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Les sous-reseaux air↔sol
Tout reseau utilise pour e ectuer des transmissions sol-bord requiert necessaire-ment un sous-reseau air↔sol. Actuellement, deux approches sont employees : les systemes dit \cellulaires », pour lesquels les transmissions radio se font directe-ment entre des stations sol et les avions, et les systemes par satellite pour lesquels un satellite (ou une constellation de satellites) sert de relais entre les avions et une infrastructure au sol. Nous decrivons les principaux sous-reseaux concus pour l’acheminement des communications critiques (ATSC et AOC). Les performances de ces systemes sont resumees dans le tableau 2
Systemes a lien direct
Dans ce type de sous-reseaux, toutes les transmissions air↔sol s’e ectuent direc-tement entre un avion et une station au sol. Ces sous-reseaux sont parfois quali es de \cellulaires ». En e et, ils doivent cette denomination au fait que la position des stations sol et leur portee radio de nissent des \cellules », zones geographiques en dehors de laquelle les communications vers la station sol sont impossibles. Un sys-teme cellulaire introduit diverses contraintes, concernant par exemple la gestion des frequences (deux cellules adjacentes ne doivent pas utiliser la m^eme frequence sous peine de brouiller leurs transmissions mutuelles) ou encore les handover entre deux stations sol. De plus, les capacites annoncees doivent ^etre partagees entre tous les appareils presents dans la zone couverte par une station. Nous presentons les systemes a lien direct les plus remarquables, qu’ils soient deja operationnels ou en developpement.
L’ACARS, introduit precedemment, est le premier systeme datalink cellulaire deploy operationnellement. Son segment air↔sol o re un debit binaire de 2,4 kbit/s en utilisant des canaux de 25 kHz, reserves dans la bande VHF initialement des-tinee aux communications vocales. Ces transmissions dans la bande VHF ont une portee de l’ordre de 200 km.
La HFDL (High Frequency Data Link) a et developpee a n de permettre aux avions situes hors des zones de couverture VHF (par exemple zones oceaniques, deserts) d’e ectuer des transmissions datalink. Gr^ace au fait que les transmissions dans la bande HF \suivent » la courbure de la terre, ce systeme permet de tres grandes portees et o re une couverture globale avec un petit nombre de station sol. La contrepartie de cette grande portee est que les debits proposes sont tres faibles (de 300 a 1800 b/s selon le rapport signal a bruit recu). En n, la methode de partage utilisee, le TDMA (Time Division Multiple Access), utilise des trames de 32 s divisees en 13 sous-trames, ce qui conduit a des delais pouvant depasser la minute.
La VDL2 (VHF Data Link mode 2) est le principal systeme de communication datalink deploy dans les zones continentales (en particulier en Europe de l’ouest). Elle a ete speci ee en 1997 par l’OACI a n de servir de support a l’ATN. Elle repose sur un reseau de stations sol o rant une portee d’environ 200 km pour un debit binaire de 31,5 kbit/s. La VDL2 utilise le protocole AVLC (Aviation VHF Link Control) pour sa couche de liaison, et un protocole base sur du CSMA (Carrier Sense Multiple Access) pour sa sous-couche MAC (Medium Access Control).
Le LDACS (L-band Digital Aeronautical Communication System) est quant a lui un systeme en cours de developpement dans le cadre du projet europeen SESAR (Single European Sky ATM Research). Comme son nom l’indique, il fonctionnera dans la bande L (entre 1,4 GHz et 1,5 GHz) avec des portees comparables a la VDL2 (environ 220 km). Deux technologies sont a l’etude : LDACS1, base sur du FDMA (Frequency Division Multiple Access) avec des modulations de type OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) qui fournirait un debit total de 2,6 Mbit/s, et LDACS2, base sur du TDMA avec des modulations de type GMSK (Gaussian minimum-shift keying) qui fournirait un debit de l’ordre de 115 kbit/s. Il est prevu que ce systeme soit operationnel en 2020.
Systemes par satellite
Les systemes de communication par satellite reposent sur l’utilisation de ces der-niers en tant que relais dans des communications air↔sol. La position de ces sa-tellites en orbite autour de la Terre permet a ces systemes de couvrir une grande zone geographique. Nous presentons les deux systemes certi es par l’OACI pour les communications aeronautiques.
