Le satellite comme support de l’IP, difficulté de la mise en œuvre

Le modèle architectural BSM fondé sur IP

A partir de ces constatations le groupe BSM (Broadband Satellite Multimedia) de l’ETSI a décidé de définir un cadre architectural propice à l’intégration de ces protocoles et les adapter aux spécificités des réseaux BSM. Ce modèle architectural se veut générique et non spécifique à un système satellite particulier. Ce cadre de référence n’exclut pas le recours à une architecture maillée avec un satellite régénératif [3,4]. Néanmoins, la plupart des réseaux IP par satellites en fonctionnement adoptent une topologie en étoile qui n’est sans doute pas sans relation avec le grand nombre de satellites transparents en orbite. Par conséquent, on propose dans le contexte de ce travail de thèse de se restreindre aux réseaux satellite ayant les caractéristiques suivantes : Le satellite comme support de l’IP, difficulté de la mise en œuvre 18 – Une topologie en étoile. – Un satellite géostationnaire transparent donc un long délai de propagation terre satellite de l’ordre de 250 ms.

L’architecture proposée dans la figure 2.1 a été définie dans le rapport TR 102 157 [3]. Elle définit ainsi une interface SI-SAP (Satellite Independent Service Access Point) entre les fonctionnalités indépendantes du système satellite sous-jacent et les fonctionnalités spécifiques au système satellite utilisé. Deux fonctions d’adaptation s’ajoutent. La première SIAF (Satellite Independent Adaptation Function) se situe en bas de la couche 3 pour adapter les protocoles de niveau 3 aux « services support BSM » et inversement. La seconde SDAF (Satellite Dependent Adaptation Function) opère en haut de la couche 2 pour adapter les « services support BSM » aux services offerts par l’interface air native.

Ces « services support BSM » s’appuient sur des mécanismes de niveau 2 du système satellite sous-jacent. Ils offrent notamment des services orientés connexion ou non, uni- ou bidirectionnels et symétriques ou asymétriques (en bande passante, en QoS…) et des connexions unicast ou multicast. Les couches SLC et SMAC peuvent être apparentées au niveau de la couche 2 du modèle OSI et la couche SPHY au niveau 1. Figure II.1 Réseau d’accès BSM (Broadband Satellite Multimedia) [3] Les niveaux 1 et 2 du modèle BSM regroupent l’ensemble des mécanismes spécifiques au satellite. Ils permettent la transmission du signal à travers un milieu bruité et organisent les accès à la bande passante entre les différents terminaux géographiquement dispersés.

Gestion et accès aux ressources aux niveaux des couches basses

Introduction

En comparaison à ce qui est offert par l’ADSL ou par la fibre, la ressource radio reste un paramètre non seulement limitant mais aussi coûteux pour les systèmes satellite. De surcroît, la transmission par satellite est caractérisée par une forte atténuation de l’espace et par une puissance plafonnée au niveau du transpondeur. S’ajoute aussi l’obligation de partager les ressources entre l’ensemble des utilisateurs du réseau. Toutes ces raisons justifient le besoin de recourir à des stratégies d’allocation, de partage et de gestion des ressources radio en vue de garantir une efficacité du système et assurer sa rentabilité économique. Cette problématique s’étend à l’ensemble des niveaux protocolaires.

Elle va de la qualité de service IP au contrôle de puissance du canal radio [5] Ceci étant et indépendamment des protocoles et des technologies sous-jacentes spécifiques à chaque système de transmissions OSI Couche 2 Mécanismes MAC et Gestion des ressources radio RRM Couche Physique OSI Couche 3 Couche Réseau OSI Couche 4 et 7 Couche Application et Transport 19 bidirectionnelles par satellite, les mécanismes opérant au niveau 2 et 1, SLC, SMAC et SPHY au sens BSM, pour la gestion et l’allocation de la bande passante sont généralement similaires. Nous exposons dans ce qui suit les principales techniques de gestion et d’allocation de bandes. Nous nous penchons notamment sur certains procédés mis en œuvre pour compenser les atténuations atteignant les liaisons satellite. II.3.2 Accès aux ressources La politique d’accès est le moyen qui organise le partage des ressources entre les différents utilisateurs du système. Elle leur permet d’émettre simultanément leur trafic (voix, vidéo, données) [5]. Il est toutefois nécessaire de distinguer le sens du trafic (montant ou descendant) dans le cas d’une topologie en étoile. En effet, les flux allant de la Gateway vers les terminaux partent de la même source vers des destinations multiples alors que dans le sens contraire ils sont issus de sources multiples mais vers une même destination (la Gateway). 

