Brevet FR2987193A1 — publié le 20130823

CARTOGRAPHIE D'UNE ZONE DE COUVERTURE D'ANTENNE VIA UN SPECTRE ETALE. Le domaine technique de l'innovation est celui des tests dits « IOT tests »pour satellites. L'innovation concerne une nouvelle méthode pour réaliser une cartographie ou mappage d'une zone de couverture d'antenne pendant un test 10T. L'innovation permet en particulier, comme expliqué dans ce qui suit, d'éviter les contraintes en effectuant des cartographies de motifs d'antennes RX (en réception) et TX (en émission), généralement dénommés « mappages G/T et PIRE », en cas d'interférence dans la liaison montante tout comme descendante. Grâce à cette innovation, il sera possible d'effectuer le test IOT de cartographie de zones de couvertures d'antenne dans n'importe quelle position orbitale sans risque de provoquer une interférence ou de réduire la performance résultant d'une interférence existante. L'interférence est typiquement non intentionnelle et est provoquée par d'autres satellites utilisant les mêmes canaux, à la fois pour la liaison montante et la liaison descendante. Du fait que la combinaison entre position orbitale - largeur de bande utilisée est de plus en plus encombrée (essentiellement dans la bande Ku), d'importantes limitations ont commencé à apparaître lors du choix de la position orbitale adéquate (ce qui pourrait pénaliser la durée de vie du S/C le cas échéant) ainsi que des canaux adéquats. ART ANTERIEUR Le système utilisé se base essentiellement sur la méthode ASSC. Ce n'est que depuis peu et suite au scénario d'interférences qu'une nouvelle méthode est utilisée avec un certain degré d'optimisation dans cette mesure. - ASSC : le canal sélectionné pour la cartographie de la zone de couverture est commandé par FGM à saturation. Un système à réaction automatique de la station de liaison montante à terre permet de commander le canal du S/C à saturation à n'importe quel moment. De cette manière, la puissance de sortie du S/C est fixée à la Puissance de Sortie maximale, et donc une PIRE maximale. Lorsque le S/C effectue les coupures associées à la cartographie de zones de couvertures d'Antenne (en oscillation transversale et tangage), la section RX de la Station terrestre suit la variation de la PIRE reçue afin de calculer ainsi le motif d'antenne TX du S/C le long des coupures. De la même manière, les variations du niveau de liaison montante sont enregistrées, ce qui permet de calculer le motif d'antenne RX du S/C. Cette méthode est très efficace en situation normale lorsqu'il n'y a pas à faire face à des interférences, mais la commande du canal à saturation pendant toute la durée des coupures impose que le créneau orbital sélectionné et le canal affecté soient sans interférences. - Canal à ALC (commande de niveau automatique) avec une PIRE minimale : le canal sélectionné est commandé par ALC à une PIRE minimale. De cette manière, la puissance de sortie du S/C est constante (même si non maximale) et la section RX de la Station terrestre peut suivre la variation de la PIRE réceptionnée et calculer ainsi le motif TX du S/C. La Station terrestre collecte en outre la Puissance d'Entrée TM de l'ALC, laquelle indique la Puissance d'Entrée du circuit ALC situé dans l'HPA. De cette manière, il est possible de calculer la variation de la puissance d'entrée le long des coupures, et ensuite le gain RX du S/C, en sachant que le niveau de liaison montante de la Station terrestre est fixe (et surveillé pour un traitement ultérieur des variations le cas échéant). Les méthodes utilisées par d'autres sociétés sont un mélange des techniques ci-dessus. La méthode PIRE avec l'ALC au minimum semble quelque peu similaire, du moins en ce qui concerne la minimisation de l'interférence produite dans la liaison descendante, du fait que le canal est commandé par ALC à une puissance de sortie minimale (de manière typique, une Etape 0). Elle ne comprend cependant aucune structure de signal spécifique ou de traitement capable de minimiser l'interférence. Les systèmes existants comportent des défauts et des problèmes. Lorsqu'il s'agit de gérer des interférences, plusieurs scénarios sont possibles. Une brève description est donnée dans ce qui suit avec une distinction entre deux catégories. Le S/C en cours de test interfère avec des satellites voisins utilisant les mêmes canaux - liaison montante : en supposant un fonctionnement ASSC, le niveau de liaison montante est relativement élevé pour maintenir le canal dans la plage dynamique. De cette manière, si un satellite voisin utilise le même canal, ce signal va interférer avec, et il pourrait y avoir des plaintes