Introduction
1) Les ondes sinusoïdales
2) La modulation de l’onde
a) Le principe de la modulation
b) Les signaux analogiques
c) Les signaux numériques
d) Double modulation
3) Les politiques d’accès au réseau
a) Les politiques de réservation
b) Les politiques d’accès aléatoire
c) Les politiques de réservation par paquet
Une fois les données acquises par le satellite, il reste à les transmettre sur Terre afin de les analyser. La technique adoptée est la transmission sous forme d’ondes. Cependant le temps de transmission des données est important du fait du fort éloignement entre le satellite émetteur et la station réceptrice sur Terre. Par ailleurs, le nombre de compagnies utilisant des satellites fait qu’il y a un risque important d’interférences entre les ondes des différentes stations, ce qui rendrait les signaux captés indéchiffrables et donc inutilisables.
Une onde se caractérise par trois paramètres, sa fréquence, son amplitude et sa phase. La formule des ondes sinusoïdales est de la forme f(t)=A.sin(w0t + φ) avec :
- A l’amplitude de l’onde, c’est à dire la valeur d‘un maximum;
- w0=f/(2π) avec f la fréquence de l’onde, nombre de fois que l’onde se reproduit identique à elle-même en une seconde;
- φ la phase, écart de temps séparant l'instant initial d’émission de l’onde et l’instant où le signal coupe l’axe des abscisses pour la première fois.
a) Le principe de la modulation
Chaque satellite a une porteuse. Il s’agit d’une onde possédant une très haute fréquence (ce qui lui permet de coder un grand nombre de signaux en peu de temps), et qui va servir de support à la transmission du signal . La modulation consiste à faire varier dans le temps l’un des trois paramètres de cette porteuse, et ce en fonction du signal à coder. La station réceptrice compare ensuite l’onde modulée reçue à la porteuse et en déduit par l’opération inverse le signal codé.
Il existe deux types de signaux susceptibles de devoir être modulés en vue de leur transmission : les signaux analogiques et les signaux numériques.
Leurs éléments peuvent prendre une infinité de valeurs. Prenons l’exemple des couleurs : pour coder une couleur, le satellite analyse pour chaque pixel l’intensité de chacune des couleurs primaires, les 3 intensités seront ensuite codées séparément, et leur mise en commun permettra de retrouver sur Terre la teinte du pixel. Chaque couleur peut en effet avoir une infinité d’intensités différentes (plus ou moins foncé). La technique utilisée pour le codage de tels signaux est la modulation d’amplitude.
Exemple de deux ondes d’amplitudes différentes mais de mêmes phase et fréquence :
Onde d'amplitude A=1
Onde d'amplitude A=2
La modulation d'amplitude consiste à multiplier la porteuse par le signal, celui-ci étant forcément positif. On obtient donc une onde de mêmes phase et fréquence que la porteuse, mais dont l’amplitude varie en fonction du signal. Sur terre, il suffit alors de diviser l’amplitude de l’onde reçue par celle de la porteuse pour retrouver le signal codé. Cette méthode permet donc d’assurer la transmission des données du satellite à la Terre.
Le schéma ci-dessous montre un exemple de modulation d’amplitude en fonction d’un signal quelconque.
Cette technique permet théoriquement de coder des signaux avec une précision infinie puisque l’onde peut avoir une infinité d’amplitudes différentes, mais le matériel utilisé et l’éloignement important entre l’émetteur et le récepteur sont à l’origine d’une certaine distorsion de l’onde, et la précision du signal émis est donc perdue. Cela a pour effet une perte de qualité de l’image. Cette technique est donc de moins en moins utilisée, et les signaux numériques succèdent aux signaux analogiques.
• Le principe général
Les signaux numériques sont caractérisés par le fait que leurs éléments peuvent prendre un certain nombre de valeurs prédéfinies. Prenons l’exemple d’une image capturée en niveau de gris. Les capteurs photographiques embarqués sont sensibles à un nombre fini de teintes intermédiaires entre le blanc et le noir. Pour simplifier, on supposera tout d’abord que le capteur n’est sensible qu’à 4 niveaux de gris. Il suffira alors de pouvoir coder 4 valeurs différentes.
Les signaux numériques sont codés par modulation de phase. Cette méthode consiste à “décaler” l’onde dans le temps d’une certaine portion de la période de l’onde appelée “état de phase”, et dépendant du signal à coder. Cela se traduit par une translation horizontale plus ou moins importante de la courbe représentative de l’onde.
Exemple de deux ondes de phases différentes :
Onde de phase φ=0
Onde de phaseφ=π/2
Le nombre de portions n’est pas le même pour tous les satellites. Les techniques les plus utilisées sont la BPSK (Binary Phase Shift Keying), c’est à dire la modulation à 2 états de phase, et la QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), modulation à 4 états de phase. En effet, un nombre plus important d’états de phase permet d’utiliser moins de bande passante pour envoyer un même message, mais augmente le nombre d’erreurs commises lors du décryptage. Par exemple, une modulation à quatre états de phase permet de coder la couleur de 2 pixels pendant qu’une modulation à deux états de phase ne permet de coder la couleur que d’un seul pixel, mais plus clairement déchiffrable. Des modulations à plus grand nombre d’états de phase sont techniquement possibles mais ne sont pas employées du fait du risque important d’erreurs lors du décryptage, qui nécessiterait alors un nouvel envoi du message codé, et donc une perte de temps.
