Comprendre la diffusion du spectre dans les communications par satellite

L'internet par satellite est devenu une infrastructure essentielle pour la connectivité à large bande dans les régions où la fibre terrestre ou le câble ne peut pas atteindre économiquement. Des réseaux maritimes et aéronautiques aux collectivités rurales et aux opérations de récupération après sinistre, les systèmes par satellite doivent surmonter d'immenses distances, l'atténuation des signaux et un environnement électromagnétique hostile.

Le spectre de diffusion n'est pas une méthode unique, mais une famille de techniques de modulation qui transmettent intentionnellement un signal sur une bande passante bien plus large que le minimum requis par les informations envoyées. Bien que cela puisse sembler contre-intuitif – gaspillant un spectre précieux – l'approche apporte des avantages extraordinaires en matière de rejet d'interférences, de sécurité et d'accès multiple.

Cet article explore les principes qui sous-tendent la diffusion du spectre, ses deux principales applications – FHSS (Frequence Hopping Spread Spectrum) et DSSS (Séquence Directe Spread Spectrum) – et leurs applications spécifiques dans les systèmes Internet par satellite modernes. Il examine en outre comment ces techniques permettent des taux de données élevés, résistent au brouillage, soutiennent plusieurs utilisateurs et s'intègrent à des architectures de nouvelle génération comme les réseaux non terrestres 5G (NTN).

Les principes de la diffusion de la technologie du spectre

La transmission conventionnelle en bande étroite concentre l'énergie du signal dans une bande passante minimale, ce qui le rend sensible aux interférences en bande étroite, aux écoutes et à la perte de signal. Le spectre répartit délibérément l'énergie sur une bande de fréquences beaucoup plus large, abaissant la densité spectrale de puissance (PSD) de sorte que le signal peut même apparaître comme bruit de fond pour les récepteurs non intentionnels.

Les principaux paramètres comprennent le gain de traitement , défini comme le rapport de la bande passante transmise au taux de données de bande de base. Un gain de traitement plus élevé offre une plus grande résistance aux interférences et aux brouillages, mais nécessite plus de bande passante.

Le spectre de diffusion prend également en charge les accès multiples de la division de fréquence (CDMA), où plusieurs utilisateurs partagent simultanément le même canal large bande en utilisant des codes de diffusion orthogonale distincts. Contrairement aux accès multiples de la division de fréquence (FDMA) ou de la division de temps (TDMA), le CDMA ne nécessite pas une coordination stricte de fréquence ou de temps, simplifie la gestion du réseau satellite et améliore l'efficacité spectrale dans les scénarios de trafic en rupture.

Spectre de diffusion de la fréquence de mise en place (SHSS)

Dans le FHSS, la fréquence porteuse du signal transmis saute rapidement parmi un ensemble de fréquences prédéterminées selon une séquence pseudo-aléatoire connue à la fois de l'émetteur et du récepteur. Le temps de séjour à chaque fréquence est court, habituellement de l'ordre de millisecondes. Si un interférateur à bande étroite est présent sur une fréquence, seule une petite fraction des données est affectée; la correction d'erreur avancée (FEC) peut récupérer les bits perdus.

Les systèmes satellites utilisant le FHSS mettent souvent en œuvre slow hopping[ (plusieurs symboles de données par hop) ou fast hopping[ (hop multiple par vocable). Le saut rapide offre des performances antijam supérieures, mais nécessite des synthétiseurs plus sophistiqués et une synchronisation plus étroite.

Spectre de diffusion directe des séquences (DSSS)

La séquence de puces résultante a une bande passante égale au taux de puces, qui est plusieurs fois plus grande que le taux de données d'origine. Au récepteur, une réplique synchronisée du même code PN est utilisée pour disséminer le signal, en s'écroulant dans un signal à bande étroite tout en diffusant toute interférence. Comme le code PN a une faible corrélation croisée avec d'autres codes, plusieurs utilisateurs peuvent partager la même bande passante sans interférer, formant la base de CDMA.

Le DSSS est largement adopté dans les communications par satellite pour sa robustesse contre la décoloration multipathe, un problème courant dans les liaisons par satellite lorsque les réflexions des bâtiments, du terrain ou du corps du satellite lui-même font que des copies retardées du signal arrivent au récepteur. Les propriétés d'autocorrélation du code de diffusion permettent au récepteur de résoudre les composants multipathes et de les combiner de façon constructive avec un récepteur de râteau, améliorant le budget de liaison et permettant des taux de données plus élevés.

Le gain de traitement[ dans le SSD est généralement exprimé en 10 log10(procedure de traitement / taux de données).Pour un service Internet par satellite offrant 100 Mbps avec un taux de puce de 1,2288 Gcps (similaire à 3G cellulaire), le gain de traitement est d'environ 10,9 dB – assez pour surmonter les interférences importantes et maintenir la fermeture des liaisons dans des conditions difficiles.

Pourquoi le spectre de diffusion est essentiel pour l'Internet par satellite

L'Internet à haut débit par satellite est confronté à des défis uniques qui se posent directement à la diffusion du spectre. Le long délai de propagation (habituellement 25 à 40 ms vers un satellite géostationnaire, ou 1 à 4 ms vers des satellites à orbite terrestre basse) associé à la nécessité d'un débit élevé exige une modulation et un codage robustes.

Atténuation des interférences dans le spectre partagé

Les exploitants de satellites doivent partager des bandes de fréquences avec des liaisons hertziennes terrestres, des systèmes radar et d'autres réseaux de satellites. Les signaux de spectre, avec leur faible DSP, causent un minimum d'interférence aux systèmes à bande étroite, tout en étant intrinsèquement résistants aux interférences à bande étroite de la part d'autres. Cette caractéristique est essentielle pour des bandes non autorisées ou sous licence légère, comme les bandes de 5 GHz et de 60 GHz de plus en plus utilisées pour les terminaux de rétrocavailleurs et les terminaux d'utilisateurs de satellites.

Sécurité accrue et faible probabilité d'interception

Comme le signal de diffusion du spectre apparaît comme du bruit à large bande à tout récepteur qui ne connaît pas le code de diffusion, il offre faible probabilité d'interception (LPI)[ et faible probabilité de détection (LPD). Pour les communications par satellite militaires et gouvernementales, c'est primordial.Les fournisseurs commerciaux d'Internet par satellite bénéficient également : l'écoute devient impossible sans avoir accès à la séquence de code