Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
2 1 82444
! '
L'invention concerne un système de tr~n~mi~.cion de signaux
radioélectrique via un satellite de communication géostationnaire.
Elle concerne notamment les communications avec des termin~l~x
terrestres mobiles et plus particulièrement des termin~llx mobiles portables.
Durant la dernière décennie, un grand effort dans le domaine de la
recherche et du développement industriel a été consenti dans le but d'offrir desservices mobiles par satellites, encore connus sous la dénomination anglo-saxonne
"MSS" (pour "Mobile Satellite Services"). Il a été montré, dans l'article de
J. VENTURA-TRAVESET et al., intitulé: "Key Payload Technologies for Future
Satellite Personal Communications: A European Perspective" ("International
Journal of Satellite Communications", Vol. 13, pages 117-135, mars-avril 1995),
que, même au début du prochain millénaire, la couverture des réseaux de
communication cellulaires terrestres ne représentera probablement pas plus de 15 %
de la surface du globe. Les services mobiles par satellites garderont donc toute leur
actualité.
On peut répartir ces services par catégories, en fonction du type de
satellite utilisé, not~mment par référence aux altitudes des orbites de constellations
de satellite ou par référence à la couverture terrestre du service.
Selon la première classification, on distingue habituellement les
satellites sur orbite basse ou "LEO" (de l'anglo-saxon "Low Earth Orbits"), sur
orbites médianes ou "MEO" (de l'anglo-saxon "Medium Earth Orbits"), les satellites
géostationnaires ou "GEO" (de l'anglo-saxon "Geostationary Earth Orbits") et lessatellites à orbites très elliptiques ou "HEO" (de l'anglo-saxon "Highly-Elliptical
Orbits").
Selon la seconde classification, on distingue habituellement les systèmes
à couverture régionale et les satellites à couverture mondiale.
L'invention fait appel, pour la partie "spatiale", à des satellites
géostationnaires qui seront appelés ci-après "GEO", dans un but de simplification.
Elle s'applique par contre indifféremment aux systèmes à couverture régionale oumondiale.
La partie terrestre du système comprend, notamment des termin~l~x
3s mobiles ou "MT" (pour "Mobile Terminal"). Ceux-ci prennent divers aspects. De
façon non limitative, on peut citer des terminaux embarqués à bord de véhicules ou
2 1 82444
engins mobiles: véhicules terrestres, vai~se~nx, avions, etc. Ils peuvent comprendre
également des terminaux portables, tenus à la main. Dans ce qui suit, ces terminaux
seront appelés "MT".
L'architecture du système selon l'invention, dans ces deux composantes
5 principales, sera décrite ci-après de façon plus détaillée.
Lorsque l'utilisation d'un satellite géostationnaire est possible, le
système de communication présente des avantages évidents et parmi lesquels:
- des risques technologiques faibles, du fait d'une expérience affirmée
pour l'orbite utilisable;
lo - des aspects juridiques et ~-lminictratifs simplifiés;
- la possibilité d'une couverture régionale avec un nombre réduit
d'engins spatiaux;
- un contrôle du réseau simplifié;
- des problèmes de type Doppler mineurs et un des sous-systèmes de
suivi d'engins spatiaux simplifiés;
- seul un nombre restreint d'allocations géostationnaires est requis pour
une couverture mondiale et généralement une seule est nécessaire pour une
couverture régionale, par exemple pour couvrir l'Europe.
Par contre, un tel système n'est pas exempt de problèmes ou limitations,
et parmi lesquelles:
- des valeurs très importantes, voire excessives des paramètres
"puissance isotrope rayonnée équivalente" ou "EIRP" (de l'anglo-saxon "Equivalent
Isotropic F~ te~l Power") et "Gain/Temperature" ou "G/T", au niveau du termin~l
mobile "MT", lorsque l'on rencontre des situations particulièrement défavorables(par exemple dans un environnement à zones d'ombre très marquées); la seule
alternative étant d'accepter une disponibilité du service réduite, pour conserver les
paramètres précités à des valeurs acceptables;
- des antennes de satellite trop importantes ou alors, il est nécess~ire de
mettre en oeuvre un satellite de grande puissance;
- des délais de communications longs qui deviennent plus critiques avec
la nécessité d'utiliser des codes complexes et des délais importants d'entrelacement
et de désentrelacement pour détruire la mémoire inhérente de canal;
- des lancés de satellites très coûteux pour des systèmes de satellites à
services mobiles de capacité réduite.
Les quatre limitations qui viennent d'être rappelées ont constitué
d'ailleurs, d'une certaine façon, un moteur dans la recherche d'autres solutions
3 21 82444
faisant appel à des satellites d'orbites plus basses: "MEO" ou "LEO", pour le type
d'applications visées par l'invention. Bien que ces solutions alternatives présentent
de gros problèmes technologiques par rapport à la solution "satellites
géostationnaires", elles s'adaptent mieux, malgré tout, à l'application visée.
L'invention se fixe pour but de pallier les limitations des systèmes de
communication de l'art connu faisant appel à des satellites géostationnaires, tout en
conservant les avantages de ces systèmes. Elle se fixe notamment pour but
d'améliorer les performances des liens de tr~n~mi~sion "montants" (c'est-à-dire du
terminal terrestre mobile "MT" vers le satellite de communication)
Pour ce faire, l'invention fait appel à une technique de diversité spatiale.
Elle met en oeuvre au moins un satellite auxiliaire, également géostationnaire,
associé à un satellite principal. Celui-ci est "co-localisé" sur la même orbite
géostationnaire, à une distance qui peut rester relativement faible, eu égard aux
ordres de grandeurs des dimensions associées aux orbites considérées. Il
communique, de façon plefélelllielle, par un lien de tr~n.cmi.~sion hyperfréquence,
bien que cette disposition ne soit pas limitative, en quoi que ce soit, de la portée de
l'invention. Le satellite principal assure des communications bidirectionnelles avec
les terminaux terrestres mobiles "MT". Le ou les satellite(s) a--xili~ire(s) n'assure(nt)
qu'un lien "montant", a priori directif, c'est-à-dire des communications provenant
des termin~n~ terrestres mobiles "MT". Leur taille peut donc être réduite, car la
puissance nécessaire est beaucoup plus faible que celle exigée pour le satelliteprincipal qui doit couvrir, en émission, une large zone de la surface terrestre. Le
coût supplémentaire de lancement associé aux satellites auxiliaires est faible par
rapport au coût principal et les procédures de contrôle restent simples de mise en
oeuvre.
Le principe de diversité spatiale est bien connu, en soi. Il a d'ailleurs été
appliqué aux systèmes de satellites sur orbites plus basses: "LEO" ou ""MEO".
Il est utile de rappeler que les canaux des services mobiles par satellites
diffèrent substantiellement des canaux conventionnels du type à bruit blanc
Gaussien additif ou "AWGN" (de "Additive White Gal-s~i~n Noise"), dans le cas
des services fixes par satellites, par l'existence de zones d'ombre (dues à des
obstacles occultant la tr~n.cmi~ion) et de réflexions multiples, dans l'environnement
immédiat du tçrrnin~l mobile "MT". Les techniques de diversité sont lltili.cées pour
combattre ces deux effets nuisibles.
On doit tout d'abord remarquer que le terme "diversité", utilisé dans le
domaine des systèmes de communication connus, du fait d'une non-uniformisation,
- 21 82444
recouvre des concepts qui peuvent s'avérer fort différents en pratique: diversité en
fréquence, en temps, en cheminement ("path"), en 'angle de site, en polarisation, en
orbite, etc. Les méthodes d'implantation des récepteurs en diversité sont également
très diverses, des plus simples aux plus complexes.
s Les systèmes de diversité selon l'art connu, appliqués aux satellites non-
géostationnaires, "LEO", "MEO" ou encore à orbite circulaire intermédiaires, c'est-
à-dire "ICO" (pour "Intermediate Circular Orbit") mettent en oeuvre plusieurs
satellites du même type, placés sur des orbites différentes. Pour les systèmes du type
"ICO", on peut citer les systèmes de satellites commerciaux "GLOBALST~R" et
o "IMMARSAT P-21". Le fonctionnement d'un tel système est basé sur l'assomption
statistique suivante: il existe une grande probabilité qu'un des satellites de la
constellation de satellites soit en vue directe ("LOS" pour "Line-Of-Sight") du
terminal telle~lle mobile "MT". La sélection de ce trajet direct ("path") ou voie de
communication "physique" constitue a priori le trajet optimisé et c'est celui-ci qui
est sélectionné, au lieu d'utiliser un concept de "multitrajet énergétique" pouraméliorer la qualité des communications.
