La propagation dans la troposphère pour les systèmes spatiaux de télécommunications à très haut débit en bandes Ka et Q/V

11/12/2015
Auteurs :
OAI : oai:www.see.asso.fr:1150:14604
DOI :

Résumé

La propagation dans la troposphère pour les systèmes spatiaux de télécommunications à très haut débit en bandes Ka et Q/V

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	    <date dateType="Created">Fri 11 Dec 2015</date>
	    <date dateType="Updated">Mon 25 Jul 2016</date>
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Soirée des grands prix SEE 2015 Propagation en bande Ka et Q/V pour les systèmes Satcom La propagation dans la troposphère pour les systèmes spatiaux de télécommunications à très haut débit en bandes Ka et Q/V Nicolas Jeannin nicolas.jeannin@onera.fr ONERA-DEMR 7 décembre 2015 Soirée des grands prix SEE 2015 Propagation en bande Ka et Q/V pour les systèmes Satcom Contexte Pourquoi la bande Ka (20/30 GHz) et Q/V (40/50 GHz) pour les télécommunications par satellite ? • Besoin de performances du même ordre de grandeur que les accès internet terrestres pour les systèmes satellites multimédia • Accès internet FTTH 100 Mbps / 30 euros par mois → 200 000 clients nécessaires pour rentabiliser le système. → Capacité du système : 200000 nb utilisateurs × 100.106 capacité/utilisateur × 2.5% contention = 0.5Tbps • Borne de Shannon : D = B log2(1 + C N ) • C N limité aux alentours de 10 dB (puissance disponible, taille de terminal, interférences...) • Bande passante nécessaire pour 0.5 Tbps : B = 500 × 109 / log2(11) = 145 GHz ! C 3.2 - 8 GHz Ku 12 - 17.5 GHz Ka 17.5 - 35 GHz Q/V 37 - 52 GHz W 70 - 90 GHz Bandes de fréquences avec des allocations Satcom C 0.5 GHz Ku 1 GHz Ka 5 GHz Q/V 10 GHz W 10 GHz Largeur de bande disponible pour les services Satcom 2 / 12 Soirée des grands prix SEE 2015 Propagation en bande Ka et Q/V pour les systèmes Satcom Contexte Satellite de télécommunication Utiliser les bandes Ka et Q/V permet de garder un nombre de spots et de stations sols raisonnable Bande Ka Bande Q/V Couverture utilisateur Stations sol Lien utilisateur Réutilisation massive de fréquence selon un schéma cellulaire : → bande Ka : 4 spots/3 GHz → 200 spots pour obtenir 500 Gbps Lien station d’ancrage Séparation géométrique des stations sols pour réutilisation complète des fréquences : → 15 stations sols nécessaires en bande Q/V Très fortes atténuations des ondes EM lors de la traversée de l’atmosphère suivant les conditions météorologiques à ces bandes de fréquence 3 / 12 Soirée des grands prix SEE 2015 Propagation en bande Ka et Q/V pour les systèmes Satcom Effets de propagation dans l’atmosphère à haute fréquence Différents effets - Atténuation • Causée par les hydrométéores (gouttelettes d’eau nuageuse ou sous forme de pluie) • Causée par les gaz atmosphériques - Dépolarisation • Causée par l’anisotropie des cristaux de glace ou des gouttes de pluie. - Scintillation • Due aux inhomogénéités d’indice de réfraction de l’air causées par la turbulence. Atténuation spécifique due à la pluie 0 20 40 60 80 100 Fr´equence GHz 0 5 10 15 20 25 30 35 Att´enuationsp´ecifiquedB/km 1 mm/h 10 mm/h 100 mm/h Atténuation spécifique due aux gaz dans une atmosphère tempérée 20 40 60 80 100 Fr´equence GHz 0 1 2 3 4 5 Att´enuationsp´ecifiquedB/km Vapeur d’eau Oxyg`ene Air humide Pertes de propagation allant jusqu’à plusieurs dizaines de dB à compenser pour maintenir une disponibilité satisfaisante 4 / 12 Soirée des grands prix SEE 2015 Propagation en bande Ka et Q/V pour les systèmes Satcom Effets de propagation dans l’atmosphère à haute fréquence Compensation adaptatives des affaiblissements Atténuation sur une liaison entre une station sol et un satellite à 50GHz données par les Recommandations UIT Peu efficace d’utiliser une marge de puissance fixe pour compenser les pertes : → Besoin de compensation adaptative des affaiblissements Différentes méthodes de compensations : • Contrôle de puissance : limité en amplitude, • Modulation et codage adaptatif : baisse du C/N requis et de l’efficacité spectrale, • Diversité de site : redondance de stations sol suffisamment lointaines pour réduire les pertes de propa. Besoin de données sur les fluctuations et corrélations du canal de propagation pour dimensionner ces systèmes • Par des mesures expérimentales, ayant une représentativité limité, • Par le biais de simulations, pour étendre les configurations expérimentales étudiées. 