La différence de phase Δφ entre deux ondes définies par des formules de la forme f(x+φ1) pour l’une et f(x+φ2) pour l'autre est Δφ=φ2-φ1. Chaque valeur du signal est codée par une différence de phase qui lui est propre. Sur Terre, la station réceptrice relève à intervalles de temps réguliers les différences de phase entre l’onde modulée et la porteuse.
• La modulation à deux états de phase (BPSK).
Dans ce cas, il suffit de coder deux valeurs : 0 et 1. Pour cela, la valeur 0 sera traduite par Δφ=0 entre l’onde modulée et la porteuse, et la valeur 1 par Δφ=1. L’opération inverse permet de décoder le message.
• La modulation à quatre états de phase (QPSK).
Il faut pour cette méthode réussir a coder 4 valeurs différentes : 0, 1, 2, 3. Pour cela on suit les valeurs indiquées dans le tableau ci-dessous :
| Valeur codée | 0 | 1 | 2 | 3 |
|---|---|---|---|---|
| Δφ entre la porteuse et l’onde modulée | 0 | T /4 | T/2 | 3T/4 (ou –T/4) |
Les associations entre valeurs codées et différences de phase n’étant pas redondantes, on peut aussi faire l’opération inverse et retrouver ainsi le message original.
• Les données nécessitant plus de 4 valeurs différentes (exemple : une photographie en 256 niveaux de gris).
Pour pouvoir transmettre de telles valeurs, il faut les ramener aux 4 valeurs que le satellite est capable de coder. Pour cela, il suffit de convertir la valeur la plus élevée en base 4. Le nombre de chiffres nécessaires pour l’écrire détermine le nombre de valeur qu’il faudra coder pour transmettre ce message. Il faut ensuite convertir la valeur à transmettre en base 4, et coder chacun des chiffres du résultat obtenu en commençant par celui de gauche. Dans le cas de notre photographie en 256 niveaux de gris :
| Valeurs possibles | Plus haute valeur en base 10 | Plus haute valeur en base 4 | Nombre de modulations à effectuer |
| 0 à 255 | 255 | 3333 (car 255 = 3*43+3*42+3*41+3*40) |
4 |
Exemple de valeur à transmettre : 54 (toujours dans le même exemple).
54(10) = 0*43+3*42+1*41+2*40=312(4)
Il faut coder 4 valeurs pour la transmettre puisque la plus haute valeur possible est 255. Il faut donc coder dans l’ordre : 0, 3, 1, puis 2.
Nombre de valeurs à coder en fonction du nombre de valeurs possibles, dans le cadre d’une QPSK.
| Nombre de valeurs possibles | 1-4 | 5-16 | 17-64 | 65-256 | 257-1024 | 1025-4096 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Nombre de valeurs à coder | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
La station sait par avance comment sont groupées les valeurs, et donc comment les déchiffrer, et ce soit parce qu’elles sont toujours groupées de la même manière, soit par le biais d’un message de début de transmission envoyé par le satellite.
Une modulation de phase ne modifie pas l’amplitude de l’onde modulée, et une modulation d’amplitude ne modifie pas sa phase. C’est donc logiquement qu’une double modulation a été mise en place : il s’agit de moduler à la fois la phase et l’amplitude de l’onde. Cela permet de coder en un même temps et sur une même bande passante deux fois plus d’informations. Cette technique possède donc ces avantages, mais elle nécessite des investissements beaucoup plus importants, aussi bien au niveau du codage que du décodage.
3) Les politiques d’accès au réseau
De nos jours, un important nombre de sociétés a besoin d'un accès au réseau. Or si deux stations modulent au même moment des ondes de même longueur d’onde, les messages de ces deux stations sont perdus. Comme en outre il faut 0,27 s pour détecter ces collisions d’ondes (du fait du grand éloignement entre le satellite et la Terre), la perte de temps serait donc considérable. Afin d’éviter un tel chaos, trois différentes politiques d’accès au réseau ont été mises en place.
a) Les politiques de réservation
• L’Accès Multiple à Répartition en Fréquence (AMRF)
Cette politique consiste à partager la bande passante du satellite en autant de sous-bandes qu’il y a de stations nécessitant son utilisation, la bande passante d’un satellite étant l’ensemble des longueurs d’onde qu’il est capable de moduler. Cette technique fut la première utilisée, mais elle l’est de moins en moins car elle nécessite un très lourd investissement. En effet, le satellite doit posséder autant de modulateurs qu’il y a de stations pour être capable d’émettre à toutes en même temps. Par ailleurs, de nombreuses pertes de bande passante sont occasionnées, puisque si une station n’émet pas, alors sa bande passante est perdue.
