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Système satellitaire

Généralités

L’âge des télécommunications par satellite a commencé dans la nuit du 10 au 11 Juillet 1962 lorsque pour la première fois au monde, des images de télévision franchirent en direct l’Atlantique via Telstar I. Depuis les télécommunications spatiales ont connu des développements extrêmement spectaculaire qui en annoncent d’autre plus considérables aujourd’hui. Ces dernières années cependant, le rôle du satellite a évolué, passant d’une fonction de simple lien vers celle de noeud dans un réseau. La notion de réseau satellitaire apparaît dès que plusieurs satellites peuvent intervenir pour servir un utilisateur localisé.

  • Les satellites sont mobiles par rapport à l’utilisateur, leur défilement imposant une prise de relais régulier.
  • Des liens reliant les satellites directement entre eux.

Bien avant le lancement en 1957 de Spoutnik I, l’intérêt que pourrait représenter l’utilisation de satellite pour les communications avait été pressenti.
Dès 1945, Arthur C. Clarke, expert Britannique en radioélectricité et futur célèbre de science fiction (2001 Odyssée de l’espace) proposait de mettre en orbite géostationnaire autour de la terre des satellites artificiels qui serviraient de relais aux transmissions terrestres.
En 1955, J.R. Pierce, directeur scientifique des laboratoires Bell aux Etats Unis, publiait des calculs définissant les paramètres d’utilisation des satellites comme relais pour assurer le trafic entre continents.
Il n’aura fallu, en définitive que 5 ans après le lancement de Spoutnik I pour que cette idée soit exploité concrètement avec Telstar I et 8 ans pour qu’elle soit exploitée commercialement avec la mise en service du premier satellite d’INTELSAT, Early Bird (1965). Dès lors les télécommunications par satellite n’ont cessé de se développer en se caractérisant, en tout premier lieu, par une augmentation très rapide de la capacité de transmission offerte.
On a assisté dans les années 2000 à l’apparition de nouveau systèmes satellitaires pour des services de téléphonie mobile (Iridium, Globalstar) et divers projets de services multimédia par satellite (SkyBridge, Teledesic, Cyberstar,…) ont été proposés puis assez fréquemment ajournés.


Les liaisons spatiales

La communication à longue distance avec les méthodes conventionnelles telles que les câbles coaxiaux, les faisceaux hertziens terrestres, engendre un grand nombre de relais. Comme les nombres de relais augmentent, les performances et la fiabilité diminue, aussi que le coût du réseau augmente. Un réseau faisceaux hertziens terrestre utilise LOS (Line Of Sight) transmission. Les relais sont utilisés pour compenser les pertes de l’espace libre et le délai d’égalisation de phase. L’espacement du relais est limite par LOS et la hauteur de l’antenne du relais. Elles sont espacées de 30 à 50 Km. Si la hauteur d’antenne du relais augmente pour LOS, alors la distance d’espacement va augmenter et les nombres des relais diminuent. Une grande zone de couverture pour les communications sera faite si le relais est abord d’une station artificielle dans l’espace, c’est le début du satellite. Vue de point pratique, un satellite peut couvrir une zone de diamètre de 10000Km.
Un système de télécommunication spatiale comprend toujours au moins trois éléments distincts:

  • Une station terrienne de départ dont une antenne émet vers l’espace les informations sous forme d’onde radioélectriques
  • Un satellite placé en orbite autour de la terre; il se comporte comme un véritable relais spatial, reçoit les signaux, les change de fréquence, les amplifie et les réémet ensuite vers les stations réceptrices.
  • Une station terrienne d’arrivées où une antenne recueille les informations sous forme de fréquences radioélectriques en provenance du satellite.

