Au cours des 20 dernières années, le domaine des systèmes satellitaires a subi des changements spectaculaires : la prolifération de solutions technologiques commerciales innovantes et abordables, ainsi que les progrès de la technologie de la microélectronique et des microsystèmes ont entraîné une diminution constante de la taille des composants des satellites, permettant Des satellites de plus petite taille, tels que les petits satellites (poids inférieur ou égal à 1000 kg), les microsatellites (poids 10-100 kg), les nanosatellites (poids 1-10 kg) et les pico-satellites (poids 0,1- 0,99 kg).
À ce jour, le principal moteur du développement des petits satellites a été les domaines de l'observation de la Terre et de la télédétection, qui ont largement comblé le fossé "manque de données" dans de nombreuses industries verticales (par exemple, l'agriculture, la lutte contre les catastrophes, la foresterie et la faune). Cependant, à mesure que les nouveaux investissements dans le développement de constellations géantes de satellites pico/nano qui fournissent des communications mondiales augmentent et que le rôle des satellites dans les communications machine à machine (M2M) augmente, l'industrie s'intéresse de plus en plus à l'utilisation de petits satellites. développer des systèmes distribués de satellites interconnectés.Avec un intérêt croissant, les recherches se sont tournées vers le domaine des télécommunications. Cet article donne un aperçu des avancées et tendances récentes dans l'espace des petits satellites, avec un accent particulier sur les télécommunications, telles que l'utilisation de bandes de fréquences plus élevées et les communications optiques, les protocoles et les architectures.
01. Une brève description de l'histoire du développement des petits satellites
Depuis le début de l'ère spatiale jusqu'à ses derniers développements, les communications par satellite ont été l'un des indicateurs les plus fiables des progrès technologiques et sociétaux : en effet, au cours des dernières décennies, il y a eu des réalisations et des transformations étonnantes et incroyables dans de nombreux domaines, y compris la radiodiffusion, les communications mobiles, l'observation de la Terre et la télédétection, l'exploration interstellaire, la transmission et la surveillance à distance, et plus encore, y compris les applications commerciales, civiles et militaires. Cependant, il convient de souligner que depuis la fin de la Seconde Guerre mondiale, les systèmes satellitaires ont subi des changements fondamentaux et systémiques, et leurs performances ont été parfaitement adaptées aux besoins changeants de la société et des marchés ; d'autant plus que dans la première décennie après la guerre, institutions gouvernementales et étatiques C'était un acteur majeur dans la conception de missions satellitaires et le développement de systèmes satellitaires au début de la course à l'espace, mais ces dernières années, les entreprises privées ont également joué un rôle de plus en plus important dans cette industrie stratégique.
La privatisation des principales organisations internationales de satellites à la fin du siècle dernier a également contribué à cette tendance et généré des revenus substantiels, comme le montre la figure 1. Dans le cas des terminaux à très petite ouverture (VSAT) et des systèmes satellitaires à large bande, les mêmes tendances d'incitations aux forces du marché et de déréglementation ont été observées depuis le lancement des satellites jusqu'à leur déploiement réussi, comme le montre la figure 1.
Figure 1 Chiffre d'affaires annuel d'INTELSAT, EUTELSAT et INMARSAT (gauche) Volume annuel des ventes de terminaux VSAT (droite)
D'autre part, la fin du XXe siècle a également été le début de l'exploration d'un nouveau paradigme basé sur les soi-disant petits satellites, qui sont beaucoup plus petits en taille et en poids que l'orbite géostationnaire géante (GEO) ou la grande orbite terrestre moyenne. (MEO) et satellites en orbite terrestre basse (LEO). Ces nouveaux systèmes sont définis comme micro (micro), nano (nano) et pico (pico) satellites selon leur taille. Les premières missions de petits satellites étaient principalement organisées et exécutées par des organismes de recherche universitaires et des instituts de recherche, dans le but de réaliser une certaine démonstration technologique ou une vérification d'application.
Ces premières tentatives ont jeté les bases de la réalisation et de l'utilisation de satellites à très bas coût. Des études ont montré que le coût estimé de production et de lancement d'un seul petit satellite se situe entre 100000 $ et 200000 $ : si un petit satellite est partagé, le coût de lancement par kilogramme peut être réduit à quelques milliers d'euros.
En conséquence, ces caractéristiques sans précédent des petits satellites ont été très bien accueillies par les forces du marché qui ont proliféré au cours des trois dernières décennies et ont lancé une nouvelle vague d'exploration spatiale, avec des applications initialement ciblées et bien ciblées, notamment des applications civiles, militaires et commerciales. Observation de la Terre et communications, etc. La figure 2 montre quelques chiffres approximatifs pour illustrer l'intensité de la course à la nouvelle exploration spatiale.
Figure 2 Nombre de petits satellites au cours des 15 dernières années
Au total, 551 satellites ont été lancés entre 2010 et 2015 ( < 400 kg), avec un objectif prévu de 1380 lancements supplémentaires au cours des cinq prochaines années. La figure 2 montre l'évolution du nombre de lancements de petits satellites.
Par ailleurs, les trois grandes constellations de communication par satellite et d'observation de la terre représentent 38 %, et cette proportion passera à 68 % dans les cinq prochaines années, portée par plusieurs grands projets. L'analyse de cet article révèle le principal moteur du développement à grande échelle des petits satellites : la relative facilité de construction des constellations. Ceci est discuté plus tard, avec un accent sur les communications inter-satellites.
Enfin, il faut présenter le principal contributeur à la croissance massive du nombre de petits satellites : les "CubeSats". Les CubeSats sont l'objectif d'un projet lancé à l'Université de Stanford en 1999 pour obtenir des satellites à très faible coût/poids qui peuvent être rapidement développés et utilisés à des fins éducatives. L'Université de Stanford, en collaboration avec Caltech, a développé la spécification CubeSat dans le but d'obtenir un satellite personnalisable avec une forme et un poids standard pour simplifier les opérations de lancement et de déploiement. Comme nous le savons tous, un CubeSat est composé d'une (1U) ou plusieurs (nU) cellules de 10cm´10cm´10cm, chacune avec une masse allant jusqu'à 1,33 kg. En raison des caractéristiques des CubeSats, les sous-systèmes peuvent être standardisés et peuvent même être achetés dans des magasins en ligne en tant que produits commerciaux prêts à l'emploi, garantissant ainsi des coûts de mission extrêmement faibles.
Les caractéristiques uniques des solutions CubeSat sont importantes pour la croissance rapide des petites missions satellitaires et des entreprises dont les marchés spatiaux émergents constituent leur cur principal, tels que Terra Bella, Spire, Planet Labs et OneWeb, qui développent des mégaconstellations de petits engins spatiaux en orbite basse. Le développement est très important.
02. Aperçu des services, applications et tendances de développement des petits satellites
Vers 2000, les petits satellites ont été en mesure d'utiliser correctement des solutions technologiques innovantes prêtes à l'emploi (COTS) (matériel et logiciel) pour parvenir à une concurrence et à une rentabilité efficaces. La croissance réussie des services modernes de petits satellites couvre un grand nombre de contextes d'application et nécessite donc une analyse basée sur une nouvelle approche de gestion que les petites organisations satellites commencent à adopter - les méthodes agiles. Issu de l'industrie informatique, ce paradigme est basé sur une approche de conception hautement itérative, c'est-à-dire avec des objectifs, des tâches et des exigences clairement définis ; des modifications incrémentielles de la conception pour obtenir une amélioration continue des performances du système ; un délai court et un faible coût. Les méthodes agiles et l'exploitation des dernières technologies prêtes à l'emploi représentent les deux principaux moteurs de la nouvelle ère spatiale.