La societ Inmarsat propose des services appeles \classic aero » qui reposent sur l’utilisation de satellites geostationnaires, ce qui lui permet d’assurer une couverture mondiale (a l’exception des zones polaires, au dela de 75° de latitude). Operant en bande L, ce systeme propose des debits allant de 1,2 kbit/s par avion (service aero L) jusqu’a 10,5 kbit/s (services aero H/H+) en utilisant une antenne a haut gain.
Ensuite, la societ Iridium propose quant a elle un service pour les communica-tions critiques base sur une constellation de 66 satellites en orbite basse. Contraire-ment aux satellites geostationnaires, ces satellites de lants couvrent aussi les zones polaires. Le debit o ert par avion est de 2,4 kbit/s.
En n, le systeme de communication par satellite IRIS est developp dans le cadre du projet SESAR. Il proposera des communications allant jusqu’a plusieurs dizaines de kbit/s en utilisant un satellite geostationnaire.
Organisation de ce memoire
Dans ce chapitre, nous avons decrit le contexte dans lequel s’inscrit cette these : les communications aeronautiques. Le reste de ce memoire est compose de cinq chapitres.
Dans le premier chapitre, nous decrivons en detail le concept de reseau ad hoc aeronautique et ses speci cites. Nous presentons aussi des applications qui pourront bene cier de ce type de reseaux, ainsi qu’un exemple de tra c aerien dans lequel les AANET pourront ^etre utilises en complement des systemes de communication classiques.
Le deuxieme chapitre est consacre aux communications d’avion a avion a travers l’etude de la problematique d’attribution des codes dans un systeme de commu-nication CDMA. Apres avoir identi une methode appropriee dans la litterature, nous proposons deux modi cations a cette derniere a n d’en ameliorer les perfor-mances dans les AANET. L’impact de ces ameliorations est quanti e dans une topologie en etoile ainsi que dans une topologie realiste basee sur le rejeu de tra-jectoires d’avions reelles.
Dans le troisieme chapitre, nous proposons un nouvel algorithme de routage qui utilise le concept de routage par trajectoire. En particulier, nous decrivons notre approche de calcul des trajectoires basee sur des geodesiques qui prennent en compte la densit locale d’avions. Les performances de cet algorithme sont comparees a celles d’algorithmes classiques dans une topologie realiste.
Les performances de l’architecture complete sont etudiees dans le quatrieme chapitre a travers deux exemples d’applications realistes du domaine du contr^ole aerien.
Nous presentons nos conclusions dans le dernier chapitre de ce memoire. Nous y resumons les contributions de cette these, et nous presentons des pistes a explorer pour completer et etendre la portee de nos travaux.
Presentation des reseaux ad-hoc aeronautiques
Definitions
Un reseau ad-hoc est un reseau dans lequel chaque n ud peut ^etre une source, une destination et un relais pour les donnees transportees par le reseau. Ainsi, ces reseaux ne reposent pas sur une infrastructure. Les transmissions de bout en bout a l’interieur d’un reseau ad hoc utilisant generalement un ou plusieurs relais, on utilise aussi l’expression de \reseau multisaut » (multihop network dans la litterature anglophone). Les reseaux ad-hoc peuvent ^etres regroupes en classes qui possedent des caracteristiques communes.
La classe des MANET (Mobile Ad hoc NETwork) regroupe tous les reseaux ad-hoc dont les n uds sont mobiles. Cette mobilite rend la topologie du reseau dynamique et l’utilisation de liens \sans l » obligatoire. Cela a conduit a de nombreux travaux visant a adapter des protocoles existants ou a en creer de nouveaux, en particulier concernant le routage.
Un reseau de la classe des VANET (Vehicular Ad hoc NETwork) est un reseau dont les n uds sont des vehicules terrestres, generalement en mouvement. Cette mobilite fait de la classe des VANET une sous-classe des MANET. Cependant, dans un VANET, les deplacements des n uds respectent certaines contraintes inherentes aux regles de la circulation routiere. Par exemple, les mouvement des vehicules sont restreints aux routes et leur vitesse est limitee.
Par analogie avec les VANET pour les vehicules terrestres, les AANET sont de nis comme des reseaux ad hoc dont les n uds sont des avions en vol [SJK06] (cf gure 1.1). Nous proposons de les utiliser comme infrastructure de communi-cation pour les transmissions \datalink » air↔air ou air↔sol, en complement des technologies presentees dans l’introduction de ce memoire.