en raison de la dégradation des services. Très souvent, le satellite voisin appartient au même opérateur. - liaison descendante : en supposant un fonctionnement ASSC, le canal de liaison descendante est commandé à saturation et il pourrait provoquer une forte interférence pour un S/C voisin utilisant le même canal. Très souvent, le satellite voisin appartient au même opérateur. - Sur la base du schéma de routage du canal, il pourrait en principe y avoir le cas d'une interférence avec la liaison montante sans que cela soit le cas pour la liaison descendante, ou vice versa. Le S/C testé subit une interférence de la part de satellites voisins utilisant les mêmes canaux - liaison montante : en supposant ASSC, le canal est commandé par FGM à saturation. En supposant qu'un autre signal RF est capturé par l'antenne RX du S/C, cela pourrait provoquer un changement de la Puissance d'Entrée globale de l'HPA, en la faisant passer à une surmultiplication, avec une réduction de la puissance de sortie globale. Du fait que le signal de test est une onde entretenue à fréquence centrale de canal (CW), la section RX de la Station terrestre est verrouillée sur l'onde entretenue pour établir la variation de la PIRE, et ne vas donc pas réagir à l'interférence. La précision de mesure du motif TX sera ainsi réduite. - liaison descendante : en supposant ASSC, la Station terrestre est verrouillée sur l'onde entretenue pour mesurer la puissance reçue, afin de calculer ainsi sa variation le long de la coupure. Si une interférence est reçue sur le même canal (et en supposant qu'elle soit de large bande comme cela est typiquement le cas), la précision de mesure diminuera, même en utilisant des filtres à bande mince dans la Station terrestre pour le verrouillage sur l'onde entretenue en train d'être testée. En supposant l'adoption de l'innovation proposée, l'effet d'interférence va disparaître grâce aux propriétés de la technique du Spectre Etalé. Les opérateurs de satellites sont en train de faire face au scénario où les positions orbitales disponibles pour effectuer un test de cartographie de zones de couvertures d'Antenne, et plus généralement des tests 10T, sont de plus en plus encombrées, ce qui implique l'adoption de techniques non optimales telles : - Choix d'un créneau orbital adéquat qui pourrait être très éloigné de celui qui est final, avec des pénalités supplémentaires en termes de durée de vie ; - Ces créneaux orbitaux sans interférences devraient convenir pour effectuer une cartographie d'une zone de couverture d'Antenne. - En l'absence d'une solution idéale, une cartographie d'une zone de couverture d'Antenne pourrait être nettement réduite (typiquement deux jours de tests par antenne à prévoir) pour limiter les périodes d'interférence. EXPOSE TECHNIQUE DE L'INNOVATION Pour expliquer l'innovation en détail, prenons un cas d'étude réel : une cartographie d'une zone de couverture d'Antenne pendant l'IOT. La figure 1 montre les coupures NWA conçues pour fournir une couverture suffisante du motif TX et RX NWA. Afin de réaliser le MMA (Mode Mappage d'Antenne), il était déjà clair qu'il faudrait renoncer au procédé ASSC en raison de l'interférence avec des satellites voisins. Les canaux suivants ont donc été adressés pour effectuer une cartographie d'une zone de couverture, dit « mappage PIRE et G/T » : NWA Canal TWTA EMI FGM/ALC Echelon de gain Echelon d'OPA B02 2113 ALC 0 0 DO1 2143 ALC 0 0 D06 2121 ALC 0 0 Tous ont été adressés par ALC à l'étape 0 avec l'intention de réaliser une mesure PIRE et G/T pour chacun d'entre eux, afin d'avoir suffisamment de données pour les deux polarisations (B02 est la pol X TX, D01/D06 sont les pol Y TX). Les mesures pour les motifs TX/RX NWA ont par contre été focalisées sur le canal B02 seulement, en raison de l'interférence. Comme déjà expliqué, la PIRE a été mesurée via la puissance réceptionnée par la Station terrestre RX, alors que G/T l'a été via la Puissance d'Entrée de l'Amplificateur de Canal TM. La figure 2 représente une reconstitution des deux motifs. Figure 2 : Reconstitution du motif NWA G/T (à gauche) et PIRE (à droite) Si la méthode proposée du Spectre Etalé avait été disponible, la mesure du motif aurait été réalisée pour tous les canaux voulus sans exception, ce qui aurait permis d'avoir un maximum d'informations disponibles. Afin d'expliquer l'innovation proposée, il convient tout d'abord d'aborder les trois principaux « sujets » concernés : - Modulation Spectre Etalé La technique de modulation de Séquence Directe du Spectre Etalé consiste à moduler le Flux de Données internes à l'aide d'une séquence binaire générée