Cette section présente brièvement les principales applications et services des petits satellites.
(1) Observation de la Terre et télédétection. À ce jour, les principales utilisations des micro/nano-satellites ont été l'observation de la Terre et la télédétection. De nombreuses mesures ou observations distribuées (surveillance des ressources terrestres, surveillance météorologique et surveillance des catastrophes) peuvent être effectuées simultanément via une grande constellation de satellites, et les données collectées ont une résolution temporelle plus élevée (c'est-à-dire des temps de revisite plus courts).
L'utilisation plus large de petits satellites pour l'observation de la Terre et la télédétection nécessite des liaisons avec des débits de données de plus en plus élevés afin que les informations acquises puissent être téléchargées dans un court laps de temps.
(2) Tâches de démonstration scientifique et technologique. Les microsatellites et les nanosatellites permettent un accès plus large à l'espace et constituent un moyen abordable de tester des systèmes prototypes et d'expérimenter de futurs concepts de satellites. Pour y parvenir, la NASA a créé le lancement éducatif des nanosatellites de la NASA (ELaNa), un programme destiné aux étudiants de plusieurs disciplines (sciences, technologie, ingénierie et mathématiques). De nombreuses missions CubeSat de l'Agence spatiale européenne (ESA) ont été financées dans le cadre de la partie "Démonstration en orbite" du programme de technologie de soutien général (GSTP), notamment : GOMX-3 et GOMX-4B pour démontrer les nouvelles capacités des nanosatellites ; les démonstrations QARMAN pour la ré- technologie d'entrée (QubeSat pour les études thermodynamiques et les mesures de l'air ablatif lors de la rentrée) ; PICASSO ( Picosatellites pour les observations des sciences de l'atmosphère et de l'espace) ; RadCube, qui surveille le rayonnement cosmique et les conditions météorologiques spatiales en temps réel ; et PRETTY (Passive Reflec Tome TrY ), un nanosatellite qui mesure et enregistre l'épaisseur des glaciers ou des glaces polaires et le mouvement des vagues océaniques.
(3) Missions d'exploration interstellaire. Les petites plates-formes satellitaires ont ouvert de nouvelles frontières dans l'exploration spatiale, en particulier l'émergence de technologies génériques émergentes et de lanceurs hautes performances, ouvrant de nombreuses opportunités pour l'exploration lunaire et planétaire future. La NASA et l'Agence spatiale européenne (ESA) utilisent le modèle Interstellar CubeSat pour soutenir une gamme de missions et de recherches, des observations de Mars et de la Lune aux études de météoroïdes et d'astéroïdes. Certaines de ces études incluent : MarCO (Mars CubeSat 1), NEA Scout (« Near-Earth Asteroid Sentinel »), LUCE (Lunar Exploration CubeSat), LUMIO (Lunar Asteroid Impact Observatory), VMMO (Volatiles and Minerals) Mapping Orbiter), Lunar Flashlight ("Lunar Flashlight") et la série Arkyd de petits satellites.
(4) Services de communication. Les petits microsatellites et nanosatellites qui composent la constellation peuvent être utilisés pour assurer la distribution de données (applications de diffusion) et l'échange de données (paradigmes Internet des objets et M2M), et pour étendre l'accès à Internet à l'échelle mondiale. Selon Space Works Market, les constellations de communications microsatellites et nanosatellites, actuellement en phase de démonstration technologique, serviront et soutiendront les marchés en croissance rapide de l'IoT et du M2M au cours des prochaines années. Les principaux opérateurs de communication proposant des services IoT/M2M et de relais de données incluent SkySpace Global, Kepler Communications, Hiber, Helios Wire, Astrocast, Blink Astro, Fleet Space et Myriota.
La figure 3 montre les tendances récentes des applications des micro/nano-satellites. Bien que l'analyse souligne que l'utilisation principale des micro/nanosatellites reste l'observation de la Terre et la télédétection, les constellations de communications devraient également se développer. Selon les prévisions de Space Works, environ 700 micro/nano satellites de communication seront lancés dans les cinq prochaines années.
Figure 3 Prévisions du marché des nanosatellites (2018)
(5) Applications commerciales, civiles et militaires. Les transports, les environnements intelligents (y compris la surveillance à distance), la qualité de vie et la sécurité sont les principaux scénarios d'application pour les petits satellites, les microsatellites et les nanosatellites. À titre d'exemples de constellations de nanosatellites commerciaux, AerialMaritime et SkySpace Global sont deux des missions commerciales de GomSpace : la première est axée sur le suivi des aéronefs et des navires pour la connaissance de la situation, et la seconde fournira une infrastructure de communication mondiale dans l'espace. En outre, Astrocast a un programme pour fournir des services M2M mondiaux pour la surveillance à distance, le positionnement, la collecte intelligente de données et la maintenance prédictive.
La figure 4 montre l'analyse des tendances de SpaceWorks sur les opérateurs de nano/microsatellites, y compris les opérateurs militaires (destinés à soutenir les activités de défense), les opérateurs commerciaux (destinés à mener des activités à but lucratif) et les opérateurs civils (non militaires ou non militaires) à but lucratif. faire des activités).
Figure 4 Prévisions du marché des nano/microsatellites (2018)
03. Développement de petites charges utiles de communication par satellite
Les petits satellites étaient principalement utilisés comme plates-formes pour les universités et les projets de R&D technologique au début, et leurs charges utiles étaient envisagées pour effectuer des tâches très simples, telles que la transmission de balises, le stockage ou la transmission d'une simple collecte de capteurs à des débits de données très faibles (1 ~ 9,6 kbps ). Les données. Les fréquences radio amateurs UHF sont utilisées et exploitées principalement via le protocole standard AX.25. À ces basses fréquences, des antennes filaires (dipôles, monopôles et antennes hélicoïdales) sont souvent utilisées car les longueurs d'onde sont longues et il est difficile d'obtenir une bonne efficacité de rayonnement dans un petit appareil. Un grand nombre de CubeSats dans l'espace utilisent actuellement des antennes filaires pour simplifier la mise en uvre. De plus, les antennes dipôles sont une alternative viable pour les communications inter-satellites en raison de leur omnidirectionnalité. L'essor des applications émergentes nécessite que les petits satellites transmettent à des débits de données plus élevés ou effectuent des tâches plus complexes, tout en restant petits et légers, nécessitant une plus grande bande passante et des bandes de fréquences plus élevées, le besoin d'implémentation numérique et de contrôle logiciel augmentant également.