On pourrait penser appliquer, tel quel, ce concept aux systèmes "GEO".
Cependant, cette transposition directe ne serait pas de nature à résoudre les
problèmes spécifiques à ce type de systèmes de communication et, en tout état decause, difficile de mise en oeuvre, voire impossible.
En effet, il est nécessaire de disposer à tout moment d'au moins un
satellite dont la "ligne de vue" ("LOS") avec le termin~l mobile terrestre "MT"
désirant communiquer n'est pas occultée. Il est donc nécess~ire de disposer d'une
constellation de satellites, c'est-à-dire d'un nombre élevé de satellites, présPnt~nt des
angles de site dirr~rellt~ et des trajets en ligne directe ("LOS") non corrélés.On comprend aisément qu'étendre ce concept aux systèmes "GEO" ne
soit pas simple, voire irréaliste d'un point de vue économique et/ou technique. Il
serait en effet nécess~ire que l'espacement entre satellites "GEO" soit très important,
ce qui rendrait très complexe les liens de tr~n.cmi.~sion intersatellites "ISL" (pour
"Inter Satellite Link") et exigerait de surplus des satellites très p~ s~nt~, donc
volumineux. On peut d'ailleurs s'interroger sur les performances de tels systèmes,
tenant compte des délais importants induits par l'éloignement des satellites entre
eux. Enfin, le non-blocage.des communications n'est pas garanti pour autant, du
moins dans tous les cas.
L'invention a donc pour objet un système de tr~n.cmi~sion de signaux
radioélectriques via un satellite de communication géostationnaire, tournant autour
2182444
`_ s
du globe terrestre sur une orbite clétçrminée, entre au moins une station terrestre et
au moins un terminAl terrestre mobile, le système comportant des liens de
tr~n.cmi~sion bidirectionnels entre ledit satellite et chacun desdits tçrmin~-lxterrestres mobiles et des liens de tr~n.cmi~sion bidirectionnels entre ledit satellite et
chaque station terrestre, caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins un
satellite a--xili~ire "co-localisé" sur ladite orbite clçtçrrninée, et en ce qu'il comprend
un lien de tr~n.cmi~.sion entre chacun desdits terminaux terrestres mobiles et chaque
satellite ~nxili~ire "co-localisé", d'une part, et un lien de tr~n.cmi.csion intersatellite
entre chaque satellite allxili~ire "co-localisé" et le satellite géostationnaire de
0 communication, dit satellite principal, d'autre part, de manière à former un système
de communication en diversité spatiale.
L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages
appaldîllont à la lecture de la description qui suit en référence aux figures annexées,
et parmi lesquelles:
- La figure 1 illustre le phénomène de zones d'ombre et de réflexions
multiples dans les communications entre un t~rrnin~l te~le~lle mobile et un satellite
de communication;
- La figure 2 illustre schématiquement l'architecture de la partie
"spatiale" d'un système de communication par satellite géostationnaire conforme à
l'invention;
- La figure 3 illustre schém~tiquement l'architecture globale d'un
système de communication par satellite géostationnaire conforme à l'invention,
notamment des dirr~ composants de la partie "terrestre" du système.
Un des buts principaux est d'améliorer les performances d'un système du
2s type "GEO" conventionnel, plus particulièrement de s'affranchir des problèmes dits
de "zones d'ombre", aussi il est utile de décrire brièvement ces phénomènes.
La figure 1 illustre les principaux phénomènes que l'on rencontre dans
les communications entre un t~rrnin~l terrestre mobile MTI et un satellite
géostationnaire (non lepleselllé).
Comme il sera explicité ci-après, l'invention concerne essentiellement
les liens de tr~n~mi~.~ion qui ont été appelé "montants" dans le préambule de laprésente description, aussi seuls ce type de liens de tr~n~mi~sion est repleselllé sur
la figure 1.
On suppose que le terminal terrestre mobile est monté à bord d'un
3s véhicule automobile Vl. On suppose également que l'environnement immédiat du
véhicule est un environnement de type urbain. Généralement, ce type
2 1 82444
~,
d'environnement génère le maximum de problèmes du fait de la présence de
nombreux obstacles: immeubles bl~ b2 à bX~ arbres by, autres véhicules V2,
en mouvement ou à l'arrêt, etc. Ces différents obstacles sont susceptibles, à tout
instant, en fonction du déplacement du véhicule Vl d'occulter tout ou partie du
rayonnement émis par le terminal MTI ou de créer des réflexions multiples.
Pour illustrer les phénomènes précités, sur la figure 1, on a représenté
cinq rayons b1 à bs du rayonnement émis par l'antenne Ant du terminal MTl. Le
premier, b1, est entièrement intercepté par un immeuble de grande hauteur:
obstacle bl. Le deuxième, b2, est réfracté par l'arrête supérieure de ce même
o immeuble bl. Le rayon réfracté, b'2, peut être transmis vers le satellite de
communication (non représenté) s'il est compris dans l'angle d'acceptance du lien de
tr~n.~mi~sion lc, représentée de façon schématique par une zone hachurée sur la
figure 1. Le rayon b3 est réfléchi et/ou diffusé par un rideau d'arbres: Obstacle by.
Ce rayon est réfléchi et/ou diffusé par cet obstacle by en un rayon b'3. Le rayon b4
est réfléchi par un obstacle mobile, le véhicule V2, en un rayon b'4. Le rayon b5
subit des réflexions multiples sur un ensemble d'immeubles: obstacles b2 et b3:
rayons réfléchis b's et b"s.
A partir de cet exemple simple, il est aisé de constater que l'énergie du
rayonnement émis vers le satellite (lien de tr~n.cmi~sion lc) est susceptible de varier
dans de grandes proportions, de façon aléatoire, en fonction d'un environnement non
maîtrisable et des déplacements du véhicule Vl transportant le terminal MTI.
L'amplitude du rayonnement finalement transmis vers le satellite varie également de
façon aléatoire, cette amplitude étant cependant conditionnée par la distance
séparant les obstacles du t~rmin~l MTI.
On va m~intçn~nt décrire un exemple de réalisation d'un système de
communication par satellite du type "GEO" conforme à l'invention par référence
aux figures 2 et 3.
La figure 2 illustre plus particulièrement la partie "spatiale" du système
de communication par satellites géostationnaires, alors que la figure 3 illustre de
façon globale le système, et plus particulièrement les différents composants de la
partie "terrestre".
Un système de communication mettant en oeuvre la diversité spatiale
présente comme caractéristique principale d'utiliser une seule antenne de
tr~n.~mi.~sion et plusieurs ~ntçnnPs de réception. Les trajets ("paths") entre l'antenne
de tr~n~mi~sion et chaque antenne de réception sont appelés "canaux de diversité".
Il y a donc autant de "branche de diversité" que d'~ntenne réceptrice en diversité. De
21 82444
façon à exploiter de façon maximale les bénéfices apportés par la diversité,
l'espacement entre antennes réceptrices doit être suffi.~nt pour que, de façon
statistique, le multitrajet ("multipath") à l'entrée de chaque "branche de diversité"
soit indépendant.
s Comme la figure 1 le suggère, les réflexions ettou diffusions multiples
et les occultations du rayonnement par des obstacles, fixes ou mobiles, constituent
la cause principale de la dégradation du lien de tr~n~mi.esion "montant", exprimée en
terme de "taux d'erreurs sur les bits" ou "BER" ("Bit Rate Error"), ce qui n'est pas le
cas des liens de tr~n.~mi~ion conventionnels du type à bruit blanc Gaussien additif
0 ou "AWGN" (liens de tr~n~mi~sion pour services fixes).
Comme il a été également rappelé, l'application du concept de diversité,
selon l'art connu, au cas des systèmes "GEO" apparâît irréaliste pour des raisons
économiques et/ou technologiques.
Cependant, si on admet que le problème des zones d'ombres peut ne pas
être entièrement résolu, il est alors possible pour optimiser la puissance disponible
au satellite récepteur, que le système tire partie au maxh~ ll de l'énergie
"multitrajet" disponible. Celle-ci constitue la seconde composante énergétique,
composante d'ailleurs prédomin~nte dans le bilan énergétique à l'entrée du satellite
pour les situations du type "zones d'ombre" importantes.
