Brevet FR2804559A1 — publié le 20010803

Procédé de télécommunication par satellite, terminal de télécommunication par satellite correspondant Le domaine de l'invention est celui des télécommunications par satellite. Plus précisément, l'invention concerne le remplacement du contrôle de PIRE émission, notamment dans de petites stations d'accès par satellite fonctionnant dans les bandes de fréquence Ku ou plus élevées, dans des zones à forte pluie. On rappelle que, dans les bandes de fréquences élevées, c'est-à-dire 14 GHz et plus, la pluie crée des atténuations qu'il faut compenser par des marges de transmission. La largeur de ces marges dépendent du pourcentage du temps pendant lequel on souhaite que les liaisons soient disponibles et/ou satisfassent à certains critères de qualité. Dans le cadre des télécommunications par satellite, la station d'émission doit donc disposer d'une puissance suffisante pour compenser ces atténuations. Ceci entraîne également au niveau du satellite une puissance plus importante, en relation avec la puissance émise par les stations. La technique de contrôle de PIRE consiste à réduire la puissance émise en l'absence d'atténuations (ou de façon graduelle en fonction des atténuations de la pluie) dans le but principal de réduire la puissance nécessaire à bord du satellite. II existe 2 techniques de compensation de puissance - la première est basée sur la mesure de bout en bout de la qualité, et consiste à n'émettre que la puissance minimum nécessaire pour tenir l'objectif de qualité. En cas d'atténuation due à la pluie sur le chemin montant ou descendant de la liaison satellite ou pour tout autre cause, on compense globalement la dégradation qui en résulte, par une augmentation de puissance d'émission. - la seconde technique consiste à ne compenser que les atténuations du chemin montant, ce qui revient a maintenir constante la puissance de sortie du satellite, celle que l'on aurait en l'absence d'atténuation (UPC, en anglais uplink power control ). Cette seconde technique, qui peut paraître moins efficace que la première, est en fait plus sure pour des satellites mettant en #uvre la réutilisation de fréquences entre polarisations croisées ou entre spots. En effet, un inconvénient de cette technique de l'art antérieur est que, dans une compensation de bout en bout, on peut être amené â compenser une atténuation sur le chemin descendant par une augmentation de puissance sur le chemin montant non atténué. Il en résulte une augmentation des interférences sur les stations réutilisant les mêmes fréquences, avec risque d'instabilité (les stations perturbées augmentant alors leurs puissances...). Le contrôle de PIRE sur le chemin montant seul (UPC) permet d'éviter ce risque en maintenant constantes les isolations entre porteuses. Cependant, un inconvénient de cette technique de l'art antérieur est que VU-PC nécessite une mise en #uvre complexe pour maintenir dynamiquement constante la puissance de sortie du satellite ou pour discriminer sur la part montante ou descendante des atténuations. Cette mise en #uvre est d'autant plus complexe que les circuits sont à très faible débit. L'invention a notamment pour objectif de pallier ces inconvénients de l'art antérieur. Plus précisément, un objectif de l'invention est de fournir un procédé de télécommunication par satellite permettant la mise en #uvre de terminaux d'accès simplifiés. Un autre objectif de l'invention est de mettre en #uvre un procédé à puissance d'émission constante. Encore un autre objectif de l'invention est de fournir un procédé de télécommunication par satellite permettant de simplifier notablement la gestion du système ayant en charge la fonction de contrôle et de surveillance de PIRE. L'invention a encore pour objectif de fournir des terminaux de télécommunication par satellite peu coûteux. Encore un autre objectif de l'invention est de mettre en #uvre des terminaux de télécommunication par satellite présentant une grande fiabilité de fonctionnement dans les environnements difficiles, et notamment dans les zones tropicales. Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite sont atteints selon l'invention, à l'aide d'un procédé de télécommunication par satellite, mettant en aeuvre un accès FDMA/TDMA synchronisé utilisant un grand nombre de porteuses, chaque porteuse assurant la transmission de trames successives, chaque trame étant organisée en intervalles de temps, ou slots, transportant chacun un circuit de communication, le procédé mettant en oeuvre, au moins pour les transmissions depuis un terminal vers un satellite, une étape de commutation de la modulation et/ou du codage mis en oeuvre pour au moins l'un des circuits de communication, entre un mode normal et un mode renforcé, en fonction d'un critère de qualité de transmission prédéterminé. Selon le procédé, la commutation est telle que, lorsque le critère de qualité est inférieur à un seuil prédéterminé, on passe dans le mode renforcé pour lequel la robustesse de la transmission est améliorée et le débit symbole est divisé par N (N entier), N slots étant alors affectés au circuit de communication. Ainsi, l'invention repose sur une approche tout à fait nouvelle et inventive des télécommunications par satellite, qui permet en particulier de fortement simplifier les terminaux, ceux-ci n'ayant pas besoin de réglage du PIRE. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, la commutation est effectuée entre - une modulation à 2q' états et un codage d'efficacité r1 pour ledit mode normal ; - une modulation à 2q2 états et un codage d'efficacité r2 pour ledit mode renforcé, tels que (ql/q2)*(rllr2) est un entier supérieur à 1. Selon un mode de réalisation particulier, la commutation est effectuée entre une modulation QPSK (4 états de phase) et une modulation BPSK (2 états de phase). Selon une variante avantageuse de l'invention, le critère de qualité prédéterminé est un critère de qualité bout à bout. Avantageusement, le critère de qualité est une mesure de C/N et/ou de détection d'erreurs. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, on affecte à un circuit de communication en mode renforcé un premier slot correspondant au slot réservé pour le mode normal et un second slot sélectionné parmi les slots disponibles. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, on réserve au moins une porteuse à la transmission de slots de durée double, systématiquement affectés à un circuit de communication, lorsqu'il est en mode renforcé. Les deux techniques ci-dessus peuvent être utilisées conjointement. Notamment, la seconde technique peut être mise en couvre lorsqu'il n'existe pas de slots disponibles pour mettre en oeuvre la première. Avantageusement, les informations représentatives du critère de qualité sont transmises dans un canal de signalisation durci vers des moyens de centralisation (DAMA) gérant l'allocation desdits slots. Selon une technique avantageuse, les slots portent de l'ordre de 50 à 200 symboles, correspondant à des circuits de très faible débit, et présente un préambule comprenant un unique mot de détection et de synchronisation. L'invention concerne également un terminal de télécommunication par satellite mettant en oeuvre le procédé selon l'invention. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préférentiel, donné à titre de simple exemple illustratif et non limitatif, et de la figure 1, qui présente, dans un diagramme temps-fréquence, l'organisation des trames synchrones sur un ensemble de porteuses, pour un accès FDMAfTDMA (en anglais Frequency Division Multiple AccesslTime Division Multiple Access ) synchrone selon l'invention. Le principe général de l'invention repose sur la technique d'accès FDMA/TDMA synchrone, cette dernière combinant un accès mixte, en temps et en fréquence (avec saut de fréquence). Par souci de simplification, on suppose dans la suite du document que chaque trame des porteuses TDMA est subdivisée en slots identiques, chacun des dots étant émis avec la périodicité de la trame correspondant au débit d'un circuit (téléphonique, donnée) constant pendant la durée d'établissement du circuit. On présente, en relation avec la figure 1, un mode de réalisation de l'organisation des trames synchrones sur un ensemble de porteuses, l'ordonnée fréquence représentant la bande occupée par chaque porteuse, homogène à son débit symbole. Une trame 13 est organisée selon un ensemble 12 de porteuses QPSK (en anglais Quadrature Phase Shift Keying ), et une porteuse BPSK 11 (en anglais Binary Phase Shift Keying ). La trame 13 est subdivisée en slots 14 identiques pour une porteuse donnée. L'analyse des bilans de liaison montre que, généralement, sur les satellites existants, on peut utiliser des modulations QPSK pour profiter de la capacité offerte par la bande des répéteurs, mais cette utilisation conduit à des marges insuffisantes dans les zones à forte pluie en raison de la limitation de puissance de ces répéteurs. La technique proposée selon l'invention repose sur les points suivants - lorsqu'un slot émis d'une station vers une autre est mesuré en réception