Sow, Garmy (2006) Méthodes d'Accès Multiple à Répartition Spatiale pour Communications par Satellite. PhD thesis Electronique et Commuications numériques, ENST - COMELEC Communication et Electronique, ENST.

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Abstract

Dans le cadre de ce travail de recherche, nous nous sommes intéressés à un système de télécommunications par satellite intervenant en situation d'urgence. Ce système serait embarqué comme passager d'un satellite géostationnaire travaillant en bande Ka et assurerait la transmission à une flotte de petits terminaux compatibles avec les standards DVB-RCS/S.
Les potentialités offertes par l'association de la Formation de Faisceaux par le Calcul (FFC) adaptative et d'une méthode d'Accès Multiple à Répartition Spatiale (AMRS) ont été plus particulièrement étudiées pour une antenne de réception à réflecteur (antenne Focal Array Fed Reflector, FAFR). La combinaison de ces deux techniques permet la mise en place du concept «un spot par utilisateur» assurant ainsi d'une part un niveau maximal de gain en tout point de la couverture et rendant possible d'autre part la réutilisation de ressources grâce à la réjection d'interférence.
La première partie de ce travail est consacrée à une étude des algorithmes de FFC. Nous présentons le Formateur Conventionnel et quelques algorithmes adaptatifs, puis, nous analysons les performances de chacun en environnement réel (prise en compte des perturbations du canal de transmission, de celles sur les vecteurs directionnels, du bruit...). Les conditions d'implémentation de ces algorithmes sont également définies.
Dans une seconde partie, nous proposons un modèle de système satellite basé sur la formation de faisceaux adaptative par séquence de référence et l'accès AMRS. Les facteurs de réutilisation de ressources permis par les algorithmes retenus sont évalués. Grâce à un algorithme d'allocation de ressources simple et aux facteurs de réutilisation calculés, une première estimation de la capacité et des performances de ce système est réalisée. Une comparaison avec d'autres systèmes montre que celui proposé permet d'augmenter significativement la capacité au prix d'une complexité accrue.