• L’Accès Multiple à Répartition dans le Temps (AMRT)
C’est la technique la plus utilisée du fait de sa flexibilité. En effet, il est facile d’ajouter des stations puisqu’il suffit de rajouter de nouvelles bandes de temps. On distingue 2 méthodes un peu différentes dans cette politique.
- l’AMRT statique. Cette technique consiste à assigner une tranche de temps à chaque station. Chacune d’entre-elles utilise alors la totalité de la bande passante, mais l’une après l’autre. Afin d’éviter les chevauchements de tranches, une tranche de temps sans émission est prévue entre chaque tranche de temps. Chaque tranche de temps est alors précédée par un message d’identification de la station émettrice. Cette méthode présente aussi l’inconvénient d’une perte de bande passante importante car si la station n’utilise pas sa tranche de temps, alors elle est perdue. Pour éviter cela, une autre méthode a été mise en place ;
- l’AMRT dynamique. Avec cette technique, il y a encore un découpage par tranches de temps, mais cette fois elles ne sont pas pré-allouées, elles sont affectées en temps réel aux stations qui en ont le plus besoin, et leur durée dépend de la durée que nécessite la station. Cela permet d’éviter les pertes de tranches de temps, mais des temps sont alors nécessaires pour la transmission des besoins de chaque station. Cette politique est donc simple, mais n’optimise pas encore le temps de transmission.
• L’Accès Multiple à Répartition par Code (AMRC)
Cette méthode consiste à faire émettre toutes les stations en même temps et sur la totalité de la bande passante, chaque station possédant un code d’émission différent, ce qui lui permet de reconnaitre ses messages et de les décoder. Pour cela, une donnée est codée par n unités de temps., n étant le nombre de chiffres composant le code. Par exemple, une station émettant avec le code 01001110 devra émettre « 01001110 » pour coder la valeur 1, et « 10110001 » pour coder la valeur 0. Le problème de ce système est qu’il faut trouver des codes suffisamment différents pour qu’il n’y ait pas d’interférences entre les stations.
b) Les politiques d’accès aléatoire
• La technique ALOHA
Le principe de cette politique d’accès est que chaque station et chaque satellite envoie les informations qu’il a à envoyer dès qu’il est en leur possession, et ce sans vérifier la disponibilité du canal. En cas de collision entre deux signaux, ce qu’il ne pourra détecter que 270 ms après l’envoi des informations, la station ne réenvoie pas directement ses données, auquel cas la même collision aurait de nouveau lieu, mais les réenvoie au bout d’une durée définie aléatoirement. Le problème de cette technique est le faible taux d’utilisation du canal, qui avoisine les 20%. Par conséquent, de nouvelles techniques ont été mises en place, qui reprennent le principe de l’ALOHA, tout en offrant de meilleures performances.
• La technique ALOHA en tranches, ou ALOHA discrétisé
Cette méthode reprend exactement le même principe que la précédente, mais en découpant le temps en tranches. Une station ne peut commencer à émettre qu’au début d’une tranche de temps. Cela permet de détecter les collisions sur l’ensemble d’une tranche de temps, et non uniquement sur quelques données, et permet donc d’éviter les collisions au milieu d’un paquet d’informations. Cette technique permet d’amener le taux d’utilisation du canal à 36%, ce qui constitue déja un progrès, mais n’est toujours pas satisfaisant. Une nouvelle technique a donc été inventée.
• La technique ALOHA avec réservation
Cette méthode reprend le principe de l’ALOHA en tranche, tout en y ajoutant une notion de probabilité : si une station émet un paquet, il est fortement probable qu’elle en émette un autre à sa suite. Cette considération mène à la réservation de plusieurs tranches de temps à une station qui commence à émettre.
c) Les politiques de réservation par paquet
• La réservation par file d’attente fictive
Pour cette méthode, le temps est découpé en tranches qui sont elles mêmes regroupées en trames. Le première tranche de chaque trame est elle-même découpée en (n-1) mini-tranches, n étant le nombre de tranches dans la trame. Ces mini-tranches servent aux stations pour réserver une tranche de temps de la trame. L'accès à ces mini-tranches se fait selon la méthode aléatoire ALOHA qui a été décrite ci-dessus. On obtient donc une file d'attente fictive qui détermine l'ordre d'émission des stations. Cette technique permet un taux d'utilisation du réseau satisfaisant mais nécessite une gestion complexe, car il faut déterminer à l'avance le nombre de tranches par trame.
• La réservation ordonnée
Cette méthode reprend le principe de la méthode précédente, mais chaque trame est découpée en (n+1) tranches de temps, n étant le nombre de stations susceptibles de vouloir émettre ou réceptionner des messages. La première tranche est donc découpée en n mini-tranches.
Dans chaque trame, une tranche de temps est dédiée à chaque station. Les mini tranches servent uniquement à déterminer si une station va utiliser ou non sa tranche. Dans le cas ou une mini-tranche n'est pas utilisée par la station correspondante, les autres stations peuvent y accéder et réserver aléatoirement l'accès à cette tranche par la technique ALOHA.