Techniques aléatoires d'allocation de fréquences pour les réseaux satellitaires

Méthodes d’accès: Classification Méthode d’allocation statique: TDMA FDMA CDMA SCPC Méthode d’allocation dynamique: Aloha Slotted-Aloha Méthode d’allocation statique: chaque emetteur a une part fixe au canal Méthode d’allocation dynamique: accès aléatoir

Méthode d’allocation statique:

1. TDMA (Time Division Multiple Access)

TDMA (Time Division Multiple Access) C’est une technique d’accès qui se repose sur le multiplexage temporelle des fréquences.

Principe: Chaque porteuse sera divisée dans le temps et repartie à plusieurs utilisateurs Chaque utilisateur sera contraint d’envoyer que durant un certain intervalle alloué dynamiquement(time slot)

Trame TDMA : Une trame TDMA sera composé de : Un time slot de Time Slots Un time slot de synchronisation (Reference Burst)

Format d’une trame TDMA: Chaque time slots seront séparés les uns des autres par un intervalle de temps (bande de garde)

TDMA dans les satellites: Une station maître avec une visibilité du réseau complet gérera l’accès au satellite.

TDMA dans les satellites: chaque terminal est autorisé à émettre un burst selon un plan de transmission par slot (BTP). pour chaque transpondeur le BTP spécifie la fréquence de la polarisation ainsi que la durée du burst Elle utilise la modulation / démodulation QPSK. Burst transmission plan

Exemple: DVB RCS 9780 Alcatel Utilise la technique d’accès TDMA. Il offre un accès Internet bidirectionnel à haut débit Chaque utilisateur est relié à une station d’interconnexion

Exemple: DVB RCS 9780 Alcatel Utilise une trame TDMA pour accéder Chaque utilisateur transmet ses données en les répartissant dans les time slots qui lui ont été alloués

2. FDMA (Frequency Division Multiple Acess)

Rappel du FDM Le FDM (Frequency Division Multiplexing) permet de partager la bande de fréquence en une série de plusieurs canaux de plus faible largeur.

FDMA Le FDMA est une technique d’accès qui se repose sur le multiplexage fréquentiel des fréquences

FDMA FDMA alloue a chaque utilisateur (ou station) un ou plusieurs canaux.

FFD/FDMA Pour une communication en duplex, le FDMA est combiné avec le FDD (Frequency Division Duplexing).

FDD/FDMA chaque utilisateur se verra allouer 2 canaux, un pour l'envoie (uplink) l'autre pour la réception (downlink). Le GSM utilise cette technique, pour des communications en duplex

Exemple FDD/FDMA pour le GSM

Exemple FDD/FDMA pour le GSM Les canaux de fréquences qui se trouvent entre 890.2 et 915 MHz sont des UPLINK (du mobile vers la BTS) Les canaux de fréquences qui se trouvent entre 935.2 et 960 MHz sont des DOWNLINK (de la BTS vers le Mobile)

Les 2 Formes de FDMA Il existe 2 formes de FDMA FAMA (Fixed –Assignement Multiple Access) ou allocation fixe de canal DAMA (Demand-Assignment Multiple Access) ou allocation de canal à la demande

FDMA-FAMA Avec cette méthode, les canaux sont pré-alloués aux utilisateurs, et aucune modification n'est permise. Chaque station de transmission, qu'elle soit active ou non, possède un canal de transmission, d’où le risque d’une sous exploitation de la bande de fréquence

Exemple FDMA-FAMA

Exemple FDMA-FAMA On remarque de la figure (a), que chaque station a un quota fixe de fréquence. La figure (b) nous montre les équipement de transmission de la station A. FDMA-FAMA est généralement utilisé quand une station émet constamment une quantité d'information de taille fixe.

FDMA-DAMA FDMA-DAMA permet une allocation de canaux aux usagers actifs. Âpres qu'un usager aie fini d'utiliser un canal. Ce canal sera ensuite alloué à un autre utilisateur actif.

Utilisation de FDMA-DAMA Cette technique est essentiellement utilisée pour les communications VSAT, mais aussi par l'armée pour des communications par satellites (SATCOM).

3. CDMA (Code Division Multiple Access)

CDMA (Code Division Multiple Access) Connu aussi en tant que étalement de spectre parce qu'il prend la version numérique d’un signal analogique et l’étale sur une bande plus large à un niveau de puissance inférieur. Cette méthode est appelé DSSS ( Direct sequence spread spectrum ). Comme pour les techniques vue précédemment, CDMA permet un accès multiple au support. Développé à l’origine par les militaires dans un but de sécurité.

Concept du CDMA Plusieurs orateur discute en même temps. Seul ceux qui parle la même langue peuvent comprendre ce qui se dit.