3.1 Développement de petites charges utiles de communication par satellite dans les bandes de fréquences et les antennes
Ces dernières années, en raison de l'avènement des circuits intégrés monolithiques hyperfréquences (MMIC) disponibles dans le commerce, l'industrie a de plus en plus utilisé des fréquences plus élevées au lieu des bandes VHF/UHF habituelles (telles que la bande S principalement pour la télémétrie et la bande X pour la transmission de données). ).bande). Le passage à des bandes de fréquences plus élevées signifie des exigences supplémentaires sur la conception des engins spatiaux, principalement dans les systèmes d'alimentation et les antennes. Par exemple, à des fréquences supérieures à la bande S, le rendement des amplificateurs à semi-conducteurs haute puissance passe de 80 % (dans la bande UHF) à 30 %. A cette fréquence, les antennes les plus couramment utilisées sont encore les antennes filaires ou planaires, telles que les antennes patch et slot. Les antennes patch sont particulièrement adaptées aux CubeSats car elles sont relativement faciles à fabriquer. Les chercheurs ont étudié un certain nombre de conceptions d'antennes patch en bande S. La liaison descendante en bande S devrait être capable de débits de données de 100kbps à 1Mbps. L'obtention de débits de données plus élevés nécessite l'utilisation de bandes de fréquences plus élevées, telles que les bandes Ku, K et Ka, qui sont bien établies dans les gros engins spatiaux mais qui sont encore des technologies émergentes dans les petits satellites. L'émetteur CubeSat en bande Ka est en orbite depuis 2015. À des fréquences plus élevées, des antennes à réflecteur à gain élevé qui répondent aux exigences strictes de taille et de poids des petits satellites peuvent également être utilisées. Les antennes Reflectarray conviennent également car elles offrent un gain élevé et s'intègrent facilement aux structures CubeSat. Une antenne à réseau réflecteur se compose d'un panneau plat qui peut être plié et rangé sur un CubeSat.
En fait, les petits satellites sont également un moyen économique et réalisable de tester de nouvelles bandes de fréquences (telles que la bande W) pour les communications par satellite (y compris les composants matériels et les canaux de propagation). La motivation pour étudier de telles bandes hautes fréquences est principalement de répondre aux besoins en bande passante des satellites à haut débit. D'autre part, ces bandes de fréquences peuvent également être utilisées pour des liaisons inter-satellites de petits satellites. Dans les bandes Q/V et W, les antennes cornet sont une option viable pour les petits satellites, offrant un gain élevé.
Le besoin de débits de données plus élevés, d'un faible coût et d'une petite taille a également conduit les chercheurs à se concentrer sur les communications optiques en espace libre (FSO), en particulier pour les liaisons inter-satellites.
3.2 Développement de terminaux de communication laser pour petits satellites et CubeSat
Ces dernières années, la communication optique en espace libre est devenue une alternative mature aux systèmes de communication RF traditionnels. La technologie est passée de la recherche à l'application opérationnelle alors que des systèmes tels que le système européen de relais de données (EDRS) commencent à utiliser des terminaux de communication laser dans leurs liaisons inter-satellites. Il y a également eu un certain nombre de démonstrations ces dernières années concernant les liaisons descendantes des satellites vers la Terre, telles que l'expérience du petit transpondeur optique (SOTA) à l'Institut national des technologies de l'information et des communications ; et le Laboratoire de propulsion par réaction de la NASA (NASA-JPL) Optical Payload for Laser Communications Science (OPALS), qui valide la liaison descendante optique vers la Station spatiale internationale. De plus, Aerospace a démontré une liaison descendante optique 1.5U CubeSat. Il existe même des études démontrant un lien optique de la Lune à la Terre.
Plus récemment, d'autres missions de démonstration sont prévues, telles que la mission Transmit Terabyte Infrared (TBIRD) de la NASA pour démontrer une liaison à 100 Gbit/s entre les CubeSats et le sol, et le projet de liaison descendante optique spatiale infrarouge (OSIRIS) du Centre aérospatial allemand (DLR) pour démontrer liaisons descendantes de petits satellites et CubeSats vers la Terre.
Les systèmes de communication optique pratiques actuels pour les applications de petits satellites utilisent des terminaux qui pèsent environ 5 kg et consomment environ 50 W de puissance, et peuvent atteindre des débits de données d'environ 10 Gbps. En ce qui concerne l'application CubeSat, la figure 5 montre la mise en uvre du CubeSat OSIRIS4 à titre d'exemple. Le terminal pèse environ 300 grammes et consomme environ 8 W. Il ne prend que 0,3 U d'espace à l'intérieur du CubeSat et peut atteindre un débit de données de 100 Mbps.
Figure 5 Modèle CAO du terminal OSIRIS4 CubeSat (image de gauche) et plan d'intégration du terminal CubeSat 1U (image de droite)
Un défi important pour les communications optiques satellite-terrestre est que la couverture nuageuse affecte sa disponibilité. Cette lacune peut être surmontée grâce à un réseau mondial de stations terrestres optiques. Les problèmes causés par la disponibilité limitée de la liaison satellite-sol peuvent être surmontés en utilisant une mémoire tampon suffisante sur le satellite. Alors que la plupart des stations terrestres optiques actuellement disponibles sont construites principalement à des fins de recherche, les opérateurs du segment sol nouveaux et existants ont exprimé leur volonté de construire l'infrastructure requise comme décrit ci-dessus. Par conséquent, l'utilisation opérationnelle des liaisons optiques (même dans les petits satellites) n'est qu'une question de temps.
3.3. Vers des charges utiles de radio logicielle (SDR)
Depuis le développement initial des petits satellites, une tendance dans la conception de la charge utile a été de concéder des licences commerciales prêtes à l'emploi à faible coût, généralement des composants matériels, vers une mise en uvre numérique. Grâce à la disponibilité de processeurs de signaux numériques modernes à faible consommation d'énergie et à grande vitesse, l'équilibre entre les implémentations matérielles/logicielles penche de plus en plus vers les implémentations logicielles et les concepts SDR. SDR est une évolution des charges utiles reconfigurables flexibles. Un exemple d'une utilisation précoce de la technologie reconfigurable dans l'espace est la charge utile de communication microsatellite FedSat australienne lancée en 2002. La charge utile de communication du microsatellite FedSat utilise des composants FPGA pour le traitement du signal numérique en bande de base et utilise un mode de téléchargement de code qui permet la reprogrammation en orbite. Le besoin de communications radio flexibles et reconfigurables pour soutenir les opérations militaires et de sécurité publique a entraîné l'évolution des dispositifs reconfigurables et reprogrammables vers les SDR, ainsi que les progrès des technologies de mise en uvre connexes telles que les convertisseurs analogique-numérique (ADC), les processeurs à usage général (GPP), les processeurs de signaux numériques (DSP) et les FPGA ont également contribué à cette évolution. Dans les systèmes satellitaires traditionnels, les charges utiles SDR sont considérées comme une mesure technique nécessaire pour assurer une durée de vie plus longue et une utilisation plus efficace des ressources des satellites, mais même ainsi, peu de grands satellites ont adopté les charges utiles SDR jusqu'à présent.
Pour les petits satellites dont la durée de vie n'est que de quelques années, les principales raisons du passage aux charges utiles SDR sont les suivantes : la flexibilité offerte par les charges utiles SDR facilite l'adaptation aux nouvelles opportunités scientifiques et la possibilité de réutiliser des plates-formes spatiales communes pour répondre aux besoins spécifiques des missions , réduisant ainsi les coûts et les risques de R&D. Le SDR peut être utilisé pour prendre en charge une variété de signaux, améliorer les débits de données pour des liaisons inter-satellites et sol-sol fiables, et également aider à remédier au manque de fréquences de communication disponibles dans des bandes de fréquences plus encombrées. En fait, la technologie d'accès dynamique au spectre (DSA) peut également être utilisée lors de l'utilisation du SDR pour une utilisation plus efficace du spectre. À l'heure actuelle, aucune application satellite DSA n'est utilisée, bien que des entreprises comme Tethers Unlimited (États-Unis) travaillent avec le financement de la NASA pour mettre à niveau les plates-formes SDR avec des radios cognitives avancées.