comme étant dégradé, à travers une mesure de C/N ou de BER (en anglais Bit Error Rate ), on demande à la station de commuter son émission en BPSK (en anglais Binary Phase Shift Keying ), tout en gardant le même débit symbole, en lui allouant un second slot pour compenser le fait que chacun de ces slots est émis avec un débit d'information réduit par 2, du fait du BPSK. Ce doublement du slot permet de conserver le débit du circuit constant. - ce faisant, avec la même puissance émise, la puissance par bit transmis est doublée, améliorant de 3 dB les marges de transmission, permettant de recevoir dans des conditions dégradées de 3 dB supplémentaires. - lorsque le nombre de symboles d'information par slot est très faible (cas de circuit à faible débit), les préambules sont réduits au minimum pour éviter une perte trop importante d'efficacité de trame, à un simple mot unique servant à la détection et à la synchronisation du slot (l'acquisition de porteuse se faisant dans ce cas sur la totalité du slot reçu). Il n'est donc pas possible d'allouer simplement un slot supplémentaire pris sur une autre porteuse, car ce faisant, on aurait à détecter 2 slots, dans des conditions dégradées de 3 dB, chacun avec un mot unique qui n'a pas été dimensionné pour de telles conditions. II faut doubler le mot unique pour garder les mêmes conditions de détection dans un environnement dégradé de 3 dB. La façon la plus simple de le faire est de prendre 2 slots contigus sur une même fréquence, permettant de remplacer les 2 mots uniques nécessaires par un seul mot de longueur double. L'allocation d'un slot de longueur double peut se faire de 2 façons en fonction de la charge d'accès au réseau - lorsque la charge du réseau reste aux trois quarts de sa capacité maximale, la probabilité de trouver 2 dots contigus libres sur l'une quelconque des fréquences reste élevée. On peut de plus optimiser l'algorithme d'allocation de ressources pour qu'il en soit ainsi. - lorsque cette charge se rapproche de la capacité maximale, cette probabilité devient faible, notamment dans un réseau d'accès où le nombre de porteuses est très supérieur aux nombres de dots dans les trames. Une façon de pallier à cet inconvénient est de réserver quelques porteuses additionnelles, fonctionnant uniquement en BPSK (telle que la porteuse 11 de la figure 1) avec des slots 15 de longueur double, sur lesquelles les circuits dégradés seront re- assignées. La façon pratique d'implémenter cette technique est d'utiliser des porteuses de ceux utilisés en QPSK. Cette technique est possible dans un accès TDMA, car un terminal qui émet une telle porteuse n'utilise qu'en de rares circonstances la capacité maximale de la porteuse, celle-ci étant partagée dans l'accès temporel au satellite par d'autres stations. Il est donc possible de réallouer un second slot (ou un slot double). La commutation en BPSK à débit symbole constant (bande identique) et puissance constante ne modifie pas les densités des porteuses émises et, de ce fait, ne modifie pas les interférences sur les porteuses réutilisant la même fréquence, rendant ainsi possible, sans risques, l'utilisation d'un critère de détection de dégradation de bout en bout, qui a l'avantage de prendre en compte toutes les sources de dégradation. Pour un même trafic, le pourcentage de slots supplémentaires à émettre dû au passage BPSK, est égal au pourcentage de stations qui sont simultanément affectées par la pluie. II représente une perte par rapport à la capacité utilisable en QPSK. Ceci est tempéré par le fait que la capacité crête d'un réseau d'accès n'est atteinte qu'à certaines heures, qui ne sont pas systématiquement les périodes durant lesquelles se produisent des atténuations dues à la pluie. Le pourcentage des stations affectées simultanément devrait être proche du pourcentage du temps pendant lequel une station est perturbée (cas de terminaux dispersés sur un grand territoire, téléphonie rurale en Afrique par exemple). Le tableau 1 résume les résultats de bilans de liaisons effectués dans des zones tropicales en bande Ku, sur un satellite réutilisant les mêmes fréquences entre polarisations croisées et spots. Ces bilans correspondent à des liaisons entre des terminaux équipés d'antennes de 1.2m et des gateways de 3.7m. TABLEAU I U.P.C. Commutation QPSK/BPSK PIRE satellite (Ku) 49 dBW Capacité obtenue identique Zone climatique (IUT P (Abidjan) Dynamique UPC dans GW 5 dB 3 dB Dynamique UPC dans Terminal 4 dB 0 dB Pourcentage du temps en QPSK 100% 97% Pourcentage du temps en BPSK 0 % 3 % Indisponibilité 2 % 1.4% Ce tableau montre qu'un compromis consiste à conserver un contrôle de PIRE réduit dans les émissions des gateways vers les terminaux (UPC). L'important est la suppression totale du contrôle de PIRE dans les terminaux dont la simplification est un point essentiel tant pour le prix (investissement global le plus important du segment terrestre) que pour la fiabilité de fonctionnement dans des environnements difficiles (zones tropicales). La méthode proposée pourrait s'étendre à toute commutation de modulation-codage qui conduirait au même débit symbol. En partant d'une modulation à 2" états (q1=2 pour le QPSK) et un codage d'efficacité r1, commutés vers une modulation-codage (q2,r2) dans des conditions difficiles de transmission, il en résulte une multiplication de la taille du slot dans ce nouvel état, pour assurer la transmission du même débit d'information, par (q1/q2 ) x (rl/r2) qui doit être supérieur à 1, et entier si l'on souhaite ne pas perdre sur l'efficacité de trame. Ce rapport représente également l'augmentation de la puissance par bit d'information transmis. TABLEAU 2 SLO GAIN T MODULATION/CODA Puissance GE X par bit Codage TOTAL QPSK / FEC 1I2 1 Etat initial ris comme référence BPSK / FEC 112 2 + 3 dB 0 dB 3 dB BPSK / FEC 1/3 3 + 4.8 dB + 0.5 dB 5.3 dB BPSK / FEC 1/4 4 + 6 dB + 0.8 dB 6.8 dB QPSK / FEC 2/3 1 Etat initial ris comme référence BPSK / FEC 2I3 2 + 3 dB + 0 dB 3 dB BPSK / FEC 1I2 3 4.3 dB + 0.5 dB 4.8 dB BPSK / FEC 1I3 4 + 6 dB + 1 dB 7 dB Ce tableau montre sur 2 exemples simples, partant d'un fonctionnement en QPSK et suivi successivement d'une commutation BPSK puis de codage, que l'on peut obtenir un accroissement de marge de 3 et 5 dB, au prix d'un doublement ou triplement de la durée du slot. Au-delà, le gain est peu probable, car ce gain représente, dans les conditions de fonctionnement à débit symbole constant, la diminution du C/N de la porteuse reçue, dont dépend le seuil de fonctionnement du démodulateur. Par ailleurs, avec l'hypothèse prise d'un nombre réduit de slots par trame, le nombre de slots ainsi étendu limiterait fortement le nombre d'accès possible du terminal. La méthode décrite précédemment prend toute sa signification pour des terminaux d'accès par satellite, disposant d'une PIRE réduite et donc limitant fortement le débit maximum transmissible, dans les conditions résumées ci- dessous - une utilisation en mode circuit, à débit d'information constant pendant le temps d'établissement du circuit ; - utilisant l'accès FDMA/TDMA en allocation dynamique (DAMA), caractérisé dans le sens émission des terminaux par un faible nombre de slots par trame (courte pour une utilisation en téléphonie), chaque slot véhiculant un circuit, typiquement 10 à 20 slots par trame ; - utilisant des débits par circuits faibles (par exemple, le codage de la parole 2.4 kbps) conduisant à des slots contenant un faible nombre de bits d'information (100 voire moins) et des préambules courts pour éviter la perte d'efficacité de trame sur de tels paquets courts ; - fonctionnant dans des bandes de fréquences élevées où les marges pour la pluie nécessitent une régulation de PIRE émission pour limiter la puissance consommée dans le satellite ; - utilisant la commutation de débit d'information en substitution à la régulation de PIRE en réallouant aux circuits perturbés, du fait d'une prise en compte de marges plus faibles, des dots de durée accrue procurant une augmentation de puissance par bit transmis, ce qui est possible dans un accès FDMAITDMA ; Dans ce contexte particulier, la méthode revient à faire allouer par le DAMA du système une nouvelle ressource caractérisée par un slot de durée double, sur une nouvelle fréquence si cela s'avérait nécessaire (et dans ce cas l'abandon du slot en cours), avec l'adjonction de porteuses dédiées systématiquement, constituées de slots doubles pour assurer une telle attribution dans des conditions de charge du réseau élevées. En conclusion, la technique de l'invention repose notamment sur l'utilisation simultanée d'au moins certains des aspects suivants 1. un accès FDMA/TDMA synchronisé utilisant des porteuses QPSK mettant en oeuvre un grand nombre de porteuses comparé au nombre de slots dans la trame de chaque porteuse, chaque slot transportant un circuit de communication ; 2. utilisant des dots de faible longueur (typiquement 50 à 200 symboles correspondant à des circuits de très faible débit (moins de quelques kbps)) avec un préambule réduit à un mot unique de détection et de synchronisation permettant