Les Réseaux Satellites

Principes et caractéristiques

L'architecture globale

Le fonctionnement et l'architecture des réseaux satellites peut être simple mais également très complexe. Tout dépend globalement du nombre de satellites impliqué dans la topologie.

Au premier maillon de la chaîne, nous avons le client. Celui-ci dispose d'une antenne pouvant communiquer avec les satellites. Son antenne est reliée à un modem permettant de convertir les données numériques en signal analogique et vice-versa.

Dans le cas d'un satellite géostationnaire, il s'agit en général d'un VSAT (Very Small Aperture Terminal), une parabolle de petite taille pouvant faire de 75 à 120 centimètres. Cette parabole doit être dirigée exactement sur le satellite pour émettre et recevoir le faisceau de communication.

Le satellite dispose d'un certain nombre de transpondeurs (de l'anglais "transponder", pour "TRANSmitter/resPONDER") qui lui permettent de recevoir les signaux d'une fréquence donnée afin de les retransmettre vers la terre sur une autre fréquence donnée. Ces transpondeurs sont donc composés d'un couple émetteur/récepteur.

Les satellites géostationnaires utilisent une émission par diffusion, ce qui signifie que le signal envoyé vers un client couvre une énorme zone territoriale. Chaque client dans la zone de couverture peut donc recevoir potentiellement ce signal.

De retour sur Terre, le signal est receptionné est converti en données numériques par le client (lorsqu'il s'agit d'une transmission de données). Ce client peut être soit un particulier, une entreprise ou le fournisseur d'accès. Dans le cas d'une transmission TCP par example les paquets peuvent donc être lus par un particulier, ou routés vers l'Internet dans le cas du fournisseur d'accès.




Les orbites

Les satellites peuvent se situer sur plusieurs types d'orbites en fonction de leur utilisation. Chacune de ces orbites disposent d'avantages et d'inconvénients. En général, plus une orbite se trouve éloignée de la Terre, et plus le temps aller-retour du signal électromagnétique est grand. Le satellite a cependant une vitesse faible dans l'espace terrestre, ce qui augmente son temps de couverture. A l'inverse, un satellite proche de la Terre communique avec une faible latence, mais peut se déplacer si vite dans le ciel terrestre qu'il ne couvre un utilisateur que pendant quelques minutes.

Voici les différents types d'orbites:

  • GEOS (Geostationary Earth Orbital Satellite)
  • Orbite géostationnaire: 35786 km Temps aller-retour de l'onde radio: ~260ms Ces types d'orbites sont les plus utilisés dans le domaine de la diffusion vidéo et de l'accès à l'Internet. Leur principal atout repose sur la position fixe qu'ils maintiennent dans le ciel terrestre. Une station au sol reste donc en permanence dans la zone de couverture du satellite. En revanche, leur altitude élevée entraine un temps de latence du signal aller-retour considérable: environ 260 millisecondes. De plus, les satellites géostationnaires ne sont plus visible au dessus d'une latitude de 70°.

  • MEOS (Medium Earth Orbital Satellite)
  • De 2000 à 35000 km Temps aller-retour de l'onde radio: ~ 100ms Les MEOS sont placés entre les satellites à orbite haute et ceux à orbite basse. Ils permettent donc d'ajuster les différentes caractéristiques des orbites en fonction de l'utilisation du satellite. Les satellites GPS sont par exemple situés sur des orbites moyennes, de l'ordre de 20000 km d'altitude.

  • LEOS (Low Earth Orbital Satellite)
  • De 200 à 2000 kmGEOS (Geostationary Earth Orbital Satellite) Temps aller-retour de l'onde radio: inférieur à 10ms


Différentes orbites: LEO(cyan), MEO(jaune) et GEO(pointillés noirs)

Les satellites à orbites basses ont les caractéristiques opposées des satellites GEOS: un faible temps de propagation du signal, mais un déplacement relatif au sol terrestre très rapide. Un satellite à 1000 km d'altitude fait le tour de la Terre en à peu près 90 minutes, ce qui signifie qu'il couvre un point fixe terrestre pendant un peu plus de deux minutes. Ce désavantage doit être contre-balancé par un réseau de satellite qu'on appelle constellation. Lorsqu'un recepteur terrestre est sur le point de sortir de la zone de couverture d'un satellite, il passe sur un autre satellite par "handover". Pour que la communication reste constante, il est nécessaire que les satellites communiquent entre eux au sein de la constellation. Les satellites en orbite basse sont surtout utilisés pour la communication téléphonique.




Les ondes électromagnétiques

La communication par satellite se fait par ondes radios, qui sont des signaux electromagnétiques. Ces signaux sont envoyés à différentes fréquences qui dépendent du type de satellite utilisé.

Au début des années 80, les réseaux satellites servaient principalement pour la diffusion de la télévision et la téléphonie. Ces satellites utilisaient des fréquences situées dans la bande C (4 à 8 GHz). Puis, avec le développement de la transmission de données par satellite et de l'accès à l'internet, ces fréquences ont été augmentées pour correspondre aux nouveaux besoins. La plupart des satellites géostationnaires fournissant un accès à Internet son de nos jours situés dans la bande Ku (12 à 18 GHz). Mais cette bande de fréquence commence déjà à être saturée, et la prochaine génération de satellites se situera dans la bande Ka (27 à 40 GHz).

On ne peut bien sur pas choisir n'importe comment ces fréquences. Premièrement, un satellite émet des ondes sur beaucoup de pays à la fois, ce qui signifie que les fréquences doivent être validées par beaucoup de nations. C'est pour cette raison que des groupes comme l'ETSI (European Telecommunications Standards Institute) existent, en coordonnant et appliquant les nouvelles normes sur un ensemble de pays.

Mais le choix des fréquences n'est pas seulement contrôlé par des normes, mais également par les lois de la physique. Il faut savoir qu'en général, plus la fréquence augmente:

  • Plus la taille de l'antenne diminue
  • Plus le débit d'information augmente
  • Plus l'energie requise pour émettre augmente (à gain similaire)
  • Plus l'atténuation du signal augmente (par les phénomènes physiques)

Les satellites n'utilisant que l'energie solaire et des batteries lorqu'ils sont à l'ombre, leur energie est limité, et c'est pourquoi les satellites émettent toujours à des fréquences inférieures aux stations terrestres. Ces contraintes empêchent le choix de fréquences élevées et la bande Ka prochainement utilisée par les satellites est certainement proche de la limite que les équipements technologiques peuvent atteindre.