Le défi de cette approche plus numérique est lié à une limitation majeure des petits satellites, la consommation d'énergie. Pour cette raison, les FPGA ont jusqu'à présent été le choix préféré, en particulier pour les débits de données plus élevés des bandes X et Ka, car les FPGA permettent d'effectuer en parallèle des tâches de calcul intensives et chaque cycle d'horloge est utilisé plus efficacement. De plus, les FPGA modernes ont des systèmes de traitement embarqués tels que des curs ARM intégrés à l'intérieur. Il n'y a pas encore de petits satellites utilisant le SDR, et certaines technologies SDR sont en cours de développement, telles que AstroSDR, NanoDockSDR, GAMALINK et STI-PRX-01. La technologie est clairement un hotspot de recherche et développement, avec de plus en plus de chercheurs développant et testant de nouvelles solutions. Certaines études ont utilisé le SDR dans de petits systèmes satellitaires pour concevoir un modèle de communication inter-satellites, facile à reconstruire et prenant en charge le codage/décodage arbitraire, la modulation et d'autres modes de traitement du signal. Dans une autre étude, les chercheurs ont proposé une nouvelle architecture SDR de système embarqué avec des applications potentielles dans les stations terrestres de communication multi-satellites, les réseaux de stations terrestres mobiles déployables et une mise à l'échelle supplémentaire dans les systèmes satellitaires distribués .
Le banc d'essai de communications et de navigation spatiales (banc d'essai SCAN) est un système de communication intégré avancé et une installation de laboratoire installés sur la Station spatiale internationale. Pour développer, tester et démontrer de nouvelles capacités de communication, de mise en réseau et de navigation dans l'environnement spatial, une nouvelle génération de technologie SDR a été intégrée au banc d'essai SCAN. Le banc d'essai SCAN comprend des émetteurs-récepteurs/transpondeurs SDR reconfigurables et reprogrammables fonctionnant en bande S, en bande Ka et en bande L, ainsi que les systèmes RF/antenne requis pour les communications.
04. Nouvelle architecture télécom
Les petits satellites jouent un rôle de plus en plus important dans l'architecture des télécommunications, principalement sous deux aspects : (1) Les petits satellites sont de plus en plus utilisés pour former le segment d'application axé sur l'infrastructure qui prend en charge les architectures de communication existantes (en particulier Internet). . (2) Les petits satellites constituent et/ou utilisent également des architectures de communication entièrement nouvelles et différentes.
4.1. En tant qu'infrastructure de soutien
L'utilisation de satellites en orbite terrestre pour les activités Internet n'est pas nouvelle. De TELSTAR en 1962 à Iridium, Globalstar, Viasat et EchoStar, le marché du relais de données utilisant des liaisons sans fil par satellite s'est rapidement développé. Historiquement, cependant, ces satellites, à la fois les satellites LEO et GEO, ont été encombrants et coûteux. L'application d'un grand nombre de petits satellites dans ce domaine est une nouvelle tendance. Le domaine s'est développé rapidement ces dernières années avec l'introduction de nouveaux concepts, dont beaucoup sont ambitieux, notamment :
(1) La constellation OneWeb devrait initialement se composer de 882 petits satellites de services Internet en orbite LEO, et devrait atteindre 2620 satellites ultérieurement.
(2) Samsung a proposé de construire une constellation de 4600 satellites capables de transmettre 1 milliard de téraoctets de données Internet par mois.
(3) La constellation « Starlink » de SpaceX devrait comprendre jusqu'à 12000 petits satellites LEO, dont la capacité peut transporter jusqu'à 10 % des services Internet locaux dans les zones densément peuplées.
4.2. Adopter une nouvelle architecture
Cependant, en plus de prendre en charge la transmission de services sur Internet, les petits satellites nécessitent également des architectures de télécommunications émergentes plus performantes pour maintenir leurs propres opérations. La coordination entre les satellites en orbite LEO repose sur des liaisons inter-satellites, des services de relais fournis par des stations au sol (généralement via l'Internet terrestre) ou une combinaison des deux. Cette capacité est essentielle pour des constellations telles que la mission GRACE (Gravity Retrieval and Climate Experiment) et le programme QB-50.
En regardant plus loin, la paire de vaisseaux spatiaux MARCO (chacun un CubeSat 6U) qui accompagne le vaisseau spatial InSight lors de sa mission sur Mars sera principalement utilisée pour transférer l'énergie entrante de l'atterrisseur InSight lorsqu'il entre dans l'atmosphère martienne, descend à la surface et atterrit. .les informations sont transmises à son centre d'opérations de mission sur Terre. Comme le montre la figure 6, la liaison entre InSight et chaque orbiteur MARCO se fait dans la bande UHF, tandis que le vaisseau spatial MARCO communique avec la Terre dans la bande X. Chaque MARCO ne peut utiliser qu'un seul des liens à la fois, de sorte que l'architecture de communication est très différente des services Internet, qui se caractérisent par une connectivité continue de bout en bout.
Figure 6 Architecture de communication MARCO
En projetant les écarts par rapport au modèle commercial Internet dans les communications terrestres à haute capacité, les chercheurs proposent une architecture de communication par satellite conçue pour tolérer les retards associés dans les communications de bout en bout à grande échelle. L'architecture "Ring Road" est basée sur le protocole Delay Tolerant Networking (DTN). Le principe de base du "Ring Road" est de déployer progressivement une constellation de routeurs DTN Bundle Protocol (BP) en orbite LEO un satellite à la fois. Comme le montre la Figure 7, le réseau contient trois types de nuds DTN :
(1) Les satellites routeurs, appelés nuds « messagers », situés sur des orbites polaires ;
(2) Un nud situé à l'intérieur d'un ordinateur connecté à Internet, appelé "hot spot" ;
(3) Les nuds situés à l'intérieur d'un ordinateur hautement isolé sans aucune connexion électrique sont appelés "points froids".
Figure 7 Architecture du réseau "Ring Road"
Constellation fonctionne comme suit :
(1) Les utilisateurs des nuds du point froid publient des données dans des groupes (par exemple, des requêtes de contact par e-mail ou proxy HTTP). Les nuds organisent des faisceaux pour la transmission au prochain "messager" over-the-top.
(2) Finalement, le « messager » survolera le nud froid. Puisque l'orbite du Messager est connue, le contact entre le Messager et le nud froid peut être programmé longtemps à l'avance. "Messenger" et Cold Spot peuvent communiquer en utilisant le protocole de bundle basé sur LTP (Licklider Transport Protocol) dans n'importe quelle fréquence radio disponible. Les faisceaux qui viennent d'autres endroits et dont la destination est ce point froid sont appelés "trafic vers l'avant", qui sera transmis du "messager" au nud du point froid pour réaliser l'acheminement interne du réseau local. Les faisceaux émanant du point froid sont appelés "trafic de retour" et sont livrés aux nuds "messagers" et mis en file d'attente pour une transmission ultérieure.