References

[1] International Telecommunication Union. Seminar on Public Protection and disaster relief. http ://www.itu.int/ITU-R/study-groups/rsg8/rwp8a/seminars/protection/,
September 2002.
[2] M. Metcalf. Advanced Mobile Broadband Communications for Public Safety Applications - Project MESA. Personal, Indoor and Mobile Radio Communication Proceedings, pages 1159-1161, 2003.
[3] JD. Gayrard and N. Chuberre. CRIES: A Satellite based system for communication recovery and monitoring in emergency situation and natural disaster. International Workshop on Broadband Wireless Ad-Hoc Networks and services, September 2002.
[4] E.S. Oh and M. Chai. GMPCS A Post-Mortem and Lessons from its Applications in Emergency Telecommunications. In Asia-Pacific Conference on Applied Electromagnetics, pages 116-118, August 2003.
[5] JD. Gayrard and F. Blanc. Ka-band satellite system for Public Protection and Disaster Relief operations. 22nd AIAA ICSSC, May 2004.
[6] S. Drabowitch. Antennes 2, Applications. Masson, 1986.
[7] W.H Yim and F.P. Coakley. On-board processing for ka-band applications. 3rd European Conference on Satellite Communications, 1993.
[8] C. Farsakh and J. Nossek. Data detection and channel allocation on the uplink of an SDMA mobile radio system. PIMRC, 1997.
[9] V. Zaharov. Smart antennas application for satellite communications systems with space division multiple access. Journal of Radio Electronics, (2), 2001.
[10] R. Baudin. Filtrage spatial et SDMA appliqu´es aux syst`emes de communications par satellite. Technical report, Alcatel Space Industries, 2002.
[11] Digital Video Broadcasting (DVB); Interaction Channel for Satellite Distribution Systems.
[12] Communications Research Center Canada. http ://www.crc.ca/fr/html/rss/home/projects/term.
[13] Digital Video Broadcasting (DVB); Interaction Channel for Satellite Distribution Systems; Guideline for the Use of EN 301790.
[14] A. Glavieux C. Berrou and P. Thitmajshima. Near shannon limit error-correcting coding and decoding: Turbo-codes. IEEE Int. Conf. On Communications, pages 1064 -1070, May 1993.
[15] P. Grant J. Thompson and B. Mulgrew. Smart antenna arrays for CDMA systems. IEEE Personal Communications, pages 16-25, October 1996.
[16] B. Holter. Adaptive antennas - an introduction. Technical report, SINTEF Telecom and Informatics, 1999.
[17] H. Lehne and M. Pettersen. An overview of smart antenna technology for mobile communications systems. IEEE Communications Surveys, 2(4), 1999.
[18] G. V. Tsoulos. Smart antennas for mobile communications systems: Benefits and challenges. Electronics and Communication Engineering Journal, pages 84-94, April 1999.
[19] ArrayComm. Smart Antenna Systems. IEC Web ProForum Tutorials, Juillet 2000.
[20] Harry L. Van Trees. Optimum Array Processing Part IV. Wiley and Sons, 2002.
[21] O. Besson. Introduction aux traitements d'antennes, 2002.
[22] L.C. Godara. Applications of antenna arrays to mobile communications. IEEE Proc., (8), Août 1997.
[23] B. Van Veen and K. Buckley. Beamforming, a versatile approach to spatial filtering. IEEE ASSP Magazine, Avril 1988.
[24] C. Guiraud D. Rousset and I. Albert. Digital beamforming for multimedia flexible antennas. In 17th Conference on Applied Electromagnetics and Communications, 2003.
[25] T. Haynes. A primer on digital beamforming. Spectrum Signal Processing, Mars 1998.
[26] C. Guiraud. G/T d'une antenne à formation de faisceaux numériques. Technical report, Alcatel Space, Septembre 2002.
[27] J. Duggan. Adapive beamforming with a multiple beam antenna, 1998.
[28] http ://www.ticra.com.
[29] L. Mazet. Traitement du signal, 2000.
[30] J. G. Proakis. Digital Communications. Mc Graw-Hill, 1989.
[31] G. Maral and M. Bousquet. Satellite Communications Systems. Wiley and Sons, fourth edition, 2002.
[32] U. R. Kraft. Gain and G/T of multielement receive antennas with active beamforming networks. IEEE Trans. Antennas Propag., December 2000.
[33] A.B. Gershman. Robust adaptive beamforming in sensor arrays. International Journal of Electronics and Communications, pages 305-314, December 1999.
[34] S. W. Golomb and R. A. Scholtz. Generalized barker sequences. IEEE Trans. Information Theory, October 1965.
[35] L.P. Linde. Some unique properties and applications of perfect squares minimum phase CAZAC sequences. IEEE, 1992.
[36] W.S Ho and X. Peng. Rapid acquisition for multiband UWB systems: CAZAC vs. Barker sequences. In Proceedings of the 2003 Joint Conference on Information, Communications and Signal Processing, 2003.
[37] C. Morlet. Démodulateur Embarqué Multi-Porteuse Pour Services Multimédia Par Satellites. PhD thesis, ENST Paris, 2000.
[38] M. Oerder and H. Meyer. Digital Filter and Square Timing Recovery. IEEE Transactions on Communications, vol. COM-36 :605-612, May 1988.
[39] X. Y. Guo. M´ethodes Num´eriques Pour L'acquisition Du Synchronisme D'une Séquence Pseudoaléatoire Dans un Système de Télécommunications Par Etalement de Spectre A Séquence Directe. PhD thesis, ENSAE, Juillet 1990.
[40] M.Werner E. Lutz and A. Jahn. Satellite Systems for Personal and Broadband Communications. Springer-Verlag, 2000.

