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Un module robuste de données par satellite pour réseaux aéroportés - Par : Joe Zambrano Iberico, René Jr Landry,

Un module robuste de données par satellite pour réseaux aéroportés


Joe Zambrano Iberico
Joe Zambrano Iberico Profil de l'auteur(e)
Joe Zambrano est candidat au doctorat en génie électrique à l’ÉTS. Il travaille sur de nouvelles méthodes et architectures fiables pour communications par satellite par le biais de radios logicielles.
Programme : Génie électrique 

René Jr Landry
René Jr Landry Profil de l'auteur(e)
René Jr Landry est professeur au Département de génie électrique à l’ÉTS et directeur du laboratoire LASSENA. Son expertise porte principalement sur les systèmes embarqués intelligents, la navigation et l’avionique.
Programme : Génie électrique 

Communication par satellite provenant d’un avion

Achetée sur Istock.com. Droits d’auteur.

RÉSUMÉ:

Le LASSENA présente une approche basée sur un modèle Simulink pour simuler et optimiser un module robuste de données par satellite (SDU) capable de fournir des services mobiles (certains liés à la sécurité et d’autres non) par satellite et pouvant fonctionner dans un réseau aéroporté. À cette fin, nous avons procédé à l’analyse et à la modélisation des principaux signaux du système avionique et du trafic de données à traiter dans un SDU.

Module de données par satellite (SDU)

Un SDU est un outil installé dans un avion qui permet la communication air-sol grâce à un réseau de communication par satellite (SatCom). Le SDU se connecte à un satellite au moyen d’une liaison par radiofréquence, puis le satellite se connecte à une station terrestre ou l’inverse. Il convient de mentionner que, dans cette étude, le SDU est également capable d’effectuer la communication air-air (voir Fig. 1). 

Réseau aéroporté (AN)

L’AN (Airborne Network) se définit comme une infrastructure destinée à la transmission de communications par l’intermédiaire d’une dorsale aérienne, c’est-à-dire par au moins un nœud installé sur une plate-forme volante.

Type de communications possibles dans un réseau aéroporté

Fig. 1. Réseau aéroporté.

Signaux à simuler

Afin de modéliser un SDU robuste pour AN, nous devons savoir quels services mobiles aéronautiques par satellite (Aeronautical Mobile Satellite Services, AMSS) seront traités dans ce module, ainsi que leur priorité. Pour les besoins de cette simulation, nous prenons en considération principalement trois types de systèmes de communication :

 

1. Système embarqué de communications, d’adressage et de compte rendu (ACARS)

 

L’ACARS (Aircraft Communications Addressing and Reporting System) est un réseau de communications A/G servant à transmettre et à recevoir des données de façon automatique ou manuelle. L’ACARS a d’abord été lancé pour permettre aux avions d’envoyer automatiquement leurs rapports de décollage et d’atterrissage aux ordinateurs des compagnies aériennes; aujourd’hui, le système est installé dans presque tous les avions commerciaux et utilisé pour des applications nécessitant un service très fiable.

 

2. Surveillance dépendante automatique en mode diffusion (ADS-B)

 

L’ADS-B (Automatic Dependent Surveillance – Broadcast) est une technique de surveillance où une station terrienne d’aéronef (Aircraft Earth Station, AES) transmet par liaison de données un nombre de paramètres extraits des systèmes embarqués de navigation et de positionnement installés à bord. L’idée est que l’AES, équipé d’un système de positionnement global (GPS), calcule ses propres données (identité, position, vitesse, intention, altitude, etc.) et les envoie régulièrement par radio aux systèmes de surveillance (GS) et autres AES équipés d’ADS-B se trouvant dans la zone de vol.

 

3. Connectivité à bord (IFC)

 

L’IFC (In-Flight Connectivity) est un terme qui englobe un grand nombre de services offerts aux passagers (audio, vidéo, Wi-Fi, etc.) durant le vol. Le système IFC comprend des services de données comme le Wi-Fi et la téléphonie mobile permettant aux passagers de garder le contact avec les gens au sol. 