Les extrémités du système constituent le secteur terrien, le satellite formant quant à lui le segment spatial. Les éléments du secteur terrien peuvent être fixes (stations de télécommunications) ou mobiles (navires, avions,…).
Comparativement aux systèmes classiques de transmission (câbles ou faisceaux hertziens), les télécommunications par satellite offrent deux avantages essentiels: elles concilient fortes capacité et grande distance et permettent d’adapter plus facilement les réseaux de communication à l’évolution des besoins grâce à leurs qualités de disponibilité et de reconfiguration.
De plus, de son orbite à 36000Km d’altitude, un satellite peut arroser une large zone de la surface terrestre. La bonne qualité des liaisons qu’il véhicule est en outre indépendante de la distance. Une meilleure couverture des territoires est de même possible dans la mesure où il n’y a pas de difficultés particulières pour desservir une station isolée en zone désertique ou en plein océan.
Par ailleurs, la possibilité pour un grand nombre de stations d’avoir accès au même satellite et donc de pouvoir communiquer entre elles grâce à lui, permet d’établir facilement et rapidement un grand nombre de liaison point à point.
Cependant, un environnement particulier sévère, l’impossibilité d’intervenir dans l’espace, le haut degré d’automaticité et de fiabilité des équipements qui autorisent des performances élevées. Une seule amplification intermédiaire pour 72000Km parcouru, influant sur le coût des systèmes spatiaux. Toutefois, en même temps que le coût du kilogramme placé en orbite diminue, l’augmentation de la durée de vie des systèmes conduit à une meilleure rentabilité des investissements.
Une liaison unilatérale de télécommunication spatiales comprend donc: une antenne d’émission, un répéteur (amplificateur changeur de fréquence) du satellite, une antenne de réception. Le satellite dispose généralement d’antenne séparées pour chaque sens de transmission.
Par ailleurs, le signal électromagnétique devant être amplifié quelque 100 milliards de fois par des répéteurs du satellite, il faut obligatoirement effectuer un changement de fréquence à bord afin d’éviter les interférences entre liaison montante.

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La liaison spatiale constituée de:

  • LNA (Low Noise Amplifier)
  • Mixeur
  • Filtre d’entée
  • H.P.A

Le processus à transformer le signal uplink à signal downlink dans le satellite est fait par l’équipement appelé transpondeur. Le satellite a plusieurs transpondeurs.

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Station terrienne

Une station terrienne constitue des extrémités d’une liaison de télécommunications spatiales. L’organisation type d’une station n’est pas sans rappeler celle d’un terminal de faisceaux hertziens. On y retrouve une antenne et les équipements électroniques d’émission et de réception. La principale particularité étant la présence d’un système automatique de poursuite permettant de pointer en permanence l’autre antenne vers le satellite quels que soient les mouvements résiduels de celui-ci et les conditions locales du vent.

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Equipements d’émission

  • Un modulateur
  • Amplificateur IF

Upconverter

  • Amplificateur RF
  • Une antenne

Dans la station d’émission le signal en bande de base est modulé à une fréquence intermédiaire FI de 70MHz. Cette fréquence est commune à tous les systèmes à faisceau hertziens. Le signal IF est translaté c’est-à-dire up-converté à une fréquence RF. Le signal RF est amplifié dans les amplificateurs RF et le signal est envoyé vers le satellite à travers l’antenne.

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Emetteur d’une station terrienne.
La puissance demandée à l’émetteur d’une station terrienne est fonction du signal à transmettre (type de modulation choisi) mais aussi des dimensions de l’antenne. Les transmettre, (type de modulation choisi) mais aussi des dimensions parcourues par le signal électromagnétique (72000Km) dont le signal reçu au satellite est très petit environ 10µW. Le signal reçu au satellite est translaté à une fréquence RF downlink qui est différente de la fréquence uplink.

La puissance des émetteurs s’échelonne entre 25 et 5KW suivant ces équipements sont en général redondants dans chaque station : un amplificateur en service et un en secours.

Récepteur d’une station terrienne

Les récepteurs de stations terriennes sont des organes très performants et de haute technologie. Les signaux reçus du satellite sont en effet très faibles, d’où la nécessité des récepteurs de grande sensibilité. Le but est d’amener le signal utile à un niveau exploitable. Or cette opération s’accompagne d’une dégradation de la qualité due aux bruits propres du récepteur et à ceux recueillis par l’antenne. Afin de les administrer au maximum, on a été conduit à concevoir des récepteurs travaillant à des températures basses, jusqu’à -269°C (4°K). C’est effectivement la conception puis la réalisation de tels amplificateurs au gain élevé au très faibles bruit qui ont permis l’explosion des télécommunications par satellite.
Historiquement, les premiers récepteurs utilisaient des masers (abréviation de Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation); en quelques sorte l’équivalent des lasers pour les fréquences plus basses, ces appareils exigeaient des installations complexes car il fonctionnaient à la température de l’hélium liquide: -269°C. Cette technologie est rapidement remplacée par d’autres : amplificateurs paramétriques.
Les amplificateurs paramétriques sont souvent situés à proximité de l’antenne, en arrière du réflecteur principal; l’embase de l’antenne.


