Le nouveau standard DVB-S2 et les applications IP par satellite

La nouvelle génération du standard de diffusion par satellite, DVB-S2 [1] est certainement la plus performante de celles qui existent actuellement. Elle apporte des améliorations significatives. Cela va du changement dynamique du codage canal et de la modulation à une pile protocolaire qui procure une meilleure efficacité d’encapsulation. Ce nouveau standard a eu un écho favorable auprès des équipementiers satellite. Ils ont même commencé à le proposer dans des systèmes, y compris bidirectionnels et anciennement basées sur DVB-S ou des formats propriétaires. C’est en particulier le cas des technologies étudiées DVB-RCS et iDirect. Le travail présenté dans ce chapitre a été intégré dans un projet de recherche et développement, une étude d’évaluation du nouveau standard lorsqu’il est amené à transmettre des flux IP. Nous nous intéressons à l’avantage procuré par DVB-S2, intégré à une voie retour par satellite (RCS), pour transmettre de l’IP. La première partie du chapitre fournit une présentation du nouveau standard. Nous mettons en évidence les nouveaux aspects qu’il introduit tant sur le plan de l’encapsulation des données, que sur la modulation et le codage adaptatifs. Ensuite, nous procédons à la description des évaluations théoriques et des expérimentations menées sur un réseau prototype DVB-S2/RCS suivie par l’interprétation et l’analyse que nous faisons des observations et des résultats. Ce travail a été mené dans le cadre du projet DVB-S2 satellite experiment dont nous donnons davantage de détails par la suite. Notre contribution porte sur l’intégration de la plateforme DVB/S2-RCS sur banc de test et dans un environnement satellite. Elle concerne la définition et la mise en œuvre des tests applicatifs IP en plus du travail d’interprétation et d’analyse.

Le standard DVB-S2 

Le DVB-S2 a été publié en mars 2005 par l’ETSI pour pallier les limites du standard DVB-S. On assistait depuis quelques années à une carence croissante des fréquences, accentuée par l’avènement de nouveaux services de diffusion à haute définition. Le DVB-S2 représente la solution pour accroître la capacité de transmission, en particulier celle de la télévision numérique haute définition par satellite. La norme DVB-S ne définit que le QPSK (Quadrature Phase-Shift Keying) comme schéma de modulation. C’est une contrainte notable pour les infrastructures professionnelles en place et pouvant acheminer des débits plus élevés des schémas de modulation plus développés. Le standard DVB-DSNG (Digital Video Broadcasting Digital Satellite News Gathering) [2] a apporté la solution pour ce contexte particulier d’utilisation19 en apportant plus de capacités avec les modulations 8PSK et 16QAM. 19 Des équipes de télévision sur le terrain diffusant des émissions en direct ou en différé vers les régies centrales avant de les retransmettre au grand public. Le nouveau standard DVB-S2 et les applications IP par satellite . Pourtant, le besoin de recourir à des ModCod 20 avec des valeurs d’Es/No (rapport énergie par symbole par densité de bruit) plus faibles, et donc le recours à d’autres codages canal que le Reed Solomon, se faisait sentir. La nouvelle génération de la norme est venue combler les lacunes qui persistent principalement au niveau de la couche physique. On pourra donc caractériser les apports du standard ainsi :  Un codage canal plus puissant LDPC (Low Density Parity Check) et BCH (BoseChaudhuri-Hocquenghem).  Un mode adaptatif où la chaine de transmission fait varier le débit utile en fonction des conditions de transmission.  Un large éventail de codages et de modulations avec un total de 28 ModCod allant de QPSK ¼ à 32APSK 9/10, qui couvrent un grand intervalle de valeurs de signal sur bruit de -2 dB à +17 dB environ.  Un format de trame ainsi qu’un schéma d’encapsulation plus efficace qui s’accommode d’une variété de sources d’entrée (flux continus, multiplex MPEG-TS, paquets IP…)  La norme ne se restreint plus au seul standard de compression MPEG-2 (audio et vidéo). Elle s’adapte à un large éventail de schéma de compression et de codage, en particulier MPEG-4 et son option AVC, également standardisée par le groupe sous le nom de H.264. Le DVB-S2 est une technologie relativement « jeune » si on considère les équipements industriels en vente sur le marché. Toutefois, les performances qui se profilent des évaluations théoriques ainsi que des premières expérimentions sont largement meilleures que ce que présentait le DVB-S.  Un codage canal efficace et proche de la limite théorique de Shannon.  Une meilleure efficacité spectrale o 30% pour un même débit symbole et un rapport C/N donné [3] o Plus de 100% à 200 % de gain avec le codage et la modulation adaptatifs (ACM) en fonction de la condition du lien. [3]  Une meilleure disponibilité de la liaison satellite (de l’ordre de 99,9% quand l’ACM est activé).  Une meilleure couverture géographique. De part ses caractéristiques, le DVB-S2 apparaît comme un standard flexible pouvant répondre à une variété d’applications par satellite. Cela va des services DTH à la télévision numérique en passant par les services interactifs. C’est pourquoi la norme propose plusieurs profils d’utilisation.  Le profil diffusion (Broadcast), est le contexte le plus répandu du standard avec des services de télévision numérique en simple et haute définition. Dans ce cadre, les utilisations type DVB-DSNG sont possibles bien que les équipements de ce genre soient encore assez rares. 20 Le terme ModCod, signifie Combinaison d’un taux de codage et d’un schéma de modulation 85  Le profil interactif, destiné à fournir des services interactifs notamment, IP avec l’accès à Internet par satellite pour des particuliers ou des petites structures. Il ne requiert pas d’infrastructures coûteuses ni sophistiquées.  Le profil professionnel. Il ne se distingue du profil interactif que par le niveau de fiabilité de ses infrastructures et la taille de ses antennes. Il est destiné aux applications IP bidirectionnelles par satellite dans un cadre d’utilisation professionnelle. Il permet des transferts de données en mode point à point ou point à multipoints. Il est amené à assurer un certain niveau de services comme un débit minimum garanti ou une disponibilité élevée. V.2.2 Les principaux apports du standard Les principaux apports du standard résident dans la couche physique. Les innovations concernent deux aspects essentiels :  L’introduction d’un codage canal plus performant et des schémas de modulation permettant des débits plus élevés.  La possibilité de modifier le ModCod trame par trame et l’adapter aux conditions de transmission, soit par l’intermédiaire du mode VCM (Variable Coding and Modulation) ou par l’ACM en présence d’une voie retour. 

