publié le 30 novembre 2023 à 08:00
1339 mots
Mike McLernon est ingénieur en chef du marketing technique chez l’éditeur américain de logiciels MathWorks. Il présente ici les défis à relever dans la conception de systèmes de communications par satellite sur orbite terrestre basse.
Les satellites spatiaux commerciaux suscitent l’engouement des entreprises et des investisseurs.
Depuis 2021, les investisseurs privés ont injecté plus de 23,5 Md$ de financement du secteur privé dans les entreprises liées au domaine spatial, et des géants de la technologie comme SpaceX et Amazon (Kuiper) ont lancé des initiatives spatiales pour accroître l’accès au haut débit dans le monde.
Historiquement, les communications par satellite étaient utilisées pour la communication téléphonique, la défense et l’exploration spatiale, mais l’arrivée des satellites à orbite terrestre basse (LEO, Low-Earth Orbit) et leur prolifération ont levé les obstacles financiers qui freinaient le lancement de satellites, ce qui a ouvert la porte à de nouveaux cas d’utilisation.
Cet avantage économique est imputable à deux facteurs : 1) la taille des satellites (les derniers satellites LEO Starlink de SpaceX font la taille d’une table de cuisine) et 2) la possibilité de lancer plusieurs satellites LEO simultanément.
Avec les satellites LEO, les systèmes de communications par satellite sont plus viables économiquement, mais cette technologie apporte une couche de complexité supplémentaire et impose aux ingénieurs de gérer des décalages Doppler plus importants, davantage d’interférences et une plus grande complexité du réseau.
Tendances favorisant l’adoption des systèmes de communications par satellite Connectivité universelle : l’adoption des systèmes LEO est principalement motivée par l’idéal d’un environnement dans lequel les équipements pourraient créer, partager et traiter des données depuis presque n’importe où.
Malgré l’évolution de l’infrastructure de télécommunications terrestre, certaines parties du monde telles que des communautés rurales et les océans restent dépourvues de connectivité cellulaire, en raison du coût ou des obstacles géographiques.
La technologie satellite est un outil essentiel pour permettre à l’industrie des télécommunications de réduire les disparités de connectivité entre les zones urbaines et rurales.
En plus de l’accessibilité cellulaire, les LEO peuvent augmenter la capacité cellulaire.
Les données sur le marché recueillies par Statista sont particulièrement illustratives : il y a actuellement 4,6 milliards d’utilisateurs de smartphone dans le monde, et le nombre d’équipements connectés à Internet devrait dépasser les 29 milliards dans le monde d’ici 2030.
De plus en plus de personnes utilisent Internet, ce qui augmente la demande mondiale de systèmes cellulaires. Les entreprises de télécommunications continuent d’investir dans l’infrastructure terrestre car les satellites commerciaux n’ont pas toujours été rentables ; cependant le coût des satellites LEO diminue, ce qui en fait une option viable pour répondre à la limitation croissante de la bande passante, en particulier dans les zones reculées.
Enfin, avec les phénomènes météorologiques extrêmes qui deviennent plus intenses et plus fréquents, les communications de reprise après sinistre sont une tendance clé, qui favorise l’adoption des communications par satellite.
L’infrastructure cellulaire est souvent mise hors service lors de tels événements, et les satellites permettent alors aux premiers intervenants, aux services publics et aux habitants de diffuser et de recevoir des informations critiques.
Ce cas d’utilisation a été validé lorsque Starlink a positionné 120 satellites au-dessus du sud-ouest de la Floride et d’autres zones touchées par l’ouragan Ian lorsque l’infrastructure cellulaire terrestre a été détruite.
Avant l’arrivée des satellites LEO, les systèmes de communications par satellite utilisaient principalement des satellites en orbite géostationnaire (GEO).
Trois satellites GEO, correctement espacés en longitude et calqués sur la vitesse de rotation de la Terre, peuvent couvrir la quasi-totalité de la planète.
Trois satellites GEO avec quelques liaisons transversales suffisent, mais leur construction et leur lancement sont malheureusement plus coûteux que ceux des satellites LEO.
En outre, la distance des satellites GEO par rapport au sol et entre eux crée une latence dans leurs signaux.
La technologie GEO est suffisante pour le courrier électronique et d’autres communications qui ne sont pas temps réel, mais pour les appels téléphoniques et la visioconférence, les retards importants ne permettent pas d’obtenir des communications assez fluides.
