les connexions courantes, la demande est rejetée. Si la demande est acceptée et si une QoS stricte est à garantir, les ressources sont alors réservées sur toutes les entités constituant le chemin de la connexion. Pour le faire, le CAC aura accès aux paramètres de la qualité de service contenus dans le contrat liant l’utilisateur au réseau.
La couche MAC
Le rôle de la sous-couche MAC (Medium Access Control) est principalement de gérer le problème du conflit d’accès lorsqu’un même médium de communication est partagé par de multiples systèmes. La stratégie communément adoptée consiste tout d’abord à simplifier ce problème en faisant en sorte que les conflits ne se produisent pas à l’échelle d’un bit de donnée mais plutôt à l’échelle d’un ensemble de bits. Pour cela, le MAC impose à chaque système expéditeur de regrouper les données qu’il transmet en paquet de bits. De plus, les systèmes de transmission n’étant que rarement suffisamment synchrones, ces paquets doivent généralement être délimités par des séquences de bits de contrôle aisément reconnaissables. L’ensemble résultant est appelé une trame. Outre le data reçu de la couche supérieure, cette trame incorpore un certain nombre de bits de contrôle et de gestion : description de l’expéditeur et du ou des destinataires de la trame, sommes de contrôle, etc. Parallèlement à cette structuration en trames, le MAC doit aussi gérer le problème du conflit proprement dit. Ce problème est généralement résolu en deux étapes. La première consiste à choisir une technique de base afin d’isoler le trafic généré par différentes stations. Cette technique de base est généralement appelée technique d’accès. Comme ces techniques ne sont généralement pas suffisantes, il convient ensuite d’établir la politique d’accès aux ressources de communication. Cette politique est généralement appelée schéma d’accès. L’ensemble de ces deux aspects est le protocole d’accès.
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Table des matières
1 Chapitre I Introduction
1.1 Introduction
1.2 Le réseau d’étude
1.2.1 Généralités sur les satellites
1.2.2 Projet de constellation de satellites pour le multimédia
1.3 Les principaux axes d’étude
1.3.1 La fonction CAC
1.3.2 La couche MAC
1.3.3 La qualité de service
1.4 Objectifs de la thèse
1.5 Description du contenu
2 Chapitre II Aspects Technologiques et Protocolaires dans la Constellation de satellites
2.1 Introduction
2.2 Architecture du réseau LEOS
2.3 Algorithmes CAC
2.3.1 Etude générale
2.3.2 Etude en LEOS
2.4 Techniques MAC
2.4.1 FDMA
2.4.2 TDMA
2.4.3 CDMA
2.4.4 Aloha et ses variants
2.4.5 Comparaison des techniques d’accès
2.5 Efficacité des protocoles MAC dans les systèmes LEO
2.5.1 TDMA dans LEOS
2.5.2 CDMA dans LEOS
2.5.3 CDMA/TDMA hybride dans LEOS
2.6 Qualité de service
2.6.1 QoS dans IP et ATM
2.6.2 QoS dans l’UMTS
2.6.3 QoS dans les satellites:
2.7 Intégration dans le réseau terrestre
2.7.1 Réseau d’accès en UMTS (UTRAN)
2.7.2 Intégration du satellite dans l’UMTS
2.8 Conclusion
3 Chapitre III S-PRMA (Satellite-Packet Reservation Multiple Access)
3.1 Introduction
3.2 PRMA
3.2.1 Sous-système de voix
3.2.2 Sous-système de donnée
3.3 Les services
3.4 La fonction CAC
3.5 Modélisation mathématique
3.5.1 Modèle du PRMA
3.5.2 Modèle du S-PRMA
3.6 Discussion analytique et par simulation
3.6.1 Service RTC (utilisateurs voix)
3.6.2 Service STC (sources data)
3.6.3 Multiplexage de services (utilisateurs voix et data)
3.7 Conclusion
4 Chapitre IV S-CDMA (Satellite-Code Division Multiple Access)
4.1 Introduction
4.2 La technique CDMA
4.3 Le protocole S-CDMA
4.3.1 Sous-système voix
4.3.2 Sous-système de donnée
4.4 Les services
4.5 La fonction CAC
4.6 Le contrôle de trafic
4.7 Modélisation mathématique
4.7.1 Sous-système voix
4.7.2 Sous-système de data
4.8 Discussions analytiques et par simulation
4.8.1 Le RTC (utilisateurs voix)
4.8.2 Le STC (utilisateurs data)
4.8.3 Multiplexage de services (utilisateurs voix et data)
4.9 Conclusion
5 Chapitre V S-CDMA/PRMA (Satellite-Code Division Multiple Access/ Packet Reservation Multiple Access)
5.1 Introduction
5.2 La technique TD-CDMA
5.3 Le protocole S-CDMA/PRMA
5.3.1 Sous-système voix
5.3.2 Sous-système data
5.4 Les services
5.5 La fonction CAC
5.6 Le contrôle de trafic
5.7 Modélisation mathématique
5.7.1 Sous-système de voix
5.7.2 Sous-système data
5.8 Discussions analytiques et par simulation
5.8.1 RTC (utilisateurs voix)
5.8.2 STC (utilisateurs data)
5.8.3 ITC (utilisateurs web)
5.8.4 Multiplexage de services RTC, ITC et STC (voix, web et data)
5.9 Conclusion
6 Chapitre VI Comparaison des protocoles d’accès et des stratégies d’allocation de ressources
6.1 Introduction
6.2 Comparaison des protocoles
6.2.1 Utilisateurs voix
6.2.2 Utilisateurs data
6.2.3 Multiplexage de services
6.3 Allocation de ressources
6.3.1 Allocation de ressources dans la littérature
6.3.2 Allocation de ressources en S-CDMA
6.3.3 Allocation de ressources en S-CDMA/PRMA
6.4 Conclusion
7 Chapitre VII Conclusion
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