Services offerts par satellite

Divers acteurs ont bouleversé le marché des télécommunications satellitaires ces dernières années : la demande importante de besoins, les services multicast, c’est-à-dire d’une source vers un groupe déterminé d’utilisateurs et apparue.
La carte de répartition des services entre réseaux satellites et réseaux terrestres est donc en train de changer radicalement. D’une manière synthétique, les avantages des satellites sont:

  • Le recouvrement de grandes zones géographiques
  • La possibilité d’avoir des accès et des destinations multiples pour une même communication
  • La possibilité de déploiement rapide des services
  • L’adaptation à des régions sans infrastructure de télécommunications.

Services entre points fixes

Cette catégorie de services désignée par FSS (Fixed Satellite Services) détient la plus grande part du marché des communications satellitaires aujourd’hui et devant la conserver au moins pendant quelques années encore.
Les bandes de fréquences utilisées par FSS sont la bande C et la bande KU: il y’a des débuts d’utilisation de la bande Ka. Ces bandes sont plus sensibles à l’atténuation par la pluie que les bandes L et S qui sont attribuées aux services mobiles par satellite; mais les applications FSS peuvent facilement utiliser des antennes plus puissantes qui peuvent pallier ce problème. En revanche, les FSS ont beaucoup plus de bande passante disponibles que les services mobiles par satellite, ce qui est particulièrement important pour les communications haut débit.
Les principaux services FSS aujourd’hui sont la transmission directe de télévision et ceux offert par les VSAT (Very Small Terminal networks); transmission de la voix ; transfert de données ; programme radiophoniques.

Services entre terminaux mobiles

Les services mobiles répondent à un besoin de communiquer n’importe où, n’importe quand avec n’importe qui. Graduellement, les technologies par satellite permettent de satisfaire ce désir. Les services offerts par des réseaux satellitaires sont connus sous le sigle MSS (Mobile Satellite Service) et sont classifiés selon les trois suivantes:

  • Première génération : les services mobiles maritimes. Ils sont apparus dans les années 70 par exemple MMSS (Maritime Mobile Satellite Services) par USA, MARECS (Maritime European Community Satellite), INMARSAT.
  • Deuxième génération : les services mobiles terrestres, LMSS (Land Mobile Satellite Services)
  • Troisième génération.

Les orbites des satellites

On distingue quatre régions de mise en orbite des satellites:

  • La zone LEO (Low Earth Orbit), entre la fin de l’atmosphère et la première ceinture de Van Allen, de 4000Km à 1500Km d’altitude.
  • Zone MEO (Medium Earth Orbit), entre les deux ceintures de Van Allen, de 5000Km à 13000Km d’altitude.
  • La zone HEO (Higu Earth Orbit) dont l’apogée est au-delà des ceintures de Van Allen, mais qui dans le cadre des orbites elliptiques, embrasse une ou plusieurs zones précédentes (le single HEO est parfois aussi rendu par Hihly Elliptical Orbit)
  • La zone GEO (Geostationary Earth Orbit), qui pourrait se voir comme un cas particulier de HEO, pour les satellites géostationnaires, à une altitude de 35786Km. L’orbite géostationnaire porte aussi le nom de « couronne de Clarke », du nom de l’auteur de science-fiction Américain Arthur Clarke, qui avait imaginé l’utilisation de cette orbite dès 1945

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Classification des différents types d’orbites exploitables.

Trajectoires orbitales

Nous avons vu comment un satellite étudié indépendamment du reste du monde peut assurer un certain service de communication avec la Terre. Nous avons pu constater certaines limitations en terme de couverture de fréquence de transfert inter satellite de délai, tout cela d’un point de vue géométrique. Ces critères ne peuvent donner un point de vue satisfaisant car ils restent locaux. Or une chose est d’avoir, dans une fenêtre limitée, l’établissement d’une communication; une autre est d’assurer un service permanent donc l’étendue englobe la planète entière. Les contraintes spécifiques de lien avec la terre, de mise en réseau et même de cohabitation avec des systèmes concurrents sont autant d’éléments tout aussi importants à prendre en considération. Nous commençons par une description relativement qualitative pour mettre en évidence le caractère stratégique de tel ou tel choix. Nous pouvons prendre en compte:

  • Le synchronisme des trajectoires des satellites avec la rotation de la terre sur elle-même: il est en effet souhaitable que le satellite se maintienne à la même position pour un observateur terrestre (C’est le cas des satellites géostationnaires), ou qu’il se retrouve périodiquement à la même place dans la journée. Les orbites géosynchrones seront donc des candidates particulièrement appréciées.
  • délai de transmission terre satellite, il conditionne la latence du réseau (la durée de transmission de bout en bout), donc par exemple le caractère de réaction du système en cas d’erreur de transmission (typiquement pour les retransmissions de données). Le délai de transmission que nous considérons ici comprend le temps moyen de propagation pour une position nordique plus un temps de traitement d’environ 10ms.
  • L’angle de pénétration de l’atmosphère terrestre, qui correspond à l’angle d’élévation décrit précédemment.
  • La taille des cellules de couvertures, plus les cellules sont petites plus la réutilisation des fréquences radio est importante et plus le nombre maximum d’utilisateur du système augmente.
  • L’aire totale de couverture d’un satellite (qui peut contenir plusieurs cellules), ce qui affecte la fréquence des transferts inter satellitaires ainsi que le nombre de satellites nécessaires à couvrir une zone donnée.
  • Le nombre de satellite nécessaire en particulier pour assurer la couverture planétaire pour un service.
  • La puissance de transmission requise, la puissance pouvant être utilisée pour augmenter la quantité d’information transmise, ou encore pour améliorer la portabilité des antennes de réception (téléphone mobile).

Examinons plus en détail les caractères de chacun des systèmes.

Systèmes satellitaires synchrones (type GEO)

Ces systèmes ont un délai de transmission moyen de 0,27s (en particulier pour des latitudes « nordiques »), ce qui est très élevé. Ils gardent une position fixe au-dessus de l’équateur. Leur altitude importante leur permet de couvrir une large partie d u globe. Typiquement, 3 satellites GEO (ou 5 si les contraintes sont un peu plus fortes) peuvent assurer une couverture maximale.
Cependant, ces systèmes posent des problèmes importants de couverture. En effet, il leur est possible, pour des raisons de simple visibilité, de couvrir les pôles ainsi que toute position qui a une latitude d e plus de 81°. De surcroît, l’angle de pénétration dans l’atmosphère rend, en pratique les liaisons de télécommunications difficiles au-delà de 75°. Cependant, même à des latitudes comprise entre 45° et 75°, l’angle du satellite est petit et pose des difficultés dès que le relief n’est pas plat.

Orbite Géostationnaire:

En effet, un tel satellite joue le rôle de relais de transmission ou d’un oeil pour la surveillance globale de la terre. D’une manière plus générale, les concepteurs de satellites cherchent souvent des systèmes géosynchrones, c’est-à-dire dont la période est un multiple ou un sous-multiple du jour sidéral. Cela permet au satellite d’avoir une trajectoire répétitive pour un observateur terrestre. En particulier, les orbites elliptiques permettent de régler à la période du satellite.

Orbite géosynchrone

On appelle ainsi une orbite de période identique à celle de la terre, soit T=23h56mn 4,1s = 86164,1s
En hypothèse Képlérienne, le demi axe est donné par:

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Une telle orbite possède de survoler un même lieu géographique, à chaque période, puisque la terre et le satellite auront tous les deux effectués un tour complet et la même position par rapport aux étoiles, mais avec l’inconvénient de ne pas rester à la verticale d’aucun point de la terre.

Orbite géostationnaire Képlérienne

Si on impose en plus à ce satellite de rester fixe par rapport à un point de la terre, alors:

  • Ce point ne peut être sur l’équateur, sinon le satellite serait à la fois au Nord et au Sud de l’équateur.
  • L’orbite est nécessairement équatoriale.
  • L’orbite est obligatoirement circulaire pour éviter une oscillation EST OUEST par rapport.