L'invention tire partie de ces propriétés. Il devient alors possible
d'implanter un système en diversité spatial ne présentant pas les inconvénients
précéllemment signalés.
Il suffit alors de disposer d'un ou plusieurs satellites récepteurs en
diversité, que l'on appelera ci-après "DSR" (pour "Diversity Satellite Receiver(s)") à
2s une distance faible du satellite principal ou "MS" (pour "Main Satellite"). Dans le
cadre de l'invention, la notion de distance "faible" s'apprécie relativement à la
distance séparant les terminaux mobiles terrestres et le satellite MS, soit environ
36000 km. Il sera montré ci-après qu'une distance intersatellite d'environ 200 à400 km est requise pour atteindre les buts que se fixe l'invention, ce qui est faible
comparé à 36000 km. Cette distance permet un degré s~ nt de signal
"multitrajet" non corrélé, quel que soit la position du termin~1 terrestre mobile MT
et de l'environnement d' "évanouissement de signal" de ce t~rmin~l. On peut doncaffirmer que le ou les satellite(s) "DSR" et le satellite "MS" sont "co-localisés".
Dans l'exemple de système selon l'invention illustré sur la figure 2, on a
représenté un satellite principal MS et deux satellites récepteurs en diversité DSR1
et DSR2, situés de part et d'autre du satellite MS et tournant autour du globe
2 1 82444
terrestre T, sur une orbite géostationnaire OG commune. Le satellite MS
communique avec le terminal MT par un lien de tr~n~mi~ion "descendant" ldo et
par un lien de tr~n.cmi.~.sion "montant" lmO. Selon un mode de réalisation préféré, les
satellites DSRl et DSR2 ne communiquent avec le terminal MT que par des liens
de tr~n.cmi~sion "montants", l1m et 12m, respectivement, puisqu'il ne s'agit que de
satellites récepteurs. Comme il a été indiqué, les distances séparant le satellite DSRI
du satellite MS et le satellite DSR2 de ce même satellite MS sont typiquement
comprises dans des gammes de 200 à 400 km. Les satellites DSRI et DSR2
communiquent avec le satellite MS via des liens de tr~n.~mi.csion unidirectionnels,
o 11O et 120, respectivement.
En dehors de toutes autres considérations (simplification de la
coordination des fréquences, etc.), le fait que les satellites soient "co-localisés", dans
le sens qui a été donnés ci-dessus, simplifie de façon très importante les exigences
liées à l'exploitation courante du système multisatellites: une seule station terrestre
peut contrôler les trois satellites, les trois satellites et de façon plus générale tous les
satellites peuvent être placés en orbite par un même lanceur, ce qui liiminlle le prix
de ce lancement, etc. Un autre avantage de cette proximité est la possibilité offerte
de ne pas nécessiter de tr~n.cmi~.sion des satellites de diversité, DSRl et DSR2, vers
une station terrestre de contrôle, puisque seule des liens de tr~n~mi~.sion
intersatellites sont prévues. Cette dernière caractéristique diminue fortement les
besoins énergétiques et, donc, autorise une ~liminution du poids de ces satellites, ce
qui, à son tour, permet de placer plus de satellites par un même lanceur ou autorise
le recours à un lanceur moins puissant. Enfin, l'implantation des liens de
tr~n.~mi~sion i~ltelsalellites peut s'effectuer sans difficultés majeures, dans n'importe
quelle bande de fréquence (par exemple la bande "Ka"). En effet, toujours du fait de
la proximité "satellite principal MS - satellites de diversité, DSRI ou DSR2", il
n'existe pas de problèmes d'interférences et de problèmes de pointage. Les
exigences en puissance de ces satellites sont faibles, comme il a été rappelé. Les
satellites peuvent donc être de faible dimension.
Il doit cependant être clair que, bien que selon l'une des caractéristiques
principales de l'invention, seuls les liens de tr~n~mi~sion "montants" soient
indispensables, le système reste cependant compatible avec l'existence concomitante
de liens de tr~n~mi~sion "descendants", sur tout ou partie des satellites de réception
en diversité. Cette disposition permet une reconfiguration plus flexible de la partie
"spatiale" du système, notamment en cas de défaillance du satellite principal MS.
Naturellement, il sera nécessaire, dans ce cas, de prévoir une puissance embarquée
2 1 82444
.. g
plus importante, donc d'augmenter le poids du satellite. Cependant, la
caractéristique de proximité, avec les avantages qu'elle procure, reste acquise.La figure 3 illustre l'architecture globale du système, incluant les
composants principaux de la partie "terrestre".
La partie "terrestre" comprend typiquement les éléments énumérés
ci-après.
Elle comprend tout d'abord un premier sous-ensemble, constitué par des
termin~1lx terrestres mobiles, sous la référence unique MTU. Le terme "terrestre" est
entendu, dans le cadre de l'invention, dans son acceptation la plus générale. Il peut
o s'agir de terminaux montés à bord de véhicules telle~11es, de navires ou d'avions,
ainsi que de termin~1-x portables transportés par des personnes physiques. Même
lorsqu'il s'agit d'avions, les termin~l-x mobiles restent à faible distance de la surface
du globe terrestre T, toujours relativement à la distance séparant les satellites de
celle-ci. Les terrnin~llx mobiles peuvent également être de tailles et présenter des
performances différentes. Pour fixer les idées, on suppose que tous ces tçrmin~lx
transmettent en bande restreinte (bien que l'invention s'applique tout aussi bien aux
tr~n.~mi.csions en large bande) et utili~çnt un schéma conventionnel approprié
d'accès: par exemple FDMA ("Frequency-Division Multiple Access" ou accès avec
multiplexage en fréquence) ou TDMA/FDMA (TDMA pour "Time-Division
Multiple Access" ou accès multiple à répartition dans le temps). On considère enoutre que les tr~ncmi~sions s'effectuent en utili~nt un code de canal particulier
("FEC" pour "For~vard Error Correction" ou correction d'erreur sans voie de retour)
et une modulation particulière, par exemple M-PSK ("M-ary Phase Shift Keying" oumodulation par déplacement de phase multiple). La tr~n~mi.csion et la réception
2s s'effectuent typiquement dans les bandes "L" ou "S". Les types de signaux transmis
incluent habituellement la voix et des données à un débit de quelques Kbits/s
(tvpiquement dans la garnme 4 à 10 Kbits/s). Enfin, dans ce qui suit, le terme
"Canaux de Termin~llx Mobiles" ("MTC") concernera toutes les voies de
tr~n~mi.~sion d'informations d'utilisateurs en provenance d'un terminal mobile "MT".
Le deuxième sous-ensemble est constitué par une station terrestre de
service mobile ST1. Celle-ci procure une liaison de communication directe
bidirectionnelle, lbi, entre le satellite principal MS et divers réseaux terrestres de
communication, représentés sous la référence unique RT. En effet, pour ces
réseaux RT, qui peuvent comprendre des réseaux de téléphonie privée et/ou
publique, cette station STl joue habituellement le rôle de station terminale de trafic
international et de noeud de transit vers les usagers (termin~llx mobiles
2 1 82444
'_ 10
terrestres MtU) via les satellites de communication "GEO". Les "Canaux de
Termin~l1x Mobiles" ("MTC") sont transmis via le lien de tr~n.cmi~.~ion de retour
qui comprend le ou les lien(s) de tr~n.smi~sion "montant(s)" vers le satellite
principal et/ou le ou les satellite(s) en diversité, et le lien de tr~n~mi.csions "descendant" du lien de tr~n.~mi.~sion direct bidirectionnel, lbj. De façon duale, les
"Canaux de Station", en provenance de la station ST1, empruntent la voie aller qui
comprend la voie "montante" du lien de tr~n~mi.csion direct bidirectionnel, lbi, et le
lien de tr~n~mi~sion "descendant" du ou des satellite(s).
Un troisième sous-ensemble est constitué par diverses stations terrestres,
lo sous la référence unique ST2. Celles-ci co~"ple~ ent une station principale de
commande ("MCC" ou "Master Control Station") des stations de comm~n~le et de
contrôle des satellites ("SCS" ou "Satellite Control Station") et du réseau de
communications ("NCS" ou "Network Control Station"), de télémétrie, etc. Ces
stations sont bien connues de l'Homme de Métier et sortent du cadre strict de
l'invention. Il est donc inutile de les décrire plus avant. Par satellites, on entend
aussi bien le satellite principal MS que le ou les satellite(s) de diversité, par exemple
DSRI.