(3) Le "messager" calcule un itinéraire pour chaque paquet reçu du point froid. Le coursier connaît ses propres plans pour les contacts futurs, donc si un paquet va à un autre point froid que le coursier atteindra avant l'expiration de la durée de vie (TTL) du paquet, le paquet est mis en file d'attente pour une livraison ultérieure à Il devrait être froid. . Tous les autres faisceaux sont mis en file d'attente pour être livrés au prochain hotspot que le "courrier" survolera.
(4) Lorsque le « messager » survole un point chaud, les faisceaux en file d'attente sont transmis au point chaud, et en même temps, le « messager » reçoit également les faisceaux mis en file d'attente par les nuds du point chaud et envoyés au « messager » .
(5) Lorsqu'un nud hotspot reçoit des bundles d'un "messager", le nud calcule une route pour chaque bundle. Si le point final de destination du bundle est directement accessible via Internet (par exemple, un serveur de base de données à Montréal), le point d'accès utilise BP sur TCP/IP pour livrer le bundle à ce point final immédiatement. Sinon, le point d'accès demande le calendrier de contact, détermine quel "courrier" a le premier temps de contact prévu avec le point froid de destination, puis demande à nouveau le calendrier de contact pour déterminer quel point d'accès a le premier temps de contact prévu avec ce "courrier". Si le premier point d'accès à voir le « messager » est le point d'accès local lui-même, alors le point d'accès met simplement le paquet en file d'attente localement pour une transmission ultérieure au « messager » ; sinon, le point d'accès utilise BP sur TCP/IP et envoie immédiatement le paquet au point d'accès calculé. hotspot de chemin de transfert optimal.
(6) Lorsqu'un hotspot reçoit des bundles d'un nud sur Internet (éventuellement un autre hotspot), le hotspot calcule un itinéraire pour chaque bundle comme à l'étape précédente. Lorsqu'un « courrier » est au-dessus, ce point chaud échange des paquets avec le « courrier ». Lorsque le « messager » survole alors un point froid, il échange des faisceaux avec ce point froid de la même manière, et ainsi de suite.
Avantages de la nouvelle architecture de communication :
(1) Contrairement à la constellation de structure de routage basée sur des liens croisés, la constellation entière n'a pas besoin d'être entièrement mise en orbite en même temps pour permettre aux données de circuler. Un réseau peut commencer par un point chaud, un point froid et un "messager". À ce stade, le temps aller-retour pour le point froid sera long car il n'y a qu'un seul contact pour chaque N orbites du satellite, où N est le nombre d'orbites nécessaires pour remettre le point froid dans la trajectoire sol du satellite. Néanmoins, le flux de données bidirectionnel entre un point froid et n'importe quel point d'Internet sera pris en charge de manière fiable, bien qu'à un débit de données effectif très faible. Au fur et à mesure que le nombre de satellites augmente, la fréquence de couverture d'un point froid donné augmente et le nombre d'orbites N diminue, augmentant ainsi la capacité de transport globale du réseau (la capacité de stockage totale de tous les « messagers »), de sorte que le nombre d'orbites prises en charge les points froids augmenteront. L'ajout de points d'accès au sol augmentera également progressivement la capacité de charge du réseau.L'ajout de points d'accès peut décharger plus tôt les forfaits de services de retour du stockage embarqué du « messager », faisant de la place pour plus de forfaits, augmentant ainsi encore le nombre de points froids pris en charge.
(2) Le problème de routage est quelque peu compliqué, le routage a lieu dans des ordinateurs au sol potentiellement puissants aux points d'accès, et non dans des satellites "messagers". Cela signifie que les petits satellites produits en série conviennent aux satellites "messagers".
(3) Par conséquent, tous les éléments de cette architecture sont relativement bon marché.
En résumé, cette petite architecture satellitaire nécessite peu d'investissement initial et permet des services de données réseau très largement disponibles à faible coût.
4.3. Intégration avec l'architecture au sol
Pour considérer la disponibilité des données pour les différentes parties prenantes, le potentiel de service apporté par les constellations de petits satellites et CubeSat doit être analysé dans une perspective plus large. Lorsque les centres de traitement sont situés à proximité des centres de contrôle ou, dans les deux cas, peuvent être directement connectés à ceux-ci via une infrastructure au sol dédiée, la conception architecturale peut être essentiellement une extension de l'exemple d'architecture décrit ci-dessus. Ceci peut être réalisé en terminant l'architecture DTN proposée directement au centre de traitement, ou en utilisant des passerelles dédiées qui permettent l'interface entre les architectures DTN natives et les architectures non DTN, c'est-à-dire lors de l'utilisation de réseaux traditionnels construits sur une architecture de protocole TCP/IP pur.
D'autre part, les services fournis par les petites constellations de satellites ont attiré une attention croissante, de sorte que les données peuvent être distribuées à différentes applications dans les entreprises, les universités, les écoles, les institutions publiques et les utilisateurs individuels (par exemple, l'exploration de données spatiales, l'utilisation pédagogique, la surveillance et la surveillance , etc.). Dans ce contexte, la récupération des données est susceptible d'avoir lieu sur l'infrastructure terrestre de l'Internet, nécessitant ainsi le déploiement de stratégies d'intégration appropriées entre le segment sol du système à petits satellites et le réseau terrestre central. Cette tâche d'intégration fait partie de plans plus larges visant à fusionner des satellites avec des réseaux 5G, qui ont récemment été un sujet brûlant dans l'industrie des satellites. Fournir une architecture intégrée flexible est essentiel, et les détails des recommandations architecturales conçues pour atteindre cet objectif ne sont pas abordés ici. Pour assurer une bonne coexistence du trafic Internet existant et de la récupération de données de petits satellites (qui peuvent être considérées comme différentes tranches de réseau avec différentes caractéristiques QoS/QoE), la flexibilité du réseau est certainement une préoccupation. Dans cette optique, des solutions appropriées de mise en réseau définie par logiciel (SDN) et de virtualisation des fonctions réseau (NFV) doivent être mises en uvre sur les réseaux satellitaires « logiciels ». Cependant, la compréhension des logiciels de réseaux satellitaires n'est pas parfaite et des recherches supplémentaires sont encore nécessaires sur les petites constellations de satellites.
La fourniture d'une fonctionnalité orientée contenu à l'architecture de réseau est également pertinente pour l'objectif de distribution de données de petits satellites sur l'Internet afin de différencier les fonctions de gestion de la qualité de service et de routage appliquées aux objets de données du système de petits satellites. Cela peut signifier l'application d'architectures de réseau centré sur l'information (ICN) existantes, mais afin de satisfaire les caractéristiques de contenu des objets de données récupérés à partir de systèmes satellitaires, et contrairement aux architectures de réseau proposées pour les réseaux satellitaires (comme décrit dans la sous-section précédente) (par exemple, basée sur l'interface DTN), son concept de base devrait également être transformé.