Les retards de signaux sont bien plus faibles avec les satellites LEO, car ceux-ci sont plus proches de la Terre. Les émetteurs ont toutefois besoin de plus de puissance pour communiquer avec les satellites LEO qu’avec les réseaux terrestres.
En effet les signaux des réseaux terrestres ont une portée de 5-10 km, tandis que les signaux des satellites LEO peuvent parcourir jusqu’à 2 000 km, avec une perte de signal supérieure.
La taille réduite des satellites LEO est à la fois un atout et un défi en matière de design.
Les amplificateurs de puissance des satellites LEO doivent être de petite taille tout en fournissant une puissance suffisante pour transmettre un signal à la cible.
Idéalement, les ingénieurs en satellites souhaiteraient que les amplificateurs de puissance présentent une caractéristique linéaire même confrontés à des puissances élevées.
Cependant, la figure ci-dessous montre que, trop sollicités, les amplificateurs de puissance peuvent distordre les signaux de façon importante.
Des sous-systèmes de pré-distorsion numérique (DPD) dans l’émetteur peuvent empêcher de telles distorsions. La DPD applique une caractéristique d’« amplificateur de puissance inversé » au signal, qui rend le signal de sortie de l’amplificateur de puissance plus linéaire. Les outils de DPD, comme ceux de Communications Toolbox, utilisent de plus en plus l’IA pour améliorer les résultats.
L’utilisation de la technologie LEO pour les systèmes de communications par satellite pose aussi le problème de l’interférence, lié principalement au fait que l’on compte actuellement presque 6 000 satellites LEO en orbite.
Les systèmes de communications par satellite ont longtemps utilisé des liaisons RF traditionnelles, mais les ingénieurs se tournent de plus en plus vers des liaisons optiques lorsque cela est possible.
Les faisceaux des liaisons optiques sont beaucoup plus étroits que ceux des liaisons RF traditionnelles, or les faisceaux larges peuvent déborder sur d’autres récepteurs et provoquer des interférences.
Les interférences générées par les systèmes optiques sont bien moindres en raison de la plus grande concentration du signal.
Enfin, les ingénieurs en satellites peuvent aussi recourir aux réseaux d’antennes, qui sont des groupes d’antennes contrôlées par ordinateur pour créer un faisceau orienté électroniquement dans différentes directions.
Les réseaux d’antennes peuvent annuler les interférences dans l’espace et orienter l’énergie vers un point particulier au sol. Ils maximisent l’énergie du faisceau dans la direction du signal souhaité et insèrent des zéros du faisceau dans la direction de l’interférence, ce qui maximise le rapport signal sur interférence plus bruit (SNIR).
À l’inverse des satellites GEO, les satellites LEO ne tournent pas autour de la Terre en suivant sa vitesse de rotation.
Par conséquent, ils se rapprochent et s’éloignent constamment des récepteurs.
Ce mouvement crée un effet Doppler qui doit être pris en compte par les ingénieurs en satellites.
En ingénierie, l’effet Doppler désigne la différence de fréquence entre l’onde émise et l’onde reçue lorsque l’émetteur ou le récepteur est en mouvement.
Ce phénomène impose aux ingénieurs en satellites d’acquérir et de suivre les fréquences centrales des satellites LEO, qui changent continuellement.
La fréquence et la phase de l’émetteur et du récepteur du satellite doivent être complètement verrouillées pour que la démodulation des formes d’onde soit réussie.
Cependant, les décalages Doppler importants peuvent désynchroniser la fréquence, la phase et la temporisation. Il est alors nécessaire d’implémenter plusieurs boucles fermées dans ces récepteurs pour éliminer les décalages de fréquences induits par l’effet Doppler.
La synchronisation doit avoir lieu aux niveaux de la trame, de la temporisation des symboles, de la fréquence de l’onde porteuse et de la phase de l’onde porteuse.
De nombreux ingénieurs en satellites utilisent des designs de référence pour les récepteurs fournis avec des produits tels que MATLAB pour ne pas avoir à constamment réinventer la roue.
En apportant des personnalisations mineures aux designs de référence, les ingénieurs en satellites peuvent concevoir des récepteurs robustes capables de fonctionner dans des environnements RF difficiles.
La technologie LEO attire l’attention d’un certain nombre d’entreprises en raison de ses cas d’utilisation intéressants à court et long terme.
Des entreprises comme Apple exploitent déjà des réseaux de communications par satellite, et ce n’est que le début.
Alors que les communications par satellite continuent d’influencer l’industrie des télécommunications, les ingénieurs doivent se familiariser avec leurs utilisations, les difficultés qu’elles présentent et les technologies qui les supportent.