La partie "spatiale" comprend typiquement les éléments énumérés
ci-apres.
Dans un but de simplification, dans l'exemple décrit, un seul satellite de
réception en diversité DSRI a été prévu. Il communique, avec le satellite MS via un
lien de tr~n~mi~.sion intersatellite unidirectionnel llo.
Le premier sous-ensemble est constitué par le satellite principal MS. Ce
satellite MS est pourvu de liens de connexion, aussi bien "aller" que "retour", c'est-
à-dire "montant" et "descendant" avec tous les terrnin~lx mobiles terrestres MTU.
Ces liens ont été représentés sous les références uniques, lmO, pour les liens de
tr~n~mi~sion montants, et ldo, pour les liens de tr~n~mi.~ion descendants; étant bien
entendu qu'il existe une paire de liens de tr~n.cmi~.cion distincts par t~rmin~lLe satellite principal MS est pourvu de fonctions classiques de
conformation de faisceau, de routage et de commutation qui ne dirrèlellt pas desfonctions similaires que l'on rencontre habituellement sur les satellites de type
"GEO" pour les services mobiles ("MSS"). Il comporte cependant des fonctions
suppl~ment~ires spécifiques.à l'invention. Notamment, il est nécess~ire de disposer
de circuits spécifiques pour implanter le lien de tr~n.~mi.~ion intersatellite llo, ou de
façon plus générale, les liens de tr~n~mi.~sion intersatellites (satellite DSR1 au
satellite MS, dans l'exemple décrit) que l'on appellera "unité de réception du lien
21 82444
~ .
intersatellite". Le plus souvent, il sera aussi nécessaire de disposer d'une capacité
supplémentaire de routage et de mappage des canaux de diversité provenant du (oudes) lien(s) de communication intersatellite(s). Enfin, dans une variante de
réalisation de l'invention, la combinaison des canaux directs et des canaux
provenant du ou des satellites de diversité (par exemple DSR1) s'effectue à bord du
satellite principal MS. Il est donc nécess~ire de disposer de circuits spécifiques
assurant cette possibilité de combinaison des branches de diversité.
Le second sous-ensemble, selon un des aspects important de l'invention,
comprend au moins un satellite en diversité spatiale, co-localisé. Dans l'exemple
0 décrit, il est prévu un seul satellite DSRI. De façon plus générale, on peut en prévoir
plusieurs, par exemple deux, disposés de part et d'autre du satellite principal MS.
Comme il a été indiqué, les satellites en diversité spatiale, par exemple le satellite
DSRI, sont des petits satellites "co-localisés", c'est-à-dire à une distance du satellite
principal MS comprise typiquement entre 200 et 400 Km. Ils procurent une
réception en diversité spatiale pour le signal multitrajet provenant des terminaux
terrestres mobiles MTU. Pour simplifier la gestion du système selon l'invention, dans
un mode de réalisation particulier, les termin~11x terrestres de comm~n~le de
satellites et de réseaux ST2 pourront également avoir accès à ces satellites. Dans un
mode de réalisation simplifié du système, les satellites en diversité spatiale,
n'utilisent leur énergie de tr~n~mi~sion que pour communiquer avec le satellite
principal MS. Le satellite DSRI (de façon plus générale, les satellites en diversité
spatiales) est s1lffi~mment éloigné du satellite principal MS pour ga~ que les
composants diffus des ~ign~11x reçus du multitrajet ne sont pas corrélés dans les
deux satellites, MS et DSRI, ce de façon à exploiter correctement la capacité dediversité spatiale, comme il le sera montré ci-après.
Outre ces deux parties principales, "terrestre" et "spatiale", il existe un
certain nombre de liens de communication.
Les premiers types de liens sont appelés "liens de retour".
Il s'agit, tout d'abord, des liens "montants" lm0 entre les terminaux
terrestres mobiles MTU et le satellite principal MS, d'une part, et lml, entre ces
mêmes terminaux MTU et le satellite en diversité DSRI (ou de façon plus générale,
les satellites en diversité). Ce lien de communication est d'importance primordiale
dans le cadre de l'invention. C'est lui, essentiellement, qui perrnet d'atteindre les buts
que s'est fixés l'invention.
Il s'agit, ensuite, du lien de communication, ou lien "descendant" du lien
de tr~n~mi~sion bidirectionnel, lbi, entre le satellite principal et la ou les station(s)
- 2 1 82444
12
de service mobile STI. Il doit être clair que seul le satellite principal et cette station
doivent obligatoirement communiquer. Les liens entre cette station ST1 et les
satellites en diversité spatiale, par exemple DSRI, sont tout à fait optionnels et
n'existent pas dans la version simplifiée du système selon l'invention.
s Ce lien de communication peut être considéré comme un lien de
communication classique, présent sur les systèmes de l'art connu. Les
communications ne sont affectées que par un bruit de type blanc Gaussien additif("AWGN") et ne sont pas considérées, habituellement, comme critiques dans le casdes satellites "GEO" pour services mobiles ("MSS").
Les deuxièmes types de liens sont appelés "liens allers".
Il s'agit, tout d'abord, du lien de communication, ou lien "montant" du
liaison bidirectionnel, lbi, entre la ou les station(s) de service mobile STI et le
satellite principal MS. On doit noter qu'aucun lien de communication "montant"
n'est nécessaire entre cette station STl et le satellite DSRI (ou plus généralement
avec les satellites en diversité spatiale).
Ce lien de communication peut également être considéré comme un lien
de communication classique, présent sur les systèmes de l'art cormu. Les
communications ne sont affectées que par un bruit de type blanc Gaussien additif("AWGN") et ne sont pas considérées, habituellement, comme critiques dans le casdes satellites "GEO" pour services mobiles ("MSS").
Il s'agit, ensuite, du lien de communication, ou lien "montant" de la lien
de tr~n.~mi~.sion bidirectionnelle, lbi, entre la ou les station(s) de service mobile STI
et le satellite principal MS. Il doit être noté qu'il n'existe aucun lien de
communication de ce type entre le satellite DSRI (ou, de façon plus générale, les
2s satellites en diversité spatiale) et la station STI.
Là encore il s'agit d'un lien de communication classique répondant aux
exigences habituellement rencontrées sur des systèmes de satellites 3GEO" pour
service mobile.
Enfin, le troisième type de lien, également spécifique à l'invention,
concerne les liens intersatellites, et plus particulièrement entre le ou les satellites en
diversité, par exemple DSRI, et le satellite principal MS.
Le lien de communication l1o est établi, dans l'exemple décrit sur la
figure 3, entre le satellite DSR1 et le satellite MS. Il permet la combinaison des
signaux reçus par les deux satellites, en provenance des stations mobiles terrestres
3s MTU, soit à bord du satellite principal MS, dans un premier mode de réalisation, soit
21 82444
13
ultérieurement, au sol, après ré-émission par le satellite principal MS vers la station
STI, dans un second mode de réalisation.
Les principaux composants du système étant énumérés et décrits
succinctement, on va m~intçn~nt expliciter, de façon plus détaillée, le mode de
s fonctionnement. Pour fixer les idées, on ne retiendra dans ce qui suit, que la version
simplifiée représentée sur la figure 3: un seul satellite en diversité spatiale DSRI
"co-localisé" et aucun lien de communication entre le sol et ce satellite, étant bien
entendu que cette architecture particulière ne saurait limiter, quoi que ce soit la
portée de l'invention. De même, il ne sera pas décrit la gestion du système et les
o systèmes particuliers de commande et contrôle qui sortent du cadre strict de
l'invention, ces systèmes et fonctions étant par ailleurs bien connues de l'Homme de
Métier.
Selon l'invention, si on se place du point de vue d'un utili~teur
disposant d'un tçrmin~l telle~ ; mobile MTU, portable ou non, la mise en oeuvre ou
non, d'un ou plusieurs satellites en diversité spatiale, reste "transparente".
L'utili~teur communique avec le système de satellite "GEO" selon un schéma
spécifié d'accès en tr~n.~mi~ion, de modulation et de codage, par exemple en bande
étroite en technique "FDMA", "TDMA" ou "F/TDMA". Ce schéma n'est d'ailleurs
aucunement imposé ou limité par l'invention.