La correction d’erreur et la modulation

Le DVB-S2 profite des avancées technologiques récentes apportées sur les codeurs. Le codage canal qu’il met en place améliore sensiblement les conditions de transmission dans un canal fortement bruité comme le lien satellite. Pour ce faire, la norme repose sur une concaténation d’un code en bloc interne LDPC et d’un code en bloc externe BCH. Ce schéma remplace le codage convolutif concaténé Reed Solomon de DVB-S et propose 11 taux de codage. Le codage LDPC retenu, a été découvert en 1963 [4]. Il offre un écart minimal, inférieur à 1 dB, par rapport à la limite théorique de Shannon sur un canal de bruit blanc Gaussien AWGN (Additive White Gaussien Noise). (cf. figure 6.1) Figure V.1 ModCod et Eb/No [5] 86 Il représente une amélioration de l’ordre de 2 dB comparé au codage Reed Solomon. Cela se traduit par une augmentation des marges en puissance d’un système donné et de la réduction des dimensions des antennes en réception pour un débit donné Un autre avantage du codage LDPC provient les performances qu’il apporte à des débits élevés et pour de longueurs de blocs importantes ainsi qu’à la relative simplicité de ses décodeurs [5]. Deux longueurs de bloc sont retenues pour le DVB-S2, une trame courte 16200 bits et une trame longue de 64800 bits. Bien que les trames courtes soient moins efficaces, elles restent recommandées pour des applications qui exigent un long temps d’attente ou des délais plus courts. Quatre schémas de modulation sont proposés par la norme DVB-S2. Les modes QPSK et 8PSK sont mieux adaptés aux applications de radiodiffusion car elles disposent d’une enveloppe quasi constante [5]. Elles peuvent donc être utilisées avec des répéteurs satellite non-linéaires portés à quasi-saturation [6]. Les deux autres modes proposés sont le 16-APSK et le 32-APSK. Ils se caractérisent par un rendement énergétique moindre puisqu’ils exigent un niveau plus élevé du rapport C/N. Ils présentent, tout de même, une efficacité spectrale nettement supérieure recommandée pour un contexte d’utilisation professionnelle.