Utilisation des ressources

CDMA Chacun transmet au-dessus de tout le monde. Chaque utilisateur occupe toute la bande de fréquence. Et cela en même temps.

Comment cela est-il possible ?

Utilisation de différent code, tel que si vous connaissez le bon code, vous pouvez recevoir seulement la personne qui envoi avec ce code !

Transmission CDMA

Principe Transmission : Code : n bits connue par l’émetteur et récepteur Chaque bit à transmettre est multiplié par le code. on transmet donc n bits. On a donc un étalement de spectre

Principe Réception : Pour récupérer la Data originale, on multiple le signal reçu par le code

Les codes doivent être orthogonaux entre eux lors de transmission multiple par plusieurs utilisateurs dans une même bande passante Deux codes CA et CB sont orthogonaux ssi leur produit scalaire est nul : CA • CB = Σ (CA,i × CB,i) = 0

Resume: C’est une technique d’accès multiple qui applique une séparation par codes. Plusieurs stations peuvent transmettre en même temps sur une même bande de fréquence Chaque station utilise son propre code.

CDMA Avantages: Inconvénient L’étalement de spectre est très consommateur en bande passante Plus il y a d’utilisateurs, plus de codes distincts doivent être utilisés Transmission simultané sur la même bande de fréquence par plusieurs émetteur. Résistance aux interférences Ajout de nouveaux utilisateurs plus facile Sécurité au niveau physique Handovers facilités

Spread Spectrum, CDMA et GPS

Navstar / GPS Présentation : Le système de radiolocalisation Navstar / GPS (Global Positioning System) a été développé par les Etats -Unis (Département de la Défense) à partir de 1973 pour offrir aux utilisateurs (prioritairement l'armée américaine) la possibilité de déterminer de façon précise leurs coordonnées en tout point de la surface de la Terre. Les satellites ont été mis sur orbite à partir de 1978 et le système Navstar / GPS a été déclaré totalement opérationnel en 1994.

Le système Navstar / GPS comprend : Un secteur "spatial", constitué d'une constellation de satellites Un secteur "commande et contrôle Un secteur "utilisateur"

Constellation de satellites La constellation GPS est constituée de 24 satellites répartis sur 6 plans orbitaux inclinés de 55° par rapport au plan équatorial.

Secteur commande et contrôle Dépend de l'armée américaine chargées de maintenir le système opérationnel de façon permanente. La station maîtresse est située à Colorado Springs et c'est elle qui fournit le temps de référence, contrôle et programme le repositionnement  éventuel des satellites.  Les autres stations assurent le contrôle du système et la mise à jour des informations à bord des satellites.

Un secteur "utilisateur" Il regroupe l'ensemble des utilisateurs civils et militaires qui ne font que recevoir et exploiter les informations des satellites ; de ce fait le système ne peut être saturé et le nombre maximum d'utilisateurs GPS est illimité. Récepteur GPS portable

PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DU GPS DETERMINATION DE LA POSITION Proche du principe de triangulation. On mesure la distance entre l’utilisateur et un certain nombre de satellites de positions connues. On définit ainsi des sphères centrées sur des satellites et dont l’intersection donne la position

Triangulation

Signal depuis un satellite Le recepteur et quelque part dans cette sphère

Trois Satellite (positionnement 2 D )

Positionnement 3 D “

GPS Satellite, Caractéristiques Signale Les signaux des satellite peuvent être séparer et détecter par la technique CDMA. Afin de suivre un satellite en vue commun avec plusieurs autres satellites avec la technique CDMA, un récepteur GPS doit reproduire la séquence PRN (pseudo random noise ) pour le satellite souhaité en même temps que le signal de porteuse de la réplique. Le récepteur GPS est capable d’identifier le satellite qu’il utilise à l’aide du signal pseudo aléatoire émis par chaque satellite. Il charge, à l’aide de ce signal, les informations sur l’orbite et la position du satellite

Mesurer de la distance  On mesure le temps T mis par le signal pour aller de l’un vers l’autre. Le signal voyageant à la vitesse de la lumière . La distance est donc R = c . T

Mesure du temps T Le satellite et le récepteur émettent au même instant le code pseudo aléatoire. L’instant est réglé sur l’horloge générale du système GPS. Le récepteur retarde le cette émission jusqu’à ce que son signal se superpose avec celui provenant du satellite. Ce retard est le temps T de la propagation du signal du satellite jusqu’à l’utilisateur.

Coordonné de l’utilisateur L’utilisation de cette méthode avec trois satellites permet alors à l’utilisateur de déterminer ses distances R1, R2 et R3 si ( x, y, z )sont les coordonnées de l’utilisateur et ( xi, yi, zi) celles des satellites, Un système de trois équations à trois inconnues permet de trouver les coordonnées de l’utilisateur.  R12=(x-x1)2+(x-x2)2+(x-x3)2 R22=(y-y1)2+(y-y2)2+(y-y3)2 R32=(z-z1)2+(z-z2)2+(z-z3)2

4. SCPC (Single Carrier Per Channel)

SCPC (Single Carrier Per Cahannel) Système de transmission satellitaire qui utilise une seule porteuse par canal.