Il n’existe donc qu’une seule orbite satisfaisante à ces critères: orbite circulaire équatoriale de rayon Tg=42164,46Km en KEPLERIEN.
Classiquement on rencontrera dans la littérature qu’un tel satellite gravite à 36000Km du sol. C’est en réalité la valeur arrondie correspond à une altitude réelle Képlérienne de 35786,16Km

Orbite géostationnaire réelle

Nous savons que la terre est en première approximation assimilable à un ellipsoïde. Le renflement équatorial terrestre crée donc un supplément d’attraction qui accélère la vitesse. Pour que le satellite retrouve la bonne vitesse angulaire ou linéaire donnant la période sidérale, il faut le placer un peu plus haut. Le calcul que vous trouverez dans les exercices, donne en prenant pas en compte les autres perturbations, une altitude géostationnaire vraie de 42164,68Km

Intérêt de l’orbite géostationnaire réelle

Trois satellite disposés à 120° sur l’orbite géostationnaire, permettent « de voir » quasiment toute la terre, à part une petite polaire située aux extrêmes.
Calcul de rayon du satellite:

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Si Me est la masse de la terre (Kg)
r : le rayon de la terre (m)
Ms : la masse du satellite (Kg)
rs : rayon du satellite (m)
Selon Newton, la force d’attraction : force de gravitation Fg entre le satellite et la Terre est: Fg=G.Me.Ms/r2s
avec G : constante de gravitation universelle; G=6,67×10-11Nm2/Kg2
Me = 5,97×1024Kg
La force d’accélération sur le satellite en circulation orbitale est:
Fa=Msrsω2 (équation de la notion circulaire)
Avec w: la vitesse du satellite relative de la terre.
Si le satellite fait un mouvement circulaire dans un orbite, la force de gravitation universelle sera exactement égale à la fore d’accélération, donc:
Fg=Fa
Msrsω2=G.Me.Ms/r2s
Donc le rayon d’orbit sera r3s=GM/ω2

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Avec le rayon de la terre re=6400Km; alors rs-re=(42200-6400)=35800Km
En général , l’altitude est approximé à 36000Km de l’équateur.

Système elliptiques

Dans un certains sens, les systèmes elliptiques remédient aux problèmes de blocage que présente les GEO dans les latitudes élevées. L’inclination de 63,4° de leur orbite leur permet en effet de se positionner bien au-dessus de l’équateur. La deuxiè2*me loi de Kepler, encore appelée loi des aires, nous a montré que la vitesse angulaire du satellite sur son orbite elliptique était inversement proportionnelle au carré de sa distance par rapport au centre de la terre. Ainsi donc:

  • Au périgée le satellite se déplace très rapidement par rapport à la Terre plus vite même qu’un satellite à orbite circulaire situé au même endroit à cet instant;
  • a l’apogée le satellite évolue très lentement par rapport à la Terre, à une vitesse inférieure à celle d’un satellite à orbite circulaire endroit à cet instant.

Le satellite atteint son apogée à l’endroit le plus proche du pôle Nord, ce qui correspond à la couverture des zones les plus peuplées. On remarque à l’évidence, que le satellite reste longtemps dans les régions du Nord et que sa couverture y est très étendu. Lorsque le satellite retourne dans les régions du Sud, sa vitesse augmente et sa couverture diminue.
Le grand avantage de ces systèmes par rapport aux autres est leur capacité de synchronisation. Ce système a des similitudes avec le GEO. Ce n’est donc pas par hasard que les satellites ont été appelés les satellites géostationnaires pour le Nord, les satellites à orbite elliptique présentent un meilleur centrage de l’empreint sur le Nord et des possibilités de réglage plus fines. En revanche, ils franchissent régulièrement les ceintures da satellite opérationnel est les orbites Molnyia (Russe).
Cependant, tant les systèmes elliptiques que géostationnaires présent en général des distances très importantes avec la Terre, ce qui a des conséquences importantes sur les délais et l’affaiblissement du signal. Ce fait a poussé les concepteurs de systèmes de transmission à se tourner vers d’autres solutions décrits dans la suite.

Systèmes de type MEO

Ces systèmes offrent un délai de transmission inférieur à celui de leurs homologues géostationnaires (110-130ms à environ 13000 Km d’altitude). La plupart des constellations MEO prévoient une dizaine de satellites pour assurer la couverture mondiale. Certains systèmes utilisent une dizaine de satellites pour assurer la couverture mondiale. Certains systèmes utilisent uniquement une orbite d’inclination nulle, auquel cas la couverture est excellente au niveau de l’équateur mais décroît rapidement dès que la latitude augmente. D’autres prennent des orbites légèrement inclinées, ce qui demande plus de satellites mais améliore la couverture. Ainsi un système désigné sous le nom d’Odyssée proposé par TRW Space and Electronic Group, prévoyait 12 satellites placés sur trois orbites circulaires différents d’altitude 10350Km (donc g1osynchrone) d’inclination de 50° avec une optimisation d’espacement de satellites. Les concepteurs ont prétendu assurer une couverture très étendue avec peu de satellites soient six pour un service minimal et douze pour une couverture « complète ». Ce projet a également proposé pendant un temps un système formé d’une orbite équatoriale et de deux orbites inclinées.