Mike McLernon est ingénieur en chef du marketing technique chez l’éditeur américain de logiciels MathWorks. Il présente ici les défis à relever dans la conception de systèmes de communications par satellite sur orbite terrestre basse.
Les satellites spatiaux commerciaux suscitent l’engouement des entreprises et des investisseurs.
Depuis 2021, les investisseurs privés ont injecté plus de 23,5 Md$ de financement du secteur privé dans les entreprises liées au domaine spatial, et des géants de la technologie comme SpaceX et Amazon (Kuiper) ont lancé des initiatives spatiales pour accroître l’accès au haut débit dans le monde.
Historiquement, les communications par satellite étaient utilisées pour la communication téléphonique, la défense et l’exploration spatiale, mais l’arrivée des satellites à orbite terrestre basse (LEO, Low-Earth Orbit) et leur prolifération ont levé les obstacles financiers qui freinaient le lancement de satellites, ce qui a ouvert la porte à de nouveaux cas d’utilisation.
Cet avantage économique est imputable à deux facteurs : 1) la taille des satellites (les derniers satellites LEO Starlink de SpaceX font la taille d’une table de cuisine) et 2) la possibilité de lancer plusieurs satellites LEO simultanément.
Avec les satellites LEO, les systèmes de communications par satellite sont plus viables économiquement, mais cette technologie apporte une couche de complexité supplémentaire et impose aux ingénieurs de gérer des décalages Doppler plus importants, davantage d’interférences et une plus grande complexité du réseau.
Tendances favorisant l’adoption des systèmes de communications par satellite Connectivité universelle : l’adoption des systèmes LEO est principalement motivée par l’idéal d’un environnement dans lequel les équipements pourraient créer, partager et traiter des données depuis presque n’importe où.
Malgré l’évolution de l’infrastructure de télécommunications terrestre, certaines parties du monde telles que des communautés rurales et les océans restent dépourvues de connectivité cellulaire, en raison du coût ou des obstacles géographiques.
La technologie satellite est un outil essentiel pour permettre à l’industrie des télécommunications de réduire les disparités de connectivité entre les zones urbaines et rurales.
En plus de l’accessibilité cellulaire, les LEO peuvent augmenter la capacité cellulaire.
Les données sur le marché recueillies par Statista sont particulièrement illustratives : il y a actuellement 4,6 milliards d’utilisateurs de smartphone dans le monde, et le nombre d’équipements connectés à Internet devrait dépasser les 29 milliards dans le monde d’ici 2030.
De plus en plus de personnes utilisent Internet, ce qui augmente la demande mondiale de systèmes cellulaires. Les entreprises de télécommunications continuent d’investir dans l’infrastructure terrestre car les satellites commerciaux n’ont pas toujours été rentables ; cependant le coût des satellites LEO diminue, ce qui en fait une option viable pour répondre à la limitation croissante de la bande passante, en particulier dans les zones reculées.
Enfin, avec les phénomènes météorologiques extrêmes qui deviennent plus intenses et plus fréquents, les communications de reprise après sinistre sont une tendance clé, qui favorise l’adoption des communications par satellite.
L’infrastructure cellulaire est souvent mise hors service lors de tels événements, et les satellites permettent alors aux premiers intervenants, aux services publics et aux habitants de diffuser et de recevoir des informations critiques.
Ce cas d’utilisation a été validé lorsque Starlink a positionné 120 satellites au-dessus du sud-ouest de la Floride et d’autres zones touchées par l’ouragan Ian lorsque l’infrastructure cellulaire terrestre a été détruite.
Avant l’arrivée des satellites LEO, les systèmes de communications par satellite utilisaient principalement des satellites en orbite géostationnaire (GEO).
Trois satellites GEO, correctement espacés en longitude et calqués sur la vitesse de rotation de la Terre, peuvent couvrir la quasi-totalité de la planète.
Trois satellites GEO avec quelques liaisons transversales suffisent, mais leur construction et leur lancement sont malheureusement plus coûteux que ceux des satellites LEO.
En outre, la distance des satellites GEO par rapport au sol et entre eux crée une latence dans leurs signaux.
La technologie GEO est suffisante pour le courrier électronique et d’autres communications qui ne sont pas temps réel, mais pour les appels téléphoniques et la visioconférence, les retards importants ne permettent pas d’obtenir des communications assez fluides.
Les retards de signaux sont bien plus faibles avec les satellites LEO, car ceux-ci sont plus proches de la Terre. Les émetteurs ont toutefois besoin de plus de puissance pour communiquer avec les satellites LEO qu’avec les réseaux terrestres.