une efficacité de trame d'au moins 60% ; 3. utilisant une réassignation de dots de durée doublée, associée à une commutation QPSK vers BPSK pour augmenter la puissance par bit transmis et ainsi augmenter les marges de transmission, tout en gardant le même débit symbole, offrant une marge de transmission supplémentaire de 3 dB (avec extension possible à la commutation du codage) ; 4. utilisant un lot de porteuses séparées, fonctionnant au même débit symbole que celles du point 1 mais en BPSK, dont les slots ont une durée double et servant à la réassignation du trafic des circuits perturbés dans le cas où la charge élevée du réseau ne permettrait pas la réassignation sur les porteuses de trafic suivant les conditions du point 3 ; 5. l'utilisation d'un critère de qualité de bout en bout (mesure de CIN ou détection d'erreurs) pour décider de la réassignation des circuits sur les porteuses des points 3 et 4 ; 6. la centralisation des informations de dégradation envoyées au DAMA du système sur un canal de signalisation durci , équivalent en terme de marge de transmission aux porteuses du point 3, le DAMA décidant en fonction de ses ressources disponibles (porteuses du point 3) de réassigner les circuits perturbés ; 7. l'implémentation au niveau du DAMA comme une allocation de circuit, avec des contraintes peu différentes de celles qui sont nécessaires pour une gestion FDMAITDMA de petites stations qui n'émettent qu'une porteuse à un instant ; 8. de la possibilité d'effectuer une réassignation sélective slot à slot autrement dit circuit par circuit ; 9. d'utiliser la marge de transmission ainsi créée pour remplacer le contrôle de PIRE, nécessaire dans les zones à forte pluie pour réduire la puissance satellite utilisée et augmenter la disponibilité des liaisons. REVENDICATIONS 1. Procédé de télécommunication par satellite, mettant en oeuvre un accès FDMA/TDMA synchronisé utilisant un grand nombre de porteuses, chaque porteuse assurant la transmission de trames successives, chaque trame étant organisée en intervalles de temps, ou slots, transportant chacun un circuit de communication, caractérisé en ce que, au moins pour les transmissions depuis un terminal vers un satellite, il met en oeuvre une étape de commutation de la modulation et/ou du codage mis en oeuvre pour au moins un desdits circuits de communication, entre un mode normal et un mode renforcé, en fonction d'un critère de qualité de transmission prédéterminé, ladite commutation étant telle que, lorsque ledit critère de qualité est inférieur à un seuil prédéterminé, on passe dans ledit mode renforcé pour lequel la robustesse de la transmission est améliorée et le débit symbole est divisé par N (N entier), N slots étant alors affectés audit circuit de communication. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite commutation est effectuée entre - une modulation à 2q' états et un codage d'efficacité r1 pour ledit mode normal ; - une modulation à 2,2 états et un codage d'efficacité r2 pour ledit mode renforcé, tels que (ql/q2)*(rl/r2) est un entier supérieur à 1. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ladite commutation est effectuée entre une modulation QPSK (4 états de phase) et une modulation BPSK (2 états de phase). 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit critère de qualité prédéterminé est un critère de qualité bout à bout. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit critère de qualité est une mesure de C/N et/ou de détection d'erreurs. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on affecte à un circuit de communication en mode renforcé un premier slot correspondant au slot réservé pour le mode normal et un second slot sélectionné parmi les dots disponibles. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'on réserve au moins une porteuse à la transmission de slots de durée double, systématiquement affectés à un circuit de communication, lorsqu'il est en mode renforcé. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les informations représentatives dudit critère de qualité sont transmises dans un canal de signalisation durci vers des moyens de centralisation (DAMA) gérant l'allocation desdits slots. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que lesdits dots portent de l'ordre de 50 à 200 symboles, correspondant à des circuits de très faible débit, et présente un préambule comprenant un unique mot de détection et de synchronisation. 10. Terminal de télécommunication par satellite mettant en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.