Plus précisément, l'architecture basée sur ICN est construite sur le paradigme de publication-abonnement, où les utilisateurs peuvent s'abonner à des services de distribution de contenu, et en conséquence, le contenu est distribué sur les demandes acceptées. L'une des principales caractéristiques du réseau ICN est le mappage explicite du contenu aux noms d'objet, permettant des schémas de routage et de sécurité plus avancés en fonction du contenu. En outre, cette approche aide également à mettre en uvre une approche de mise en réseau centrée sur le contenu, remplaçant l'approche centrée sur l'hôte généralement utilisée (c'est-à-dire l'approche mise en uvre dans les systèmes IP). Dans l'approche centrée sur l'hôte, l'emplacement et la description du contenu sont mappés sur un identifiant unique (par exemple, l'adresse IP), ce qui limite dans une certaine mesure la réalisation des fonctions de mise en réseau basées sur le contenu. Un autre avantage clé inhérent au réseau ICN est la réalisation de capacités de mise en cache distribuées sur l'ensemble du réseau, ce qui simplifie l'intégration des capacités de MEC (multi-access edge computing) et de cloud computing, qui sont des éléments de base importants dans les réseaux de communication modernes.
La fonction ICN est supportée par des éléments de réseau dédiés, par exemple, elle peut être déployée non seulement dans les réseaux terrestres, mais aussi dans les réseaux spatiaux si les satellites peuvent fournir la puissance de stockage et de calcul nécessaire. En effet, pour tirer parti de leurs avantages clés en matière de résilience aux pannes et de mise en cache, il est possible que des architectures basées sur les protocoles DTN et ICN coexistent dans le même déploiement réseau, mais nécessitent des modifications spécifiques des interfaces de protocole.
Figure 8 Réseau satellite-5G intégré basé sur le concept ICN/DTN pour la diffusion de contenu
Dans son ensemble, la figure 8 montre l'architecture globale du réseau, y compris les segments 5G et satellites, décrivant un scénario dans lequel la constellation de satellites complète le réseau d'accès 5G et pilote la diffusion de contenu. L'architecture est basée sur l'architecture ICN/DTN et interagit avec les éléments de réseau MEC et cloud computing.
05. Avancées dans les protocoles de communication et de réseau
La dernière décennie a vu l'émergence rapide de nouveaux protocoles de communication avec et entre les petits satellites. Les nouvelles capacités se manifestent à plusieurs couches de la pile de protocoles.
5.1. Couche physique
Initialement, les seules liaisons de communication prenant en charge les satellites CubeSat étaient des liaisons UHF exécutant le protocole AX.25. Puisqu'il s'agissait initialement principalement d'une mission scientifique, la plupart des exigences en matière de débit de données étaient faibles et des schémas de modulation simples tels que le FSK binaire (BPSK) ont été utilisés. Il convient de noter que le protocole AX.25 est capable de détecter les erreurs mais pas de les corriger. Les demandes de transmission émergentes pour des débits de données plus élevés tout en maintenant une qualité et un poids faibles entraînent l'utilisation de bandes passantes plus larges et de bandes de fréquences plus élevées (comme décrit dans la section 4), ainsi qu'une utilisation plus efficace de la bande passante disponible grâce à des schémas de modulation plus avancés . En outre, le développement rapide de la technologie électronique numérique a également permis la transition vers les charges utiles SDR et les stations au sol, offrant des opportunités pour mettre en uvre des protocoles de communication et des schémas de modulation plus avancés, y compris des capacités de correction d'erreurs et des paramètres de modulation automatique dynamique basés sur les conditions de liaison actuelles. . Cependant, certains émetteurs-récepteurs innovants ont été conçus pour les CubeSats et les petits satellites qui utilisent des bandes de fréquences plus élevées (par exemple, de la bande X à la bande Ka), mettant en uvre une capacité de modulation codée variable et adaptative (VCM, ACM). Par exemple, le RADIOSAT est un émetteur-récepteur innovant développé par l'ESA qui fonctionne dans la bande Ka et s'intègre à un modem DVB-S2, et se caractérise par une faible consommation d'énergie dans son ensemble. En ce qui concerne la conception des liaisons inter-satellites, la communication par lumière visible est à l'étude récemment.La communication par lumière visible peut fournir des débits de données plus élevés avec des nuds plus petits et plus légers, tout en évitant les problèmes d'interférence courants de la communication RF et la rareté évidente du spectre radio en dessous de 6 GHz. bande de fréquence. De plus, les problèmes avec l'électronique requise pour obtenir une précision de ciblage précise pour les systèmes de communication laser sont évités. La communication par lumière visible dispose de près de 300 THz de bande passante disponible gratuite et est capable de fournir des taux de transfert de données haute capacité à courte portée à l'aide de matrices de LED.
5.2, couche de liaison
Alors que les opérateurs de CubeSat en orbite terrestre n'avaient initialement guère d'autre choix que AX.25, des protocoles émergents dotés de plus grandes capacités pour les opérations spatiales en orbite terrestre et extra-terrestre deviennent disponibles. Le nouveau protocole CCSDS Unified Spatial Link Protocol (USLP) est conçu pour s'adapter à une variété de conditions de transmission de données spatiales. Il comprend un concept de "canal virtuel" qui permet à plusieurs flux de données à des couches supérieures de partager de manière transparente un lien physique, tout en permettant à un multiplexeur multiple les points d'accès sont en outre multiplexés pour permettre à plusieurs services de données de partager le même canal virtuel. Le protocole fournit également l'agrégation de petites unités de données de service et des mécanismes de segmentation agrégés pour un contrôle étendu d'unités de données de protocole de différentes longueurs. Le CCSDS définit également un service de sécurité au niveau de la couche liaison appelé Space Data Link Security (SDLS). La sécurité devient rapidement une préoccupation urgente pour les concepteurs de missions spatiales à mesure que les problèmes de sécurité augmentent dans les stations au sol et les centres d'opérations de mission qui desservent Internet. SDLS fournit une norme de sécurité pour les missions de vol spatial simples où un seul vaisseau spatial communique avec son centre de contrôle via une station au sol. SDLS inclut l'authentification de l'origine des données, la confidentialité de la connexion et sans connexion, l'intégrité de la connexion avec et sans résilience et l'intégrité sans connexion.
5.3 Couche réseau
Le concept DTN remonte au premier groupe de recherche sur les réseaux interplanétaires de l'Internet Research Task Force (IRTF). DTN est une architecture de réseau conçue pour compenser autant que possible les problèmes de communication de données réseau défavorables, en particulier les réseaux où des perturbations de liaison importantes (prévues ou non) se produisent fréquemment et/ou où les retards de propagation du signal sont élevés. En fait, les effets d'une latence élevée et des pannes sont similaires à bien des égards, et l'architecture réseau développée pour DNT est conçue pour atténuer les deux. Le problème central dans les deux environnements est qu'à tout moment, chaque nud du réseau ne peut pas demander l'assistance d'autres nuds à temps pour quelque raison que ce soit. Le principe unificateur de la conception des fonctionnalités DTN est de reconnaître cette essence. Étant donné que les informations globales sont susceptibles d'être obsolètes ou incomplètes, les nuds doivent être capables de prendre leurs propres décisions opérationnelles localement, et le réseau doit pouvoir continuer à fonctionner à une couche utile même lorsque ces décisions sont erronées. Le protocole principal de DTN est BP (Bundle Protocol), un protocole de couche réseau DTN avec des fonctions similaires à IP. BP est similaire à IP. Le nud BP reçoit les données envoyées par une entité d'application, stocke les données sur un support et transmet les données au nud desservant l'entité d'application (destination des données) via le réseau. La principale différence entre BP et IP est que les nuds de transfert ne suppriment pas immédiatement les éléments de données (appelés « bundles ») car aucune liaison de communication directe n'est actuellement disponible ; à la place, les nuds peuvent stocker des bundles pendant une longue période, en attendant un lien vers devenir disponible. Un protocole similaire à Internet TCP dans DTN est LTP (Licklider Transport Protocol). Un "moteur" LTP divisera le paquet sortant en petits "segments" et enverra ces "segments" au nud BP desservant la destination immédiate du BP que le BP a déterminé comme étant le meilleur BP suivant dans le bout en bout. chemin du bundle Le "moteur" LTP. LTP et TCP sont responsables de la transmission des données, de la détection de la perte de données et de la récupération automatique en retransmettant des "segments" si nécessaire. Les principales différences entre LTP et TCP sont :
(1) Dans TCP, l'entité qui découvre et signale la perte de données est l'instance TCP desservant l'entité d'application de destination des données, et la perte de données est signalée à l'instance TCP desservant l'entité d'application de source de données. Autrement dit, les retransmissions sont "de bout en bout" et dans la pile de protocoles Internet, la couche TCP est au-dessus de la couche IP.