Principe: Chaque canal disposera d’une seule porteuse qui fera référence à une source unique en d’autres terme une porteuse est allouée à un seul canal

Exemple: Algérie Telecom Satellite exploite un réseau VSAT SCPC système symétrique d'une grande souplesse d'installation et d'exploitation. Ce réseau opère dans la bande Ku et permet une couverture élargie du territoire national notamment dans les zones dépourvues d'infrastructures de télécommunications conventionnelles.

Exemple: Caractéristiques : Il utilise deux segments spatiaux de 24 Mhz et 11 Mhz Il permet l'écoulement de soixante (60) communications simultanées. Il est interconnecté avec les réseaux terrestres fixes, GSM et internationaux.

Exemple: Les services offerts : La téléphonie à 16 Kbits/s, La télécopie groupe 3 (9600 bits/s), Les transmissions de données à 9,6 jusqu'à 64 Kbit/s La visioconférence à 64 ou 128 Kbits.

Exemple: Ce réseau VSAT offre à l'usager implanté sur le territoire national ou à l'étranger, la possibilité de disposer d'un outil moderne de communication, dans les limites de la zone de couverture du satellite.

Méthode d’allocation dynamique:

1.Aloha

ALOHA Système mis au point à l'université d'Hawaï, pour les accès aléatoires aux canaux satellites. Le problème des hawaïens était de relier toutes leurs îles, pour l'interconnexion des sites informatiques répartis sur les différentes îles de l'archipel.

ALOHA En Hawaien, « Aloha » signifie « Bonjour » La plus ancienne des Méthodes d’accès (début des années 70’s) Ancêtre de tous les protocoles CSMA/xx Méthode d’accès multiple par multiplexage temporel aléatoire. Deux variantes : ALOHA pure et ALOHA à tranches (Slotted ALOHA)

ALOHA pure ( non-synchronisé ) Un canal commun relie toutes les sources. C’est la première version du protocole. Complètement décentralisé.

Principe Permet au utilisateurs de transmettre chaque fois qu’ils ont des données a envoyé. Collision attendu Les trames entré en collision sont détruites

Protocole Tant qu’il y a une trame a envoyé faire : Envoi trame et attend un accusé ‘Ack’ Si après “cretain” temps,le ACK n’est pas reçu (timer times out), attendre un temps aléatoire et aller à 1. Fin

ALOHA pure

ALOHA pure Inconvénient : Avantage : Faible utilisation de canal. Plus il y a de transmission, plus il y a de collisions. Débit instable ( baisse lorsque tous le monde est entrain de transmettre Débit max : 0.18, mauvaise utilisation du canal Avantage : Transmettre dès que c’est souhaiter Décentralisé

ALOHA Slotted (synchronisé ) Discrétise le temps en slots ( slot = temps de propagation aller-retour ) Synchronisation sur une même horloge externe. Chaque station sait exactement quand un slot commence

Principe Le canal est organisé en slot uniforme, de taille égale au temps de transmission d’une trame. La transmission est permise qu’au début de la limite du slot.

Protocole Tant qu’il y a une trame a envoyé faire : Envoi trame au début d’un slot et attend un accusé ‘Ack’. Si après “cretain” temps,le ACK n’est pas reçu (timer times out), attendre un temps aléatoire et aller à 1. Fin

ALOHA Slotted

ALOHA Slotted Avantage : Inconvénient : Augmentation de l'utilisation du canal. 2 trames qui se chevauche ne le font que sur un slot au maximum Inconvénient : Nécessite une synchronisation des horloges pour repérer les débuts de slots

Selective Reject ALOHA Principe Même chose que ALOHA pure, transmission non-synchronisé Mais découpe le message en de petits paquets.

Selective Reject ALOHA Avantage : En cas de collision il suffit de renvoyé qu’une parti Inconvénient : Un préambule est nécessaire dans chaque paquet. Débit max : 0.36, mauvaise utilisation du canal

Différence entre ALOHA et Slotted ALOHA ALOHA pure ALOHA Slotted

Différence entre ALOHA et Slotted ALOHA

Amélioration ALOHA ne pas transmettre si le support est déjà occupé, Analogie avec l’Homme : ne pas couper la parole aux autres

Exemple d’utilisation : Utilisé dans ICAROS, projet de communication satellite large bandes. Développement par Swiss PTT, Telefonica, Telia Research AB, Eutelsat.

Merci pour votre attention!

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