par un générateur de Pseudo-Bruit, généralement à une vitesse de modulation bien plus élevée (débit des bribes). Pour clarifier la chose, en supposant un flux de données internes de 1 kbps, un débit de bribe adéquat serait de 1 Mchip/s, ce qui signifie que chaque bit individuel du flux de données internes est encore modulé par 1000 bribes. Pour recollecter le flux de données internes, le récepteur multiplie le signal réceptionné par une version locale de la même séquence PN, ce qui donne une version de bande de base du flux de données internes. Les propriétés des séquences PN consistent essentiellement à fournir un spectre semblable à un pseudo-bruit, afin de fournir d'excellentes propriétés d'auto-corrélation (il suffit de décaler la séquence PN d'une bribe en réception pour que l'auto-corrélation devienne nulle) et de corrélation croisée (des séquences PN appartenant à une même famille lesquelles, lorsque multipliées, provoquent une baisse de corrélation à zéro). De cette manière, il est très facile d'acquérir, suivre et démoduler le flux de données internes. Si une interférence J est couplée au signal global (par exemple dans la liaison descendante), une fois qu'elle est multipliée par la version locale de la séquence PN, sa Densité de Puissance Spectrale est étalée sur toute la largeur de bande PN, de sorte que son effet sur le flux de données internes est nettement réduit. Cette caractéristique est généralement dénommée un Gain de Traitement (donné par le rapport débit de bribe/débit binaire) et est particulièrement utile dans tous les cas de protection contre les interférences (anti-encombrements dans un système de communication militaire, WCDMA où les interférences sont les autres utilisateurs). La Figure 3 illustre une explication graphique du Spectre Etalé. Cette situation est illustrée sur la figure ci-dessus, sur laquelle avant le désétalement (du côté de la Station terrestre RX), le signal étalé utile (signal SS sur la figure) apparaît semblable à du bruit. Une fois que le désétalement a eu lieu, la situation est inversée du fait que le flux de données internes est devenu bande de base (son énergie a été collectée) alors que le brouilleur est devenu semblable à du bruit. C'est ainsi que son effet sur le flux de données internes est nettement réduit. - Commande de Niveau Automatique (ALC ou Automatic Level Control) au Niveau de l'Amplificateur de Canal à bord du S/C La Commande Automatique du Niveau est un système de rétroaction installé sur des Amplificateurs de Canal faisant partie de la section de sortie du Répéteur de l'Amplificateur Haute Fréquence. En résumé, le signal RF est détecté avant l'Amplificateur de Gain Variable. Le capteur transforme le niveau d'entrée mesuré en un signal de commande pour ajuster le Gain de l'amplificateur, afin d'obtenir ainsi une Puissance de Sortie constante quelle que soit la puissance d'entrée. En traitant avec des typiques sous-systèmes ALC satellitaires, les paramètres principaux sur lesquels il convient de se focaliser sont la plage dynamique du niveau d'entrée (en excès de 30 dB) et la stabilité de la Puissance de Sortie ALC (faire osciller le niveau d'entrée sur l'ensemble de sa plage dynamique va provoquer une légère variation de la puissance de sortie, commandée par des circuits à boucle de rétroaction imparfaits et effets de Bruit Thermique). Les deux paramètres sont intéressants pour développer l'innovation proposée. - Estimation du Niveau au Sol d'un signal utile (S) et de l'interférence (J) Une fois que le signal du satellite est réceptionné au sol, il s'agit de la somme du signal utile S (spectre étalé) plus l'interférence de liaison montante (dans un premier temps, on peut négliger le Bruit Thermal S/C). Après la section d'entrée RX de la Station terrestre (antenne, LNB, convertisseur descendant) le signal global entre dans la section numérique où le désétalement a lieu. A ce stade, il est nécessaire d'effectuer une estimation précise des niveaux associés au signal utile S ainsi que de l'interférence J. Comme expliqué plus loin, la précision finale de la mesure pour les motifs PIRE tout comme G/T dépend de la capacité à évaluer à la fois S et J, étant donné que le rapport S/J à n'importe quel moment de mesure offre les capacités de post-traitement nécessaires pour estimer G/T et PIRE. Détails de l'innovation Prenons un exemple pratique avec le canal B02. Ce canal de 54 MHz est en liaison montante à 13782.67 MHz, alors que la fréquence de liaison descendante est de 10982.67 MHz. Supposons que le Signal soit un flux de données binaires de 1000 bits transmis à 1 kbps (une seconde pour chaque