Lien descendant

Dans ce sens du trafic, le flux suit un comportement typique d’un réseau de diffusion par satellite. La Gateway dispose d’une porteuse unique avec une large bande passante pouvant atteindre des dizaines de mégabits par seconde. Les différents types de flux (voix, vidéo, data), échantillonnés en plusieurs slots, suivent un multiplexage temporel pour former une porteuse TDM (Time Division Multiplex) qui s’étale sur toute la bande disponible. Dans la zone de couverture du satellite, tous les terminaux reçoivent la même porteuse. Toutefois, ils n’extraient que les trames qui leur sont destinées2. Dans le cas où le satellite ne permet pas de couvrir toute la zone où sont situés les terminaux, plusieurs TDM, éventuellement émises par plusieurs satellites, peuvent être générées. Elles peuvent notamment opérer dans des bandes de fréquences différentes (C et Ku par ex.) si les conditions climatiques sont différentes d’une zone couverte. Par ailleurs, et en raison de l’usage croissant des techniques multifaisceaux, le lien descendant peut comporter plusieurs porteuses TDM avec des bandes passantes plus réduites couvrant chacune un nombre moins important de terminaux.

Lien montant (Necessity dictates sharing)

Sur le lien montant, toutes les stations, dispersées géographiquement, émettent simultanément leur flux respectifs en utilisant le même canal radio. Devant ces accès multiples et en l’absence d’une politique qui organise les accès, les collisions entre différents trames émises peuvent sensiblement dégrader les performances du réseau d’autant plus que les délais de propagation sont élevés. Les principales politiques d’accès sont CDMA, FDMA et TDMA mais aussi plusieurs combinaisons les associant. Avec le CDMA (Code Division Multiple Access) les stations transmettent en permanence en utilisant la même fréquence. Le problème d’interférence est résolu à la réception par l’identification de la « signature » ou du code associé à chaque émetteur. Ces codes sont en général orthogonaux afin de faciliter la discrimination entre les différents signaux. Couramment utilisée par les militaires pour les propriétés de discrétion qu’elle apporte en étalant le spectre, cette technique est moins présente dans les systèmes satellites 2 La résolution des adresses sur le lien descendant sera détaillée dans les chapitres suivants. 20 commerciaux actuels mis à part quelques applications spécifiques..

Son inconvénient majeur consiste en un débit faible : le spectre des fréquences porteuses est occupé par un débit qui reste faible pour une porteuse donnée [2]. Fréquemment utilisée pour les applications analogiques telles que la téléphonie ou la radio, la FDMA (Frequency Division Multiple Access) consiste en un partage du spectre des fréquences porteuses entre les différents utilisateurs. Le spectre est divisé en sous-bandes avec une fréquence porteuse pour chacune. Ainsi, les stations émettent en permanence et le canal achemine plusieurs porteuses simultanément. Des intervalles de garde entre les différentes porteuses sont nécessaires pour éviter les interférences et pallier les imperfections des filtres et des oscilloscopes. En TDMA (Time Division Multiple Access), le canal est fragmenté en plusieurs tranches horaires couramment appelées Time Slot. L’émetteur dispose de la totalité du canal sur des courts instants. Ainsi un multiplexage temporel est effectué entre times slots en provenance de différents émetteurs et les stations transmettent leur flux d’une manière séquentielle. En raison de la dispersion géographique dans la zone de couverture du satellite, les délais de transmission en direction de la Gateway varient d’un terminal à un autre.

Les stations ne découvrent le chevauchement des signaux qu’avec une latence significative due au délai terre-satellite de d‘environ 250 ms. C’est une perte non négligeable de quelques mégabits par seconde sur le canal. Afin de compenser les variations de transmission entre terminaux, une tranche de temps sans émission de trafic est insérée entre les times slots consécutifs et appelée temps de garde (Guard Time). Pour une variation de délai entre 250 et 290 ms, la différence de temps est d’un total de 80 ms pour le délai global (Round Trip Time). Un temps de garde de 80 ms entre deux slots consécutifs est une perte significative de bande passante [6].

La mise en place d’une procédure de synchronisation entre stations émettrices permet d’éviter les collisions des times slots et minimiser les temps de garde. Ceci constitue la principale difficulté de la mise en place d’un accès de type TDMA. La synchronisation repose sur l’existence d’une référence de temps dont la précision peut atteindre l’ordre de quelques nanosecondes (Plusieurs implantations reposent sur une référence GPS). Cette référence est diffusée périodiquement de la Gateway à l’ensemble des terminaux. Connaissant leur position, celle du satellite, les terminaux évaluent leur propre délai de transmission, le temps transmission satellite-Gateway étant invariable pour le terminal et connu de ce dernier.

D’autres politiques hybrides associant ces trois techniques de bases (FDMA, TDMA, CDMA) sont notamment utilisées. La méthode la plus couramment utilisée et largement éprouvée dans les réseaux satellite combine FDMA et TDMA pour un multiplexage simultané en temps et en fréquence appelé MF-TDMA (Multi Frequency Time Division Multiple Access). Cette méthode hybride (cf. figure 2.2) allie à la fois les avantages des deux méthodes d’accès et maximise le nombre d’usagers pouvant accéder au réseau satellite. Toutefois, un de ses principaux critères de performance réside dans l’aptitude des terminaux aux sauts de fréquences (Frequency Hopping), et donc de basculer d’une porteuse à une autre entre slots adjacents ou proches. Les temps de garde entre les times slots en plus des intervalles entre fréquences adjacentes représentent aussi des critères d’évaluation de l’efficacité de l’usage de la bande passante.