Au travers du canal satellite, du fait de réflexions multiples (Voir
figure 1), les informations transmises par un tçrmin~l terrestre mobile MtU sontreçues, via des cheminements ("path") distincts, par les satellite MS et DSRI,
"co-localisés" sur une même orbite géostationnaire. La distance séparant ces deux
satellites se situe dans une garnme typique de 200 à 400 km, selon les paramètres
spécifiques du système considéré. Cette distance garantit, statistiquement, un degré
suffisant de non-corrélation entre les si n~m~ reçus par le satellite MS et les signaux
reçus par le satellite DSRI, de sorte que l'on puisse tirer profit des propriétés de la
diversité spatiale.
Sur le satellite DSRl, une antenne embarquée en diversité reçoit le canal
de terminal mobile multitrajet ("MTC"), avec un ratio "Gain/Température" ("G/T")correspondant. Ensuite, et après une éventuelle opération de conformation de
faisceau, le signal reçu "multitrajet" est transmis à une châîne conventionnelle de
circuits radiofréquences, incluant une amplification et une conversion à la fréquence
du lien de communication intersatellite 11o. Ces signaux sont ensuite transmis au
satellite principal MS, via des circuits d'émission classiques sur cette fréquence ou
21 82444
14
unité de lien de tr~n~mi~cion intersatellite ("ISLTU", non représentée sur la
figure 3).
Sur le satellite principal MS, une antenne embarquée reçoit le canal de
terminal mobile multitrajet ("MTC"), avec un ratio "Gain/Température" ("G/T")
correspondant. Du fait de la "co-location" des satellites MS et DSR1, les antennes
de réception embarquées sur les deux satellites peuvent être conçues de façon
identique (en terme de couverture et de diagramme de rayonnement). Le satellite
MS reçoit également, via le lien de tr~ncmi.csion intersatellite llo, la partie du signal
multitrajet captée par le satellite DSRI (qui constitue une branche non corrélée). Ces
o .~ign~nx en diversité sont reçus plus spécifiquement par une unité de réception de
lien intersatellite ("ISLRU", non représentée sur la figure 3). A ce stade, les deux
signaux reçus, direct (par MS) et en diversité (par DSRI) doivent être combinés en
un seul signal. L'invention permet deux variantes de réalisation:
1. Combinaison des signaux au sol: cette solution est la plus simple, en
terme de complexité de circuits embarqués. Les deux signaux sont retransmis
séparément par le lien de tr~n~mi.csion de "retour" (partie "descentl~nte" du lien de
tr~n~mi.~sion bidirectionnel lbi) et sont combinés au sol, dans la station STI. Dans
cette station, diverses techniques de combinaison peuvent être mises en oeuvre: par
exemple la combinaison dite à ratio maximal ("MR-C"), la combinaison à gain égal("EGC") et la combinaison de sélection ("SC"). Ces techniques sont exposées dansl'ouvrage de W.C. Jackes, "Microwave Mobile Communication", "John Wiley &
Sons", 1974, auquel on pourra se référer avec profit pour une description plus
détaillée de ces techniques classiques. Il doit être clair que l'invention n'est pas liée à
une technique particulière.
Ce mode de combinaison au sol est bien adapté à toutes les situations
pour lesquelles le lien de tr~n~mi~.cion lbi n'est pas soumis à des contldintes de
bande p~s~nte sévères, puisque cette approche implique que la bande passante soit
proportionnelle à "I'ordre de diversité", c'est-à-dire en dernier lieu au nombre de
satellites DSR. Par contre, il doit être noté que dans ce cas, les traitements de
signaux à bord se limitent aux traitements usuels mis en oeuvre dans le cas des
satellites "GEO" classiques: conformation de f~i~ceallx, routage et commutation.Les seuls circuits supplémentaires nécessités par l'invention sont les circuits
"ISRLU" précités et des circuits supplémentaires de routage/mappage des signaux
en diversité vers le lien de "retour" (partie "descendante" de lbi). Cette approche
permet une synchronisation très simple des satellites MS et DSRI, puisque la
21 82444
combinaison et la synchronisation des canaux de terminaux mobiles MTU, direct eten diversité, est effectué au sol.
2. Combinaison des signaux à bord du satellite MS: dans ce cas, aussi
bien les signaux multitrajet directs que les signaux multitrajets en diversité sont
s combinés à bord. Il existe là encore deux solutions principales:
a/ Combinaison au niveau des fréquences intermédiaires ("IF"): cette
approche requière que, pour chaque branche en diversité, chaque canal individuel de
terminal mobile MTU reçu soit, après une opération de rétro-conversion et de
conformation de faisceau, filtré temporellement ou en fréquence et isolé des autres
o signaux en provenance des autres llt~ teurs. Ils sont ensuite transmis à des circuits
de combinaison "IF". Dans ces circuits, tous les signaux provenants des différentes
branches en diversité sont combinés (avant démodulation) selon une approche
particulière, par exemple combinaison de sélection ou combinaison avec réceptiondifférentielle. De nouveau, il doit être clair que l'invention n'est pas liée à une
technique particulière de combinaison. Une fois l'opération de combinaison
achevée, les signaux ainsi combinés suivent le cheminement classique des signauxdans un satellite "GEO" de l'art connu. En effet les si~n~llx combinés peuvent être
considérés comme des signaux "normaux" reçus par le satellite MS et retransmis, de
façon classique également, vers le sol (station STI).
Les circuits sont plus complexes, puiqu'ils incluent les circuits "ISLRU"
précités, le routage radiofréquence pour le filtrage et l'isolation du canal destermin~lx mobiles, et le processeur effectuant la combinaison "IF".
Il est à noter que dans ce cas, les exigences pour le lien de tr~n~mi.~cion
vers le sol ne diffèrent en rien de celle prévalant pour les systèmes selon l'art connu,
c'est-à-dire sans diversité. Il en est de même pour les in~t~ tions au sol, puisque la
combinaison est réalisée sur le satellite MS.
Par contre, une synchronisation du satellite principal MS et des satellites
en diversité, par exemple DSRI, est nécessaire, de façon à ~ que le processus
de combinaison est effectué de façon synchrone, comme il le sera explicité ci-après.
b/ Combinaison en bande de base: cette approche est idéale pour le cas
d'un satellite "GEO" régénérateur. Dans ce cas les canaux des termin~llx mobilesMTU direct ou en diversité (provenant de DSRI) sont démodulés et combinés en
bande de base après démodulation, mais avant l'opération de décodage. Dans ce cas,
n'importe quelle méthode de combinaison peut être utilisée.
Les circuits en supplément nécess~ire (par rapport au cas d'un satellite
"GEO" sans diversité de l'art connu) se résument aux suivants: les circuits "ISLRU"
2 1 82444
16
précités, des circuits pour le routage en diversité, des démodulateurs
supplémentaires pour les canaux en diversité et un processeur de combinaison.
De nouveau, le lien de tr~n~mi~sion bidirectionnel lbi, notamment sa
branche "descendante", reste classique et les démodulateurs de la station terrestre
STl ne nécessitent aucun circuit supplémentaire. Par contre, une synchronisationentre le satellite principal MS et les satellites en diversité, par exemple DSRI, reste
necessaire.
On va maintenant détailler les exigences arré~e~ s aux liens de
tr~n~mi~.sion intersatellites, par exemple le lien de tr~n~mi.~sion llo dans l'exemple
lo décrit.
La Demanderesse a effectué des simulations extensives. Sur cette base,
il a été possible de montrer que les propriétés statistiques du signal transmis par un
utilisateur de terminal mobile terrestre MTU, et se propageant selon des
cheminements qui ne sont pas en ligne directe avec aucun des satellites, sont très
fortement décorrélés lorsque les conditions suivantes sont réalisées:
- les satellites sont espacés de 250 à 300 km environ;
- le terminal mobile terrestre MTU est localisé dans un environnement
urbain favorisant la diffusion du rayonnement;
- et la tr~n.smi.csion s'effectue dans les bandes de fréquences "L".
Il a été constaté que le taux de décorrélation reste encore sl1ffi~nt pour
des distances intersatellites inférieures à 150 km pour certains environnements en
milieu urbain, et bien supérieur, pour des environnements en milieu suburbain etrural.