Systèmes de type LEO

Pour ces systèmes, le délai de transmission varie autour de 20-25ms; le temps exact est au moins aussi sensible à l’angle de pénétration de signaux dans l’atmosphère qu’à l’altitude précise de satellite. Cependant, les appareils sont tellement proche de la terre qu’il est nécessaire d’en avoir un grand nombre (au minimum une cinquantaine) pour couvrir la planète, pour des raisons de couverture décrites dans la section précédente. Cette panoplie nécessaire justifie en grande partie le nom de constellation de satellites qui leur a été donné. Notons que pour maintenir des zones de couverture cohérentes, il est nécessaire de synchroniser très précisément les mouvements des satellites entre eux.

Les constellations de satellites LEO introduisent une dynamique inhabituelle dans les réseaux de télécommunications. En effet, les réseaux sont maintenant à relais mobiles, ce qui induit de nombreuses modifications de comportement et ceux indépendant du mouvement des délais de communication.
Il n’y a aucune raison autre qu’un motif de couverture mondiale et « optimale » de ne utiliser des constellations polaires avec des orbites inclinées et réciproquement. Par conséquence, il est préférable de parler de pi constellation pour les constellations polaires et de 2pi-constellations inclinées, faisant référence alors à l’intervalle angulaire sur lequel sont répartie les orbites.
Les différents systèmes que nous avons étudiés offrent des caractéristiques très variées. Les importantes possibilités de diffusion des satellites géostationnaires ont permis d’offrir au grand public de télévisons avancées. Cependant, avec l’explosion récente du marché des télécommunications, les progrès considérables de l’électronique de ces dernières années et la réintroduction des orbites de constellation qui exploitent d’avantage les possibilités de l’environnement de satellisation terrestre.

Les sources de dégradation du signal les plus courantes en transmission satellitaire

La propagation du signal dans le vide ainsi que les pertes des guides d’ondes d’émission et de réception sont les principales sources d’atténuation du signal. Ici nous parlerons de l’atténuation atmosphérique. L’atténuation atmosphérique du signal résulte de deux phénomènes distincts:

  • L’absorption pour laquelle l’énergie est absorbée et réémise dans toutes les directions avec une fréquence différentes
  • La diffusion qui cause des déperditions d’énergie par redirections du signal en dehors du chemin désiré.

Facteurs d’absorptions

L’absorption moléculaire retire de l’énergie du chemin d’émission et la restitue uniformément dans toutes les directions sur une fréquences différentes, qui dépend de la température de l’absorbant. Différents phénomènes électroniques et moléculaires.
Nous remarquons que l’atténuation résulte principale de l’oxygène et de la vapeur d’eau. Une atmosphère est par conséquent nettement plus difficile à pénétrer qu’une atmosphère sèche.
Chaque fréquence de résonance se traduit par un pic d’absorption; l’ensemble de ces pics découpe le spectre en zone (fenêtre) où la transmission est réalisable dans de bonnes conditions. A partir de ce spectre, de dresser une liste des fenêtres de fréquence, c’est à dire les régions où l’atmosphère terrestre est relativement transparente.

FréquenceNom des bandes concernées
Minimum (GHz)Maximum (GHz)
0,115L, S, C, X, Ku
2535K, Ka
80100W
140160 
230250 
260290 

Tableau de fenêtres de fréquences principales pour les trans-atmosphériques

Facteur de diffusion

Les particules qui provoquent l’absorption génèrent de la diffusion. Les ondes électromagnétiques sont alors simplement déviées de leur trajectoire. Parmi les phénomènes identiques principaux, on trouve les suivantes:

  • Diffusion due à l’air et à la vapeur d’eau
  • Réfraction et multi chemin
  • La rotation de Faraday

Les autres facteurs

Les autres facteurs qui interviennent dans l’affaiblissement du signal trans-atmosphère sont:

  • La hauteur équivalente d’atmosphère
  • Les bruits causés par diverses sources.