paquet). La seule information véhiculée par le paquet est le nombre séquentiel du début du paquet. La séquence PN du Spectre Etalé est formée par une Séquence de Longueur Maximale d'une longueur adéquate. Supposons une modulation du paquet avec un débit de bribe de 25 Mchip/s afin d'occuper ainsi la largeur de bande du canal B02. Le Gain de Traitement donne 10*logio (débit de bribe / débit binaire)= 44 dB. Sans aucune interférence sur les liaisons montante et descendante, le signal est en liaison montante avec un niveau permettant de commander le circuit ALC dans sa région nominale (c'est-à-dire inférieure à la surmultiplication). Ce niveau peut être prédit en commençant avec la portée prévue de l'antenne RX du S/C et en tenant compte du point de départ du MMA (et de son gain RX associé). L'ALC est configurée à l'étape 0 afin d'avoir la puissance de sortie la plus basse possible. En profitant des derniers développements des Amplificateurs de Canal, ce choix permet d'offrir près de 10 + 11 dB OBO, de sorte que la PIRE réelle sur le canal B02 sera environ de 40 dBW au niveau de l'axe d'antenne TX. La section RX de la Station terrestre est capable de réceptionner, amplifier et désétaler le signal entrant. Le QoS obtenu grâce à la combinaison PIRE/Gain de traitement est capable de fournir plusieurs dB de marge lors de la démodulation du paquet, ce qui permet alors de dimensionner la précision d'une meilleure manière que 0,1 dB. C'est ainsi que la Station terrestre peut suivre le niveau du paquet le long des coupures, en réalisant ainsi de manière efficace la mesure du motif TX. Par ailleurs, en recevant la puissance d'entrée TM de l'ALC, la Station terrestre est capable de suivre la variation de la puissance d'entrée du S/C, laquelle correspond quant à elle au motif de gain RX de l'antenne. Dans tout ce qui précède, le Bruit Thermique du S/C et le Bruit Thermique de la Station terrestre ont été omis pour les raisons suivantes : - Le Bruit Thermique du S/C peut être traité ultérieurement d'après la mesure disponible afin d'augmenter la précision des mesures des motifs RX et TX. - Le Bruit Thermique de la Station terrestre est négligeable étant donné que le G/T offert est en excès de 40 dB. Prenons à présent le cas où il y a une interférence de liaison descendante sur la liaison descendante, en supposant qu'un S/C voisin est en train de transmettre sur le même canal B02 en liaison descendante : - Grâce au Gain de Traitement de 44 dB, une fois que le désétalement a eu lieu, le niveau du signal d'interférence est réduit de 44 dB en termes de densité spectrale. La précision d'évaluation du niveau du signal est toujours encore capable de fournir une précision de l'ordre de 0,1 dB. - Par ailleurs, le signal de Spectre Etalé est de 11 dB au plus bas maximal et apparaît comme bruyant, de sorte qu'une interférence pour les utilisateurs finaux recevant sur le canal B02 de satellites voisins est grandement réduite. Supposons maintenant qu'il y ait une interférence sur la liaison montante, à savoir qu'un S/C voisin est en train de réceptionner sur la même liaison montante B02 et que ce signal de liaison montante entre dans la section RX du S/C en cours de test. Lorsque cela arrive, le signal dans l'entrée vers l'ALC est effectivement S+J, S étant le signal à Spectre Etalé et J étant l'interférence. En négligeant une fois de plus le Bruit Thermique produit par le S/C en cours de test, il est également possible d'affirmer ce qui suit : - l'ALC va réagir à la puissance d'entrée S+J tout au long des coupures. S et J vont changer indépendamment car ils sont en liaison montante grâce à deux stations de liaison montante différentes et seront reçus avec un gain RX différent le long des coupures. - L'ALC va fournir un signal de puissance de sortie S+J constant. - La Puissance d'Entrée TM de l'ALC va porter l'indication de la somme de S+J, de sorte qu'il est en principe inutile de déterminer le motif RX car on ne connaît pas le rapport entre S et J le long des coupures. La section RX de la Station terrestre va également recevoir le signal S+J et, après l'amplification et la conversion descendante, ce signal composite va être envoyé VERS la section de désétalement : - le signal S va être désétalé avec un Gain de Traitement de 44 dB, de sorte que son QoS sera tel, qu'il permettra une estimation du niveau d'une précision supérieure à 0,1 dB ; - Par ailleurs, J se étalée grâce à la fonction de désétalement, de sorte que sa Densité de Puissance Spectrale chutera de 44 dB, en n'impactant pas la mesure de S. Le niveau de J peut en outre être mesuré selon les deux procédures suivantes :