L'implantation du lien de "retour montant" en bande de fréquences "S",
ou sur des fréquences encore plus élevées, réduit la séparation nécess~ire
intersatellites pour atteindre un degré de décorrellation des cheminements de
"retour" indirects pour des l1tili~teurs donnés en milieu diffusant.
Les distances de séparation faibles entre le satellite principal MS et les
satellites de réception auxiliaires en diversité, par exemple le satellite DSR1, en
combinaison avec le fait qu'il s'agit de satellites du type "GEO", autorisent la mise
en oeuvre de lien de tr~n~mi~sion intersatellite, par exemple 110, particulièrement
simples et à faible puissance. Les contraintes d'implantation sont simplement celles
exigées par tout lien de tr~n~mi~sion utilisant des technologies modernes et ne
diffèrent en rien de l'art connu.
Un maintien du satellite dans un domaine de + 0,05 (par rapport aux
directions Nord et Sud, d'une part, et Ouest et Est, d'autre part) est devenu tout à fait
2 1 82444
17
courant. Cela implique une distance intersatellite minim~le de 250 km et maximale
de 400 km. Dans ce cas, on peut exploiter des antennes de faibles dimensions, demodèles bien connus, en tr~n~mi~ion depuis les satellites subsidiaires (DSR1, par
exemple) et en réception sur le satellite principal MS. On peut obtenir un gain
s minimum de 25 dBi en direction du satellite compagnon, ce sans orientation
électrique ou mécanique de l'antenne. Une ouverture d'antenne inférieure à 20 cmpar 5 cm est appropriée pour les bandes de fréquences allouées pour l'espace de
l'ordre de 23 GHz.
Le calcul du lien de tran.~mi~.sion intersatellite doit tenir compte du fait
que le soleil donne, un part essentiel de la journée, sur l'antenne de réception du
faisceau principal, mais en ce qui concerne les antennes de réception du lien
intersatellites, la température peut atteindre des valeurs inférieures à 170 K. Cela
conduit à des puissances de tr~n.~mi~sion radiofréquence sur les satellites ~ ires
(DSRl, par exemple) utilisées inférieures à 1,4 W/MHz de bande p~.~s~nte du liende tr~n~mi~sion hllel~atellite. Le bruit et le produit d'intermodulation provoquent
une dégradation négligeable du service global du lien de tr~n.~mi~ion de "retour"
(les niveaux d'interférence cumulatifs du lien intersatellite se trouve au moins 20 dB
en dessous des .si n~ du lien de tr~n~mi.e~ion "retour"). Les satellites en diversité
les plus extérieurs, dans un système mettant en oeuvre plus de trois satellites
opérationnels (ce qui constitue un cas extrême du système selon l'invention),
exigent, soit des antennes légèrement surdimensionnées (ce qui constitue le choix
préféré, d'un point de vue coordination de fréquence), soit de transmettre des
signaux plus p~lics~nt~- Aucune de ces deux approches ne pose de problèmes
particuliers, vue l'état de la technologie actuelle.
En résumé, des liens intersatellites de faible poids (en terme de matériel
utilisé: antennes, etc.) peuvent être mis en place et utiliser toute bande de fréquence
app~pliée permettant de supporter la capacité du lien de tr~n.cmi.~sion prévu. Cette
capacité est fonction du spectre de fréquences alloué aux utili~teurs de terminaux
terrestres mobiles et du degré de réutilisation en fréquence établi pour le système.
La coordination en fréquences avec des engins du type "LEO" est particulièrementsimple, du fait qu'ils sont typiquement localisés à plus de 70 des axes de visée des
antennes du système de satellites en diversité conforme à l'invention et, de ce fait,
fortement discriminés. Les. autres satellites de type "GEO" formant relais de
données sont calculés pour des communications avec des utili~ateurs du type "LEO"
et ne posent pas normalement de problèmes de coordination de fréquences.
21 82444
~_ 18
Il doit être noté que l'utilisation du concept de diversité spatial reste
indépendant de l'existence de liens de tr~n.cmi.csion intersatellites, mais il ressort
clairement de ce qui précède que l'utilisation de ces liens de trAn~mi.esion estparticulièrement aisée. Bien que "co-localisés", en ce sens que le segment d'espace
n'occupe que moins d'un degré d'arc de l'orbite géostationnaire, les satellites ne
peuvent être confondu avec un seul et unique satellite géostationnaire. Cependant,
I'allocation de fréquences ne pose pas de problèmes majeurs.
La mise en oeuvre de liens de tr~n~mi~sion intersatellites amène les
améliorations suivantes:
0 1. Pour les réalisateurs du système, il n'est nécess~ire de coordonner,
avec les autres ~tlmini~trations, que les liens "descendants" d'un seul satellite;
2. La couverture terrestre principale des satellites auxiliaires, par
exemple DSR1, peut être du type "réception seulement", ce qui autorise, soit unemini~hlrisation, soit la libération d'une extra-capacité pour d'autres applications;
3. L'utilisation d'un lien de tr~n.cmi~sion intersatellite permet
l'implantation d'un récepteur normalisé en diversité ("NORD"), conforme à
l'architecture proposée dans l'article de J. Ventura-Traveset et al. Intitulé:
"Norm~ e~l Diversity Receiver for Mobile Fading Channel", paru dans
"Procee~ings of the Cost 229 Workshop on Adaptative Systems, Intelligent
Approaches, Massively Parallel Coll~uling and Emergent Techniques in Signal
Processing and Communications", Bayona(vigo), Espagne, octobre 1994.
Comme il a été précédemment indiqué, la Dçm~nderesse a procédé à de
nombreuses simulations pour établir la validité des assomptions faites dans le cadre
de l'invention, et mettre en évidence les avantages de l'invention par rapport aux
systèmes de services mobiles du type "GEO", mais conformes à l'Art Connu.
Il a été notamment fait appel à l'un des modèles de système d'évaluation
de tr~n.cmi~.~ion le plus largement accepté, en l'occurrence le modèle dû à C. Loo:
"A statistical model for a land mobile satellite link", paru dans "IEEE Transactions
On Vehicles Technology", Vol. 34, page 127, août 1985. Il s'agit d'un système
statistique générique.
De façon plus spécifique, pour couvrir les besoins de l'invention, il a été
considéré trois scénarios:
1. Un canal très fortement "masqué";
2. Un canal moyennement "masqué";
3s 3. Un canal faiblement "masqué".
19 21 82444
Ces modèles décrivent diverses situations de masquages et, donc,
diverses distributions en énergie, aussi bien par les tr~n~mi~sions en dispersion
(multitrajet) ou en ligne directe.
Le degré de décorrelation à espérer, sur les trajets de tr~n.~mi~.sion de
5 signaux non directs (multitrajets), a été évalué par une méthode similaire à celle
préconisée dans l'ouvrage de W.C. Jackes précité, "Microwave Mobile
Communication", John Wiley & Sons, 1974.
On va se reporter de nouveau à la figure 1 qui illustre schématiquement
un environnement urbain générateur de réflexions et diffusions multiples, de façon
10 aléatoire. Comme il a été précédemment décrit, cette figure montre clairementl'influence de dir~ es sources de dispersion et de diffusion des signaux émis par
l'antenne Ant du termin~l terrestre mobile MTI Le nombre d'obstacles a été choisi
égal à 20 et plusieurs milliers de configurations d'environnements ont été générés de
façon statistique, en faisant appel à la méthode de Montecarlo.
Un exemple typique des résultats d'une telle simulation est présenté
dans la TABLE I placée en fin de la présente description.
Ces résultats montrent clairement que, pour un environnement urbain,
en bande "L" ou pour des fréquences supérieures, une distance intersatellite de
300 km est suffi~nte pour décorreller de façon appfopliée les trajets en diversité.
Comme la théorie le laisse prévoir, en ~ltili~nt une bande "S", on obtient des
résultats encore meilleurs. Enfin, les simulations ont également montré que la
décorrelation est améliorée en environnement suburbain ou rural, ce qui est
également conforme à la théorie.
Le choix d'un environnement urbain et d'une bande "L" permet d'assurer
une marge de sécurité suffi~nte dans le calcul de la distance minim~le
intersatellites. Comme il est aisé d'obtenir des orbites de satellites qui respectent
cette séparation de 300 km et que celle-ci correspond aux exigences de lien
inter-orbital présentant les meilleures performances, cette distance sera retenue dans
le cadre d'un mode de réalisation préféré de système conforme à l'invention.