Bandes de fréquence

Un des pointes les plus stratégiques dans les communications par satellite est l’allocation des ressources du spectre radio. Le spectre est découpé en plusieurs zones appelées bandes. Ce découpage est dû en partie aux propriétés physiques des communications par voie radio. Les autres considérations comme les bruits galactiques que humaines, les bruits du récepteur sont mis en jeu lorsqu’il agit du satellite. Il faut noter que les fréquences utilisées pour le satellite sont identiques à celles du faisceau hertzien terrestre.

Désignation standard IEEE
DésignationFréquenceLongueur d’onde
HF3-30MHz100m-10m
VHF30-100MHZ10m-1m
UHF30-300MHz100cm-30cm
Bande L300-1000MHz30cm-7,5cm
Bande S1-2GHz15cm-7,5cm
Bande C4-8 GHz7,5cm-3,75cm
Bande X8-12 GHz3,75cm-2,50cm
Bande Ku12-18GHz2,50cm-1,67cm
Bande K18-27GHz1,67cm-1,11cm
Bande Ka27-40GHz1,11cm-7,5mm
Bande V40-75GHz7,5mm-4,0mm
Bande W75-110GHz1,0mm-2,7mm
Bande Mn110-300GHz2,7mm-1,0mm

Le VSAT

Un VSAT est un terminal terrestre lié à un satellite géostationnaire typiquement par un lien bidirectionnelle utilisé surtout pour la communication des données, mais capable de fournir aux utilisateurs des services de communication intégrant voix, données et vidéo. Il est muni d’une petite antenne (typiquement de 2m de diamètre) connectée à une unité de la taille d’un PC. Pour les communications de données, ils sont en général compatibles avec des systèmes terrestres tels que le X.25 et l’Internet (le protocole TCP/IP).


Méthodes d’accès

Dans les réseaux satellitaires, les méthodes d’accès permettant à de multiples sources de se connecter à diverses destinations se pose les problèmes de l’accès réseau. La conception des réseaux satellitaires prennent en compte le fait que la bande passante est limitée et chère, et des méthodes efficaces de partage du canal sont déterminantes.
On distingue alors plusieurs approches pour l’accès au lien:

  • Le partage statique
  • Le partage par demande
  • L’accès aléatoire

Dans le partage statique, une quantité fixe des ressources est allouée à une connexion. Les méthodes traditionnelles de partage statique sont:

  • L’accès multiple à répartition de fréquence (AMRF ou FDMA : Frequency Division Multiple Access en Anglais); chaque connexion reçoit une tranche de fréquence qui peut servir à sa transmission
  • L’accès multiple à répartition de temps (AMRT ou TDMA : Time Division Multiple Access). Le temps est divisé en trames périodiques et chaque trame est divisée en tranches. Un ordre périodique de transmission est déterminé de sorte que dans chaque trame, chaque source ait le droit d’émettre pendant une (ou plusieurs) tranche(s) allouée(s)
  • L’accès multiple à répartition par code (AMRC ou CDMA : Code Division Multiple Access); chaque source a ses propres séquences individuelles (codes) pour la transmission des symboles (« 0 » et « 1 »). Le partage se fait donc en allouant des codes spécifiques à des sources différentes.

Contrairement au partage statique des partages par demande sont dynamiques. Elles permettent d’allouer des ressources (temps de transmission, fréquence, etc..) selon les besoins ponctuels de chaque source, d’une part et de la disponibilité des ressources d’autre part.
Dans la troisième approche, celle de l’accès aléatoire: on compte des méthodes où l’accès des sources au lien est indépendant et peut ainsi se faire simultanément. Par conséquence, il peut en résulter des collisions de paquets et donc des pertes.
En pratique, on trouve souvent des méthodes d’accès qui combinent plusieurs approches. Par exemple dans Iridium, la communication entre les mobiles et les satellites se fait en utilisant un mélange d’AMRT et d’AMRF.

Accès Multiple à Répartition de Fréquence : AMRF

L’AMRF découpe toute la bande de fréquence en m sous bandes. Chaque source a sa propre bande de fréquence où elle peut émettre indépendamment des autres liaisons. Chaque station terrestre contient un modulateur, un émetteur, m répéteur et m démodulateurs.
Cette méthode souffre de problème d’inter modulation qui se croisent rapidement avec la puissance utile. On peut perdre jusqu’à la moitié de la capacité de transmission par rapport à un accès unique. Pour éviter ce phénomène, on laisse des « trous » entre les bandes pour améliorer l’atténuation d’autres fréquences.
Etant statique, cette méthode d’accès ne permet pas la réutilisation de la bande: si un émetteur est silencieux, sa bande passante n’est pas utilisée par d’autres.
L’avantage de cette méthode d’accès sur la répartition en temps est qu’elle n’a pas de besoin de synchronisation temporelle.