Architecture de simulation

Le modèle de simulation du SDU dans un AES pour AN est fondé sur une communication unidirectionnelle, transmettant des informations liées à la sécurité et d’autres informations à partir de l’AES vers la station au sol (Ground Earth Station, GES) sur un canal de communication par satellite. Cette architecture permet de transmettre les données de simulation des générateurs de messages ACARS, ADS-B et IFC, à partir du SDU de l’AES voisin (Neighbouring AES ou NAES) vers le SDU de l’AES. L’AES enverra immédiatement les données reçues en ajoutant ses propres données à l’aide d’un lien A/A [1], l’objectif étant d’assurer l’envoi non seulement des messages de l’AES en AN mais aussi des données du NAES par AMSS. Cette liaison est réalisée en tenant compte du bruit aléatoire, qui est ajouté à la transmission, et en contrôlant le rapport signal/bruit (signal-to-noise ratio, SNR) à des fins de simulation [2].

Simulation de communication de données dans un réseau aéroporté

Fig. 2. Architecture et scénario de simulation

Résultats et conclusion

Pour évaluer la performance du SDU, il est nécessaire de mesurer le taux d’erreur sur les bits (Bit Error Rate, BER) sur tous les canaux. La Fig. 3 montre que dans le cas du SDU pour les communications AMSS liées ou non à la sécurité, à partir d’un rapport signal/bruit (SNR) égal ou supérieur à -20 dB, le système maintient une bonne performance; quelle que soit la variation du SF, le BER reste à zéro. Pour des valeurs de rapport signal-bruit (SNR) inférieures à -20 dB, l’augmentation de la valeur du SFLe SF est le rapport entre les puces (UMTS3.84 Mchips∕s) et le débit de données en bande de base. Le SF varie de 4 à 512 en FDD UMTS donne de meilleures performances sur ces canaux de communication, maintenant un BER de l’ordre de 10-3. Ces mesures nous permettront de décider, pour la suite des travaux, du codage et de la modulation adaptatifs (Adaptive Coding and Modulation, ACM) permettant une mise en œuvre future.

taux d’erreur sur les bits en fonction du rapport signal/bruit, services liés à la sécurité taux d’erreur sur les bits en fonction du rapport signal/bruit, services non liés à la sécurité taux d’erreur sur les bits en fonction du rapport signal/bruit, service ADS-B taux d’erreur sur les bits en fonction du rapport signal/bruit, Service ACARS

taux d’erreur sur les bits en fonction du rapport signal/bruit, service IFC

Fig. 3. Valeurs du taux d’erreur sur les bits pour différents SNR.

Les principales contributions de cet article sont la conception et l’architecture du traitement du signal de la NAES à la station au sol par SDU, et la démonstration de la flexibilité des SDU dans un AN pour l’optimisation coordonnée des services réseau tout en maintenant localement la performance du service individuel de communication de données de l’AES.

Information supplémentaire

Pour plus d’information sur cette recherche, consulter l’article suivant : Zambrano, J.; Yeste-Ojeda, O.A.; Landry Jr., R. “Simulation/Optimization Modeling for Robust Satellite Data Unit for Airborne Network.” Journal of Air Transportation Vol. 27, No. 1, January 2019. 10 (12), http://arc.aiaa.org, DOI : 10.2514/1.D0104.

Joe Zambrano Iberico

Profil de l'auteur(e)

Joe Zambrano est candidat au doctorat en génie électrique à l’ÉTS. Il travaille sur de nouvelles méthodes et architectures fiables pour communications par satellite par le biais de radios logicielles.

Programme : Génie électrique 

Laboratoires de recherche : LASSENA – Laboratoire des technologies spatiales, systèmes embarqués, navigation et avionique 

Profil de l'auteur(e)

René Jr Landry

Profil de l'auteur(e)

René Jr Landry est professeur au Département de génie électrique à l’ÉTS et directeur du laboratoire LASSENA. Son expertise porte principalement sur les systèmes embarqués intelligents, la navigation et l’avionique.

Programme : Génie électrique 

Laboratoires de recherche : LACIME – Laboratoire de communications et d'intégration de la microélectronique  LASSENA – Laboratoire des technologies spatiales, systèmes embarqués, navigation et avionique 

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