5 / 12 Soirée des grands prix SEE 2015 Propagation en bande Ka et Q/V pour les systèmes Satcom Caractérisation expérimentale Caractérisation expérimentale du canal de propagation Mesures de puissance d’un signal non modulé émis par des satellites GEO Expérimentations à 40 GHz en cours avec le satellite Alphasat de l’ESA en collaboration avec plusieurs organismes européens. 6 / 12 Soirée des grands prix SEE 2015 Propagation en bande Ka et Q/V pour les systèmes Satcom Modélisation des effets de propagation Simulation spatio-temporelle du canal de propagation Objectif des modèles développés • Obtenir des séries temporelles de fluctuations du canal de propagation corrélées dans l’espace et dans le temps, • Statistiquement réalistes en comparaison des données expérimentales. Méthode : - Simulation de champs aléatoires corrélés : corrélation extraite de bases de données de radar météo - Forçage de la moyenne des champs par des données météorologiques passées (réanalyses) pour les constituants atmosphériques - Conversion des champs aléatoires Gaussien en champs de paramètres météo connaissant la climatologie locale - Conversion des paramètres météorologiques en paramètres de propagation. Conversion champ Gaussien → champ de précipitation Simulated rain rate field mm/h 19.5h Rain amount ERA-40 Wind direction and speed Exemple de champ de précipitation généré sur l’Europe 7 / 12 Soirée des grands prix SEE 2015 Propagation en bande Ka et Q/V pour les systèmes Satcom Modélisation des effets de propagation Simulation spatio-temporelle du canal propagation possibilité d’obtenir des séries temporelles : • d’atténuation totale • statistiquement réalistes, • sur de longues durées, • corrélées dans l’espace, • paramétrables en position, fréquence, polarisation... Alternatives à l’utilisation de modèles stochastiques : → Utilisation de modèles météorologiques à haute résolution (≈ 1km) → Conversion des sorties en paramètres radio-climatiques. - Très coûteux en calcul - Pas nécessairement cohérent avec les modèles utilisés pour le bilan de liaison - Réalisme des sorties générées. Coupe longitudinale de contenus spécifiques en hydrométéores simulés par WRF 8 / 12 Soirée des grands prix SEE 2015 Propagation en bande Ka et Q/V pour les systèmes Satcom Application au dimensionnement des systèmes Diversité de stations sol GW1 GW2 GW3 GW4 GW5 GW6 UBG1 UBG2 UBG3 UBG4 • • • • • • • • • • • Possibilité d’utiliser la décorrélation spatiale des fortes pertes de propagation en ajoutant quelques stations sols redondantes • La combinatoire rend le système plus efficace qu’une duplication deux à deux des stations sols. • Besoin de séries temporelles d’atténuation réalistes pour dimensionner la disponibilité du système Disponibilité du système fonction de la disponibilité d’une station sol 9 / 12 Soirée des grands prix SEE 2015 Propagation en bande Ka et Q/V pour les systèmes Satcom Application au dimensionnement des systèmes Dimensionnement de la bande passante utilisée par un système adaptatif 10 / 12 Soirée des grands prix SEE 2015 Propagation en bande Ka et Q/V pour les systèmes Satcom Bilan/Perspectives Bilan/Perspectives • Premiers satellite utilisant la bande Q/V pour les liens avec les stations sols prévus à horizon 2020. • Le fonctionnement de ces systèmes repose largement sur les techniques de compensations des affaiblissements et les modélisations de canal associées (diversité, modulation adaptative...) • Contrôle des systèmes, à l’aide de prévisions ou données météorologique à développer à courte échéance • Adaptation des modèles de propagation pour traiter d’autres types de problèmes : • lien de communications avec UAV, portée radar ou déformation de forme d’onde de radar altimétrique à haute fréquence... • Caractérisation de la propagation des bandes W /THz / Optique pour les liens terre espace. 11 / 12 Soirée des grands prix SEE 2015 Propagation en bande Ka et Q/V pour les systèmes Satcom Remerciements Merci de votre attention ! Remerciements • Collègues permanents, doctorants et stagiaires du département Electromagnétisme et Radar de l’ONERA Toulouse pour les échanges scientifiques fructueux et pas seulement... • Équipes du CNES et de l’ESA pour leur soutien actif et récurrent sur la thématique 12 / 12