Accès Multiple à Répartition de Temps : AMRT

Dans l’AMRT on définit un cycle (encore appelé trame), découpé en tranches, dans chaque cycle, chaque source transmet pendant une tranche de temps prédéterminée.
Pour pouvoir allouer une bande passante différente à des sources distinctes, on définit aussi l’AMRT généralisé : une source peut transmettre pendant plus d’une tranche par cycle.
L’AMRT est une méthode d’accès très répandue dans les communications satellitaires. Par exemple les satellites GEO de EUTELSAT utilisent cette méthode avec une tranche de 2cm; Iridium utilise une méthode qui combine l’AMRF et l’AMRT.
Les inconvénients de l’AMRT par rapport à l’AMRF sont d’abord la nécessité d’une synchronisation temporelle entre les sources, puis le fait que cette méthode demande des puissances instantanées moyenne donnée et que la transmission n’et possible que pendant une fonction de temps, il est clair qu’il faut transmettre pendant cette période une puissance supérieur (à la moyenne). Dans l’AMRF, par contre on peut se contenter de transmettre tout le temps à la puissance moyenne.

Accès Multiple à répartition par code : AMRC

Dans l’AMRC, tous les usages peuvent utiliser toute la bande passante tout le temps. Le signal transmis a une bande passante très supérieure à sa bande passante initiale. L’AMRC est utilisé dans la constellation de satellites Globastar.
Dans la méthode la plus courante, appelée DS (Direct Sequence), chaque source a une séquence quasi-aléatoire qui la caractérise connue par le récepteur. LA source multiplie chaque symbole binaire par cette séquence.
Le récepteur a un filtre adapté à chaque source pour les symboles initiaux. Les symboles d’autres sources se présentent comme un bruit aléatoire.

Techniques d’accès aléatoire

Les techniques d’accès aléatoires sont conçues pour permettre une approche décentralisée pour l’accès au canal de communication, lorsqu’une source utilise le canal seulement en cas de besoin : quand elle a vraiment des informations a transmettre. Contrairement à l’AMRF et l’AMRT, quand le canal n’est pas utilisé par une source, il est complètement disponible pour d’autres sources. Dans le cas où un grand nombre de source sont souvent inactives, l’accès aléatoire permet une utilisation beaucoup plus efficace du canal. En ajoutant à cela la simplification de la mise en oeuvre due à la décentralisation de protocoles d’accès aléatoires, on peut comprendre l’importance de ces techniques, aussi bien dans les réseaux terrestres (dont Ethernet), que les réseaux satellitaires.
Dans les techniques d’accès aléatoire, plusieurs sources peuvent tenter de transmettre des paquets en même temps, ce qui peut provoquer des collisions et une retransmission ultérieure.
Dans les réseaux satellitaires, on peut utiliser les techniques d’accès aléatoire soit directement pour transmettre des informations, soit pour faire des réservations pour demander l’allocation d’une bande de fréquence fixe. Les techniques d’accès aléatoires utilisées dans les transmissions satellitaires sont:

  • Aloha
  • Aloha en tranches

Il y a aussi les variantes de Aloha comme:

  • Aloha avec résolution de collision
  • Accès aléatoire avec écoute de la porteuse (CSMA : Carrier Sense Multiple Access)
  • CSMA/CD : CSMA avec détection des collisions
  • CSMA/CA : CSMA with Collision Avoidance.
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La suppression des échos

Un satellite géostationnaire a une orbite de 36000Km de la terre, doit connecter deux abonnées a part. Le signal va faire une distance de 72000Km aller et 72000Km retour.

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Les échos créés par la station distante vont être écoutés après 0,5 seconde. Le délai 0,5 seconde crée l’inconvénient aux abonnées. Ce phénomène devient un inconvénient si c’est un système de communication satellitaire multi hop ave plus de deux satellites. Pour supprimer ce phénomène, on utilise les suppresseurs des échos.

1 décembre 2021
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