(2) Dans un scénario de mission spatiale, étant donné que la source et la destination des données peuvent se trouver sur différentes planètes distantes de plusieurs minutes-lumière, les retransmissions de bout en bout peuvent entraîner des retards de transmission de données extrêmement longs. Dans LTP, la perte de données est signalée à l'instance LTP située à côté de la source de données (le nud BP direct précédent sur le chemin de bout en bout) et l'instance LTP retransmet le segment perdu dès que possible. La retransmission LTP est une transmission "point à point" au sein du réseau, et LTP est situé dans la couche inférieure de BP dans la pile de protocoles DTN.
La solution utilisant le protocole DTN est complétée par l'utilisation du codage réseau (NC) pour améliorer la robustesse de la transmission des données tout en optimisant l'utilisation des ressources réseau disponibles (c'est-à-dire la bande passante). En se référant au modèle de réseau "Ring Road" pour les petites constellations de satellites, le codage de réseau peut être appliqué à tous les nuds du réseau (c'est-à-dire les nuds du segment spatial et du segment sol). Dans ce contexte, la fonction de codage réseau est en fait avant tout une fonction de codage et de décodage à la volée. Plus précisément, chaque nud compatible NC sera responsable de la collecte d'un nombre donné de paquets d'informations, de leur codage et de la génération d'un nombre spécifique de paquets redondants, où le codage global du réseau est configuré dans les informations d'entrée spécifiques et le nombre de paquets redondants de sortie. et joue un rôle important dans la stratégie de codage adoptée. À ce stade, le codage de réseau linéaire stochastique a gagné en popularité au cours des deux dernières décennies et est donc considéré comme le moyen le plus attrayant de mettre en uvre la NC dans des déploiements réels. En particulier, l'application d'un codage de réseau linéaire aléatoire aux blocs de données à décharger vers la station au sol permet d'augmenter la fiabilité de l'échange de données contre les fluctuations brutales de la qualité du canal de transmission. De plus, le codage réseau peut également être utilisé pour transmettre un nombre réduit de paquets, améliorant ainsi l'utilisation réelle de la bande passante. Cet avantage est encore plus prononcé si la communication de données multidiffusion est utilisée, et les avantages de performance du codage réseau peuvent être pleinement exploités.
D'autre part, malgré les avantages ci-dessus du codage de réseau, la complexité de la mise en uvre du codage de réseau dans le segment spatial doit également être prise en compte. En fait, les implémentations de codage réseau nécessitent une certaine puissance de calcul dédiée pour les fonctions de codage en ligne, ainsi qu'un stockage embarqué dédié pour conserver des copies temporaires de blocs de données qui subissent le processus de codage ou de décodage. En outre, une attention doit être portée aux couches de protocole où le codage de réseau est appliqué, généralement de manière en couches ou intégrée. Dans le premier cas, le codage réseau est mis en uvre en tant que couche intermédiaire dédiée entre les couches de protocole existantes, avec une augmentation limitée de la complexité de la mise en uvre globale du système. Contrairement à ce dernier, les fonctions de codage réseau doivent être intégrées dans un protocole existant, ce qui augmente la complexité de l'implémentation globale. Un autre problème est lié à l'emplacement réel de la fonction de codage réseau dans la pile de protocoles, qui n'a pas encore atteint un consensus dans l'industrie. D'une part, pour obtenir une récupération plus efficace d'une éventuelle perte de données, il est nécessaire de maintenir la mise en uvre du codage réseau aussi proche que possible des couches inférieures de la pile de protocoles (c'est-à-dire la couche liaison de données). D'autre part, la mise en uvre du codage réseau à une couche supérieure de la pile de protocoles permet de faire correspondre plus précisément les caractéristiques des services de données et, en fin de compte, de répondre aux exigences de QoS correspondantes. Un bon compromis à ce stade consiste à implémenter la fonction de codage réseau directement à l'intérieur du protocole de bundle, ou directement sous le protocole de bundle, dans le cadre de toute couche d'agrégation (c'est-à-dire UDP ou LTP) conçue pour cette tâche spécifique. Ainsi, il apparaît immédiatement que toutes ces exigences ont été correctement prises en compte dans la conception globale du système, en référence aux capacités fournies par les charges utiles satellitaires existantes et aux objectifs réels de demande de service présentés par le système considéré.
Un autre aspect intéressant lié à l'utilisation du codage de réseau dans l'architecture de réseau proposée est la forme de leur utilisation pour réduire la perte de paquets dans une autre étude. Dans ce cas, le codage de réseau n'est pas mis en uvre sur l'ensemble du réseau, mais est limité à quelques branches du réseau qui sont plus difficiles du point de vue de la fiabilité des communications. De cette manière, la fonction de réencodage n'est plus nécessaire (comme c'est le cas avec le codage de réseau linéaire aléatoire), et à la place, des solutions classiques de correction d'erreurs directes de couche paquet (FEC) peuvent être envisagées, c'est-à-dire basées sur LDPC ou Reed- Codes de Salomon. À ce stade, le Comité consultatif sur les systèmes de données spatiales (CCSDS) a formulé des recommandations sur la liaison descendante spatiale pour l'application de codes d'effacement qui utilisent des codes d'effacement basés sur LDPC spécifiquement pour les communications par liaison optique en espace libre. Même dans ce cas, le codage de réseau n'est mis en uvre que sur des liaisons spécifiques, mais étant donné les caractéristiques typiques de mise en uvre à ressources limitées des nuds spatiaux, il s'agit sans aucun doute d'une conception de système permettant aux nuds de mettre en uvre des fonctions de codage/décodage et de stocker des données avant les fonctions de traitement. de la scène. Bien que les contraintes ci-dessus du segment spatial ne soient pas toutes prises en compte, d'autres études sur la mise en uvre du codage de réseau pour les liaisons inter-satellites sont envisagées, de sorte que des recherches supplémentaires sont nécessaires pour mieux comprendre toutes les implications et tous les besoins potentiels.
06. Perspectives et défis
Ce document donne un aperçu de l'état actuel des systèmes de petits satellites, met en évidence les principales caractéristiques permettant des applications innovantes et se concentre sur les services de télécommunication.