En effet les signaux des réseaux terrestres ont une portée de 5-10 km, tandis que les signaux des satellites LEO peuvent parcourir jusqu’à 2 000 km, avec une perte de signal supérieure.
La taille réduite des satellites LEO est à la fois un atout et un défi en matière de design.
Les amplificateurs de puissance des satellites LEO doivent être de petite taille tout en fournissant une puissance suffisante pour transmettre un signal à la cible.
Idéalement, les ingénieurs en satellites souhaiteraient que les amplificateurs de puissance présentent une caractéristique linéaire même confrontés à des puissances élevées.
Cependant, la figure ci-dessous montre que, trop sollicités, les amplificateurs de puissance peuvent distordre les signaux de façon importante.
Des sous-systèmes de pré-distorsion numérique (DPD) dans l’émetteur peuvent empêcher de telles distorsions. La DPD applique une caractéristique d’« amplificateur de puissance inversé » au signal, qui rend le signal de sortie de l’amplificateur de puissance plus linéaire. Les outils de DPD, comme ceux de Communications Toolbox, utilisent de plus en plus l’IA pour améliorer les résultats.
L’utilisation de la technologie LEO pour les systèmes de communications par satellite pose aussi le problème de l’interférence, lié principalement au fait que l’on compte actuellement presque 6 000 satellites LEO en orbite.
Les systèmes de communications par satellite ont longtemps utilisé des liaisons RF traditionnelles, mais les ingénieurs se tournent de plus en plus vers des liaisons optiques lorsque cela est possible.
Les faisceaux des liaisons optiques sont beaucoup plus étroits que ceux des liaisons RF traditionnelles, or les faisceaux larges peuvent déborder sur d’autres récepteurs et provoquer des interférences.
Les interférences générées par les systèmes optiques sont bien moindres en raison de la plus grande concentration du signal.
Enfin, les ingénieurs en satellites peuvent aussi recourir aux réseaux d’antennes, qui sont des groupes d’antennes contrôlées par ordinateur pour créer un faisceau orienté électroniquement dans différentes directions.
Les réseaux d’antennes peuvent annuler les interférences dans l’espace et orienter l’énergie vers un point particulier au sol. Ils maximisent l’énergie du faisceau dans la direction du signal souhaité et insèrent des zéros du faisceau dans la direction de l’interférence, ce qui maximise le rapport signal sur interférence plus bruit (SNIR).
À l’inverse des satellites GEO, les satellites LEO ne tournent pas autour de la Terre en suivant sa vitesse de rotation.
Par conséquent, ils se rapprochent et s’éloignent constamment des récepteurs.
Ce mouvement crée un effet Doppler qui doit être pris en compte par les ingénieurs en satellites.
En ingénierie, l’effet Doppler désigne la différence de fréquence entre l’onde émise et l’onde reçue lorsque l’émetteur ou le récepteur est en mouvement.
Ce phénomène impose aux ingénieurs en satellites d’acquérir et de suivre les fréquences centrales des satellites LEO, qui changent continuellement.
La fréquence et la phase de l’émetteur et du récepteur du satellite doivent être complètement verrouillées pour que la démodulation des formes d’onde soit réussie.
Cependant, les décalages Doppler importants peuvent désynchroniser la fréquence, la phase et la temporisation. Il est alors nécessaire d’implémenter plusieurs boucles fermées dans ces récepteurs pour éliminer les décalages de fréquences induits par l’effet Doppler.
La synchronisation doit avoir lieu aux niveaux de la trame, de la temporisation des symboles, de la fréquence de l’onde porteuse et de la phase de l’onde porteuse.
De nombreux ingénieurs en satellites utilisent des designs de référence pour les récepteurs fournis avec des produits tels que MATLAB pour ne pas avoir à constamment réinventer la roue.
En apportant des personnalisations mineures aux designs de référence, les ingénieurs en satellites peuvent concevoir des récepteurs robustes capables de fonctionner dans des environnements RF difficiles.
La technologie LEO attire l’attention d’un certain nombre d’entreprises en raison de ses cas d’utilisation intéressants à court et long terme.
Des entreprises comme Apple exploitent déjà des réseaux de communications par satellite, et ce n’est que le début.
Alors que les communications par satellite continuent d’influencer l’industrie des télécommunications, les ingénieurs doivent se familiariser avec leurs utilisations, les difficultés qu’elles présentent et les technologies qui les supportent.
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