Table of content

1 Introduction - 1
1.1 Contexte de l'étude - 1
1.2 Principales Contributions - 3
1.3 Plan du M´emoire - 4
2 Description du Système de Communications par Satellite en Situation d'Urgence
- 7
2.1 Introduction - 7
2.2 Le système - 7
2.2.1 Les bases de l'architecture - 9
2.2.2 Les terminaux - 11
2.2.3 Le standard DVB-RCS - 12
2.3 L'antenne - 14
2.3.1 Les systèmes d'antennes - 14
2.3.2 Les antennes réseaux et la formation de faisceaux (FF) - 16
2.3.3 La Formation de Faisceaux par le Calcul (FFC) - 18
2.3.4 Le FAFR - 19
2.4 Différentes possibilités pour la couverture de la zone d'intérêt - 22
2.4.1 Accès avec spots fixes - 23
2.4.2 Accès du type un spot par utilisateur - 26
2.5 Conclusion - 29
3 Modélisation des signaux - 31
3.1 Introduction - 31
3.2 Les signaux ´emis: Caract´eristiques de la chaˆıne d'émission - 31
3.3 Le canal de transmission - 34
3.3.1 Le retard de propagation - 34
3.3.2 Les erreurs de phase et de fréquence - 35
3.4 Les vecteurs directionnels - 35
3.4.1 Le modèle - 36
3.4.2 Connaissance des vecteurs directionnels - 38
3.5 La chaîne de réception - 40
3.5.1 Le modèle - 40
3.5.2 Modélisation de l'antenne et des bruits - 41
3.5.3 Expression du RSB en entrée des chaînes - 43
3.5.4 Expression du RSB en sortie du BFN - 46
3.5.5 Implémentation du mod`ele utilis´e dans les simulations - 50
3.6 Outils d'évaluation de performance - 52
3.7 Conclusion - 53
4 Sélection des algorithmes de FFC - 55
4.1 Introduction - 55
4.2 Algorithmes de Formation de Faisceaux (FF) applicables - 55
4.2.1 Le formateur Conventionnel - 56
4.2.2 Les formateurs adaptatifs - 57
4.2.3 Diagrammes d'antenne en sortie de FF pour un cas idéal (sans perturbations) - 61
4.3 Conditions d'implémentation des algorithmes - 71
4.3.1 Influence du canal de transmission - 71
4.3.2 Influence de la synchronisation trame - 79
4.3.3 Influence des vecteurs directionnels - 84
4.3.4 Influence de la quantification sur la pondération - 86
4.4 Conclusion - 90
5 Procédé d'allocation de la ressource - 93
5.1 Introduction - 93
5.2 Facteur de réutilisation des ressources - 94
5.2.1 Recherche du facteur de réutilisation maximal - 96
5.2.2 Distances angulaires requises - 108
5.3 Allocation dans le cas de la formation de faisceaux fixes - 109
5.4 Allocation dans le cas de la formation un faisceau par utilisateur - 111
5.4.1 Utilisation du crit`ere angulaire - 111
5.4.2 Description de l'algorithme d'allocation de la ressource - 111
5.5 Conclusion - 113
6 Comparaison des capacités et des performances de différents systèmes - 115
6.1 Introduction - 115
6.2 Description des tests - 115
6.2.1 Définition des tests - 116
6.2.2 Scénario des tests - 117
6.3 Comparaison des systèmes envisag´es - 118
6.3.1 Formation de faisceaux fixes et allocation de ressources fixe - 118
6.3.2 Formation de faisceaux fixes et allocation de ressources variable - 122
6.3.3 Formation de faisceaux variables avec le formateur conventionnel et allocation de ressources variable - 126
6.3.4 Formation de faisceaux variables avec un formateur adaptatif et allocation de ressources variable - 130
6.3.5 En résumé - 135
6.4 Conclusion - 136
7 Conclusions et Perspectives - 139
7.1 Conclusions - 139
7.2 Perspectives - 140
A Détermination du facteur maximal de réutilisation des ressources - 141
A.1 Figures correspondant au cas Trois utilisateurs - 141
A.1.1 Utilisateur au centre - 141
A.1.2 Utilisateur à une extrêmité - 152
A.2 Quatre utilisateurs - 163
A.2.1 Utilisateur au centre - 163
A.2.2 Utilisateur à une extrêmité - 176
A.2.3 Pour résumer - 189
A.3 Cinq utilisateurs - 189
A.3.1 Utilisateur au centre - 189
A.3.2 Utilisateur à l'extrêmité - 201
A.3.3 Pour résumer - 202
A.4 Six utilisateurs - 203
A.4.1 Première configuration - 203
A.4.2 Seconde configuration - 205
A.4.3 Pour résumer - 207
A.5 Conclusion - 207
Bibliographie - 209

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