Dans un futur proche, ce sera une réalité de fournir des services Internet avancés grâce à une méga-constellation de pico/nano satellites. Cependant, il reste encore des défis à relever.
(1) Couche physique
a) Comme indiqué à la section 4, l'utilisation de bandes de fréquences au-dessus de la bande Ka et l'utilisation de communications optiques en espace libre (OSF) pour les liaisons satellite-sol (c'est-à-dire pas seulement pour les liaisons inter-satellites) soulèvent un défi majeur : le canal de propagation sera fortement atténué. Que ce soit pour la transmission RF haute fréquence ou les communications optiques en espace libre, ce problème peut être surmonté en fournissant un réseau terrestre composé d'un grand nombre de stations terrestres réparties sur une grande diversité de sites différents. Le concept de diversité de sites a fait l'objet de recherches étendues dans le domaine des satellites à haut débit (HTS), et des recherches récentes ont mis en évidence le fait que le paradigme SDN peut fournir une passerelle pour la mise en uvre du concept de Smart Diversity. La diversité intelligente est une capacité reconfigurable avancée qui permet une allocation efficace des ressources dans les événements de commutation de service.
(b) Outre les quelques études théoriques mentionnées au 6.1 et certains émetteurs-récepteurs mettant en uvre la technologie ACM, des recherches supplémentaires sont nécessaires pour concevoir des schémas de modulation et de codage optimisés pouvant répondre à des exigences strictes en matière de qualité, de poids, de taille et de consommation d'énergie.
(2) couche MAC
En raison des limites des systèmes émergents, des recherches supplémentaires sont nécessaires pour mettre en uvre des protocoles de programmation de petits satellites et d'accès aléatoire MAC dans les réseaux à satellites existants.
(3) Couches supérieures
Des protocoles de couche d'application interopérables utilisés en plus des protocoles satellites sous-jacents doivent être définis afin de faire face à un large éventail de scénarios d'application et de configurations de données commerciales.
(4) Changements d'itinéraire au fil du temps
En raison des fréquents changements de topologie dans le réseau CubeSat, une transmission de données réussie nécessitera une capacité de stockage à long terme suffisante aux nuds intermédiaires pour faire face aux interruptions de la liaison satellite.
(5) Problèmes de sécurité dans le réseau à satellite LEO
Les messages de mesure et de contrôle ainsi que les données spécifiques à la mission sont transmis sur la liaison radio. D'où le problème de sécurité. Les CubeSats sont vulnérables aux attaques par déni de service (DoS) et à l'écoute clandestine, où les données peuvent être consultées par des utilisateurs non autorisés. Les attaquants peuvent envoyer de fausses commandes, entraînant une consommation excessive de ressources, une perte de données ou des échecs de tâches. Le défi de sécurité est exacerbé par l'utilisation de la charge utile SDR, qui permet de placer de nouveaux logiciels sur l'unité SDR par le biais de logiciels non autorisés et potentiellement malveillants installés sur la plate-forme. Un autre problème de sécurité récent concerne l'utilisation de petits satellites, qui ont des systèmes de propulsion qui peuvent être piratés et compromettre d'autres satellites. Comme mentionné dans la section précédente, le protocole de communication CubeSat actuellement mis en uvre n'a pratiquement aucune fonction de sécurité. Le mécanisme de sécurité développé pour les réseaux terrestres traditionnels se caractérise par un long processus de prise de contact et une charge de travail de calcul importante, il est donc difficile de l'appliquer directement aux petits réseaux satellitaires. Les contraintes de puissance, d'espace et de poids associées aux CubeSats posent des défis pour la mise en uvre de schémas de chiffrement complexes et de mécanismes coûteux en calcul.
Les défis continuent. La recherche sur l'utilisation d'approches de couche physique pour améliorer la sécurité des communications par satellite est toujours en cours. Il n'y a pas eu de recherche spécifique sur l'application de la sécurité de la couche physique aux CubeSats ; même si une telle recherche pourrait ouvrir des solutions entièrement nouvelles pour surmonter les défis de sécurité dans le cadre des petits satellites.
Une autre recherche intéressante est la cryptographie quantique appliquée. Plusieurs missions ont été conçues et développées pour démontrer la faisabilité de la distribution de clé quantique (QKD) espace-terre à l'aide de nanosatellites et de CubeSats. QKD utilise des photons individuels dans un état de superposition quantique pour sécuriser une communication longue distance inconditionnelle entre deux parties. QKD par satellite promet de construire des réseaux quantiques à l'échelle mondiale en exploitant la perte de photons négligeable et l'incohérence dans l'espace extra-atmosphérique vide. Étant donné que la distribution de photons intriqués entre le sol et le satellite est utilisée pour authentifier la nature quantique du lien, l'écoute clandestine ne se produira pas. En plaçant la source de photons intriqués au sol, alors que le segment spatial ne contient "que" le système de détection simple, un petit volume conforme à la norme 12U CubeSat peut être atteint. Un satellite LEO qui implémente le leurre QKD a été étudié, développé et lancé. A une distance de 1200 km du satellite au sol, le débit clé dépasse le kHz, ce qui est mieux que d'utiliser la même longueur de fibre (avec une perte de 0,2 dB/km) L'efficacité attendue est supérieure d'un ordre de grandeur. Il existe également des études démontrant qu'un cubesat de 4 kg peut générer des clés de sécurité quantique, ce qui n'a été démontré auparavant que lors d'une mission satellite beaucoup plus importante de 600 kg.
(6) Adopter SDN/NFV
De toute évidence, le paradigme SDN/NFV jouera un rôle important dans l'intégration des systèmes satellitaires et de la 5G. Cependant, l'utilisation du SDN/NFV dans les petits réseaux satellitaires nécessite des recherches supplémentaires. En fait, les déploiements de petits réseaux satellitaires peuvent accélérer la convergence des concepts SDN vers les systèmes satellitaires. Par exemple, à mesure que la fonctionnalité du routeur migre vers le logiciel, il peut être possible de développer et d'exploiter des routeurs compatibles SDN embarqués sur de petits satellites.
Il convient de mentionner que les activités de services et de niveau système (SA) du 3GPP ont identifié les systèmes satellitaires à la fois comme une solution possible d'infrastructure autonome et comme un complément aux réseaux terrestres. Dans ce cadre, un système satellitaire à haut débit capable de fournir des débits de données extrêmement élevés peut jouer un rôle important dans certains scénarios d'application 5G.
Cependant, dans de nombreux autres scénarios d'application 5G qui se concentrent sur les communications M2M ou nécessitent une latence extrêmement faible, seules de petites constellations de satellites peuvent véritablement compléter les systèmes terrestres. Il est essentiel de relever efficacement les défis évoqués ci-dessus pour saisir les opportunités présentées par l'écosystème 5G.
07. conclusion
Cet article passe en revue les caractéristiques opérationnelles des petits satellites, visant à mettre en évidence les raisons pour lesquelles les petits satellites ont récemment attiré l'attention de l'industrie, des universités et des parties prenantes, et décrit les principales tendances de développement des petits satellites, avec un accent particulier sur le développement des petits satellites en le domaine des télécommunications, comme l'utilisation de petits satellites, les bandes de fréquences plus élevées, les communications optiques, les nouveaux protocoles et les architectures avancées.