A n de permettre la communication entre un n ud d’un reseau ad-hoc et des services localises dans un autre reseau, des n uds passerelles vers des reseaux au sol (appelees gateway dans la litterature) sont necessaires. Dans le cas des AANET, ce sont des stations sol qui seront considerees comme les passerelles permettant des echanges entre les avions et un service au sol.
Table des matières
Introduction
Les communication dans l’aviation civile
De la voix aux échanges de données numériques
Classification des communications sol-bord évolution des besoins en datalink
Les moyens de communication \datalink »
Historique
Les sous-réseaux air$sol
Organisation de ce mémoire
1 Les réseaux ad hoc aéronautiques
1.1 Présentation des réseaux ad-hoc aéronautiques
1.1.1 Définitions
1.1.2 Caractéristiques des AANET
1.1.3 Intér^ets des AANET par rapport aux solutions existantes
1.1.4 Exemples d’applications
1.1.5 Les AANET dans la littérature
1.2 Mouvement des noeuds dans un AANET
1.2.1 Règles de séparation
1.2.2 Un exemple de trafic structuré : les NAT
1.2.3 Données de positions utilisées pour nos simulations
Résumé du chapitre
2 Attribution des codes d’étalement
2.1 L’attribution des codes d’étalement dans un système CDMA
2.1.1 Problématique
2.1.2 Caractéristiques des AANET
2.1.3 Caractérisation des méthodes d’attribution des codes
2.1.4 Méthodes existantes dans la littérature
2.1.5 Choix d’une méthode
2.2 Description détaillée du RP-CDMA
2.2.1 Principe
2.2.2 Structure de la trame
2.2.3 Détection multipaquet
2.3 Contributions
2.3.1 Agrégation des paquets
2.3.2 p-persistance
2.4 Modélisation et Adaptation du RP-CDMA au cas des AANET
2.4.1 Hypothèses de modélisation
2.4.2 Paramètres déterminés a priori
2.4.3 Optimisation des paramètres
2.5 évaluation des performances
2.5.1 Résultats avec le modèle simplié
2.5.2 Résultat avec une topologie réelle
Résumé du chapitre
3 Routage dans les AANET
3.1 Le routage dans les AANET
3.1.1 Problématique
3.1.2 Contraintes spéciques aux AANET
3.1.3 Caractérisation des algorithmes de routage
3.2 Le routage par trajectoire
3.2.1 Principe du TBR
3.2.2 Intér^ets du TBR
3.2.3 Problématiques secondaires du TBR
3.2.4 Le TBR dans la littérature
3.3 Proposition d’une méthode de calcul des geopath
3.3.1 Calcul de la densité d’avions
3.3.2 Calcul des geopaths
3.4 Le protocole NoDe-TBR
3.4.1 Le calcul des geopath dans NoDe-TBR
3.4.2 Format des paquets
3.4.3 Le suivi des trajectoires
3.4.4 Hypothèses et modélisation
3.5 évaluation des méthodes de forwarding
3.5.1 Scenario
3.5.2 Métriques
3.5.3 Résultats
3.5.4 Discussion
3.6 évaluation des performances de NoDe-TBR
3.6.1 Choix des algorithmes de référence
3.6.2 Métriques
3.6.3 Résultats
3.6.4 Discussion
Résumé du chapitre
4 évaluation des performances sur la base d’applications réalistes
4.1 Description des modèles et scénarios
4.2 Sauvegarde des boites noires
4.2.1 Modélisation du trac applicatif
4.2.2 Résultats
4.2.3 Discussion
4.3 Applications du COCR
4.3.1 Modélisation du trac
4.3.2 Résultats
4.3.3 Discussion
Résumé du chapitre
5 Conclusions
5.1 Contributions de la thèse
5.1.1 Méthode d’accès au canal : RP-CDMA
5.1.2 Routage par trajectoire : NoDe-TBR
5.1.3 évaluation des performances avec des applications réalistes
5.2 Perspectives
5.2.1 Méthodes d’accès hétérogènes
5.2.2 Routage par trajectoire
5.2.3 Couche de transport
5.2.4 Applications d’avion à avion
Annexes