Pour estimer les performances globales du système de communication
en diversité selon l'invention, il a été fait notamment appel au concept de récepteur
normalisé en diversité ("NORD"). Pour une description plus détaillée de ce concept,
on se référera avec profit à l'article de J. Ventura-Traveset et al. Précité.
En outre, comme il a été indiqué, le type de récepteur n'est nullement
imposé par l'invention. Aussi des essais ont été effectués avec divers modèles
21 82444
d'architectures de récepteurs, notamment celles correspondant à un récepteur de type
cohérent, à un récepteur de type différentiel et à un récepteur à fréquence pilote.
Différentes techniques de communication peuvent être utilisées: on a
testé l'invention pour les codages du type "QPSK" ("Q~-~tern~ry Phase Shift Keying"
s ou "Modulation par Déplacement de Phase quadrivalente") et "2/3 TCM 8-PSK"
("Trellis Coded Modulation", c'est-à-dire "Modulation à Codage par Treillis", avec
des Codes d'Underboeck à 8 états du type "Phase Shift Keying", c'est-à-dire à
"Modulation par Déplacement de Phase"). Ces techniques de k~n.~mi.csion ont été
sélectionnées, car elles couvrent deux stratégies différentes de tr~n.~mi~sion et ont
lo été proposées pour des services mobiles de tran.~mi.csion à base de satellites du type
"GEO", notamment dans l'ouvrage de M.J. Miller et al.: "Satellite Communications: Mobile and fixed Services", Kluwer Academics Publishers, 1993.
Enfin un certain nombre d'assomptions et hypothèses de travail ont été
adoptées, couvrant les situations les plus habituelles des conditions de tr~n.~mi.c.~ion
dans l'application préférée de l'invention: un service mobile de communications.Parmi celles-ci, des taux d'erreurs de bits compris entre 10-2 et 10-5 ont été
considérés, taux qui couvrent la plupart des exigences habituelles à ce type
d'application.
Il a été procédé à des essais colllpalalifs systématiques, pour ces
différentes assomptions, entre un système de communication conventionnel selon
l'art connu par satellite "GEO" et un système selon l'invention, mettant en oeuvre la
diversité spatiale, à l'aide d'un seul satellite al-xili~ire "co-localisé".
Pour fixer les idées, les TABLES II à IV, placées en fin de la présente
description, illustrent les améliorations de performance apportées par le système de
2s l'invention par rapport à un système conventionnel.
Plus précisément les TABLES II à IV couvrent les trois scénarios
précités: canal très fortement "masqué", canal moyennement "masqué"et canal
faiblement "masqué", respectivement. On a utilisé le concept dit "NORD",
également précité et une architecture de récepteur du type à détection cohérente.
Enfin la combinaison, entre signaux directs et en diversité, s'est effectuée selon la
technique dite "à taux m~xim~1". Dans chaque table, la première colonne représente
le taux d'erreur de bits "BER", la deuxième colonne le cas de la technique de
tr~n~mi~sion en "QPSK" non codé et la troisième, le cas de la technique de
tr~n.~mi~sion "2/3 TCM 8-PSK".
3s Dans les deuxième et troisième colonnes, pour chaque valeur de "BER"
escomptée, on a indiqué, en dB, le gain de performance offert par le système selon
21 82444
21
l'invention par rapport à un système conventionnel, fonctionnant dans les mêmes
conditions, mais sans satellite en diversité.
On constate que dans les trois environnements, et tout particulièrement
en environnement urbain très pén~ nt, le système selon l'invention apporte une
amélioration très conséquente des performances. On constate, en particulier que l'on
désire de faibles taux d'erreurs de bits, l'amélioration est de plus de 20 dB en milieu
urbain et d'au moins 16 dB dans les deux autres cas. Ces valeurs correspondent au
cas de la technique de tr~n~mi~sion "QPSK" non codée.
On constate également une amélioration, bien que de moindre
0 importance, pour la technique de tr~n~mi~.sion "2/3 TCM 8-PSK".
Enfin, bien que les résultats correspondants n'aient pas été présentés
dans des tables spécifiques, on obtient des résultats semblables avec un récepteur à
architecture du type à détection différentielle et une combinaison du type
différentielle, d'une part, et avec un récepteur à architecture du type à fréquence
pilote et une combinaison du type quasi-m~xim~le.
Dans tous les cas, quel que soit, notamment, la technique de
tr~n~mi.c~ion ou le type de récepteur considéré, le système selon l'invention apporte
une amélioration des ~elrolmances par rapport à un système de communication
conventionnel à satellite "GEO".
Comme il a été indiqué, le système selon l'invention peut comprendre
plusieurs satellites en diversité, ce qui, a priori, augmente les performances. On a
fourni, dans la TABLE V placée en fin de la présente description, une comparaison
entre un système conventionnel et un système selon l'invention con~lella~lt un
(colonne deux) ou deux (colonne trois) satellites en diversité, respectivement, ce
pour des taux d'erreur de bits variant de 10-2 à 10-5. L'environnement considéré est
celui d'un environnement urbain, la technique de k~n.~mi~sion, celle dite "QPSK"non codée, le récepteur du type à détection cohérente et la combinaison du type à
taux m~xim~1. Dans ces conditions, on rekouve en deuxième colonne les valeurs
représentées en deuxième colonne de la TABLE II, ce qui permet d'évaluer le gainen performances apporté par un second satellite en diversité (figure 2: DSR2).
Exprimé en dB, ce gain va de 1,4 dB pour un taux d'erreur de bits de lo-2 à environ
5 dB pour un taux d'erreur de bits de 10-5. Pour un taux moyen d'erreur de bits lo-3,
il est de 3 dB environ. L'amélioration apportée par un second satellite peut être
appréciable pour certaines applications.
Un auke paramèke important à considérer dans tous systèmes de
cornmunication par satellite est sa capacité, c'est-à-dire concrètement le nombre
- 21 82444
22
maximum d'utili~ateurs pouvant être traités simultanément. Il est bien connu que le
spectre de fréquences disponibles pour un satellite offrant des services de
tr~n~mi.csion mobile est une ressource très réduite. Il est donc nécess~ire de pouvoir
compter sur un facteur de "Réutilisation des Fréquences" ("FR" ou "Frequency
5 Reuse") important. Il est également nécessaire de minimi.cer aussi bien la bande
passante requise d'un canal unique que la séparation intercanaux entre canaux
adjacents. Beaucoup d'études ont été entreprises et certaines solutions mise en
oeuvre dans les systèmes de l'art connu: format de modulation a~propl;é (par
exemple " 4 QPSK"), Réseaux améliorés Conformateurs de Faisceaux à Matrice de
0 Butler ("DBFN"), etc.
Quelle que soit la solution utilisée, il a été montré que la c~p~cité du
canal sujet à évanouissement est très fortement tributaire des valeurs d'interférence
de canal. Le système selon l'invention, mettant en oeuvre la diversité spatiale
présente là encore une amélioration fondamentale par rapport aux systèmes
5 conventionnels"GEO".
A titre d'exemple, la TABLE VI, placée en fin de la présente
description, met en évidence les augmentations des performances apportées par unsystème selon l'invention, utili~nt un satellite en diversité spatiale, par rapport à un
système conventionnel de satellite "GEO" affecté par une inlelr~ .ellce de porteuse
20 dans un même canal ("co-channel"), ce pour des taux d'erreurs de bits escomptés
s'étageant de 10-2 à 10-5. Cette table comporte quatre colonnes, les colonnes deux à
trois représentant des taux d'interférence de signal "SIR" de 25 dB, 30 dB et 40 dB,
respectivement.
Le concept précité dit "NORD" a été utilisé, l'architecture du récepteul
25 est du type à détection cohérente, la combinaison, entre sign~-lx directs et en
diversité, s'est effectuée selon la technique dite "à taux m~xim~l" et la technique de
tr~n~mi~sion était du "QPSK" non codé. L'environnement considéré était du type
urbain, c'est-à-dire très "masqué".
On constate une amélioration des performances dans tous les cas. Le
30 symbole "oo" signifie que, avec un système conventionnel "GEO", le taux d'erreurs
de bits "BER" indiqué dans la première colonne ne peut être atteint. Cela signifie
que les systèmes selon l'invention permettent d'abaisser la valeur minim~le de taux
d'erreur qu'il est possible d'atteindre.
En outre, le niveau relatif de porteuse par rapport au bruit ("CtN") est
35 fortement amélioré dans le lien de tr~n~mi.c~ion.
2 1 82444
23
On peut donc augmenter la capacité du système. A titre d'exemple, on a
constaté que, dans le cas d'un système selon l'invention, pour une valeur de "SIR" de
25 dB seulement, les performances sont meilleures que pour une valeur de "SIR"
aussi important que 40 dB dans le cas d'un système conventionnel "GEO". En
d'autres termes, il est possible de réduire le "SIR" à 25 dB, dans le cas de
l'invention, tout en obtenant de meilleures performances en termes de niveau relatif
de porteuse par rapport au bruit ("C/N"). La capacité du système peut donc être
augmentée ou, alternativement, le nombre de faisceaux réduit de façon significative
(augmentation du facteur "FR" précité).
0 Dans ce qui précède, un certain nombre d'hypothèses simplificatrices
avaient été adoptées, notarnment que l'entrelacement était idéal, ce qui n'est pas le
cas, naturellement, dans des conditions réelles d'utilisation. La profondeur
d'entrelacement est obligatoirement finie. Une raison majeure de cet état de fait est
que l'entrelacement et le désentrelacement introduisent un délai supplémentaire dans
la tr~ncmi.c.~ion, ce qui peut s'avérer indésirable.
Là encore le système selon l'invention apporte une amélioration, dans
des conditions semblables d'utilisation, par rapport à un système conventionnel, et
se montre moins critique vis à vis des problèmes de cet ordre.
Pour illustrer le comportement du système selon l'invention, des essais
ont été effectués dans le cas d'un canal dit de Rayleigh, bien que des résultatssimilaires puissent être obtenus avec différentes situations relatives à des canaux de
service mobile. La technique de tr~n~mi~sion utilisée était du type "2/3TCM 8-PSK"
précitée. Le système comprenait un seul satellite en diversité, "co-localisé".
La TABLE VII, placée en fin de la présente description, regroupe les
résultats comparatifs obtenus pour deux valeurs de taux d'erreur de bits (10-2 et 10-3,
respectivement) et pour quatre valeurs d'entrelacement: I = 0, I = 10, I = 20, I = 30,
respectivement.
On constate que les performances du système conforme à l'invention
sont supérieures dans tous les cas à ceux d'un système conventionnel. En outre, plus
la profondeur d'entrelacement est finie, plus importantes sont les améliorations de
performance. En d'autres termes, les effets d'une profondeur d'entrelacement finie
ont moins d'impact sur un système conforme à l'invention que sur un système
conventionnel "GEO".
On constate aisément à la lecture de la description qui précède que
l'invention atteint bien les buts qu'elle s'était fixés.
21 82444
24
Il a été démontré que le système de l'invention présente un grand
nombre d'avantages sur les systèmes à satellites du type "GEO" de l'art connu, et
parmi lesquels les avantages résumés ci-après:
1. Une amélioration importante du lien de tr~n.cmicsion "retour" en
terme de niveau relatif de porteuse par rapport au bruit ("C/N") pour des situations
sévères d'évanouissement des signaux. La réduction de ce rapport peut être utilisée
pour atteindre les buts suivants, individuellement ou en combinaison:
- réduction de la taille des ~nt~nnPs embarquées;
- augmentation de la disponibilité du système et des marges
o d'évanouissement du signal;
- réduction du facteur "Puissance Isotrope Rayonnée Equivalente"
("EIRP") du terminal terrestre mobile;
- possibilité d'utiliser des schémas de codage plus simple tout en
conservant les mêmes performances du système, donc not~mment avec diminution
de la redondance (ce qui entrâîne une augmentation corrélative de la capacité dusystème) et des exigences en profondeur d'entrelacement réduites (donc des délais
supplémentaires réduits également).
2. Une amélioration supplémentaire en ce qui concerne la réduction du
niveau relatif de porteuse par rapport au bruit ("C/N") lorsque les hlle~rélellces
système sont prises en considération (par exemple i~llelrelcilces sur un même canal
ou des canaux adjacents). Cette réduction importante du rapport "C/N" précité peut
être utilisée pour atteindre les buts suivants, individuellement ou en combinaison:
- augmentation du facteur de réutilisation "FR" du système, c'est-à-dire
l'augmentation de la capacité du système de satellite "GEO" et, corrélativement, une
augmentation de la rentabilité ("Return Cost") du satellite;
- réduction du nombre de f~ ce~x tout en conservant la capacité du
système, ce qui se traduit par une simplification significative de la partie
"matérielle" du satellite (circuits, etc.), ce qui entrâîne également une réduction du
coût.
3. Pour toutes les situations particulières de code et de canal, le système
selon l'invention autorise une diminution de la profondeur d'entrelacement requise,
et donc permet une diminution corrélative des délais de tr~n~mi~sion.
4. Le système de service mobile permet une augmentation de
l'uniformité des performances, puiqu'il est le plus efficace dans les situations les
situations de canaux les plus défavorables.
2 1 82444
_ 25
Il doit être clair cependant que l'invention n'est pas limitée aux seuls
exemples de réalisations préciePnnent décrits, not~nnment en relation avec les figures
2 à 3.
Notamment, comme il a été indiqué, l'invention, en elle-même, ne limite
s en rien le tvpe de récepteur utilisé, le schéma de codage et/ou la technique de
tr~n~mi~sion. Les bandes de fréquences utili~ées, ainsi que les bandes p~cs~ntes,
peuvent être quelconques, dans la mesure où elles sont appropliées à l'application
visée. Le nombre de satellites auxiliaires, "co-localisés", n'est pas limité en théorie,
seules des considérations pratiques et de coût imposent une limite raisonnable. Dans
lo une variante simplifiée (figure 3), un seul satellite en diversité sera utilisé DSRI,
dans une variante préférée, deux satellites seront utilisés DSRI et DSR2 (figure 2),
situés de part et d'autre du satellite principal MS, sur une même orbite
géostationnaire OG. Enfin, comme il a été également indiqué, bien que, pour les
satellites en diversité, par exemple le satellite DSRI, seuls le lien de tr~n~mi~ion
5 "montant", "Terminal Terrestre Mobile MTU - satellite DSRI", et un lien
inte,~atellite unidirectionnel avec le satellite principal MS soit requis, on peut
prévoir des liens de tr~n~mi.~.cion supplémentaires sans sortir du cadre de l'invention.
2 1 82444
~" 26
TABLE I
Distance Intersatellite Corrélation (Bande "L") Corrélation (Bande "S")
(enKm)
200 0.5 0.24
300 0.3 0.13
400 0.13 0.13
S00 0.13 0.08
TABLE II
"BER" "QPSK" non codé "2/3 TCM 8-PSK"
102 5,8dB 2,7dB
0-3 10,3dB 4,2dB
01 >lSdB 5,6dB
10-5 > 20dB >7,5dB
TABLE III
"BER" "QPSK" non codé "2/3 TCM 8-PSK"
10-2 2,9dB 1,3dB
10-3 7,0dB 2,2dB
l01 >12dB 3,3dB
10-5 > 17dB >5dB
TABLE IV
"BER" "QPSK" non codé "2/3 TCM 8-PSK"
10-2 2,2dB l,OdB
10-3 6,1dB 1,7dB
10~ >lldB 2,7dB
10-5 > 16dB 3,5dB
21 82444
^ 27
TABLE V
"BER" 1 satellite DSR 2 satellites DSR
10-2 5,8dB 7,2dB
10-3 10,3dB 13,2dB
104 >lSdB >l9,SdB
10-5 >20dB >25dB
TABLE VI
s
"BER" "SIR" = 25 dB "SIR" = 30 dB "SIR" = 40 dB
10-2 >20dB 7,2dB 5,5dB
5 10-3 ~ dB 11,4dB 7,3dB
10-3 ~dB ~ dB 12,3dB
5l01 ~ dB ~ dB ~ dB
104 ~ dB ~ dB
5 10-5 - ~ dB ~ dB
1 o-5 - - ~ dB
TABLE VII
"BER" I = 0 I = 10 I = 20 I =30
10-2 8,2dB 4,6dB 3,7dB 3,3dB
10-3 9,5 dB 6,4dB 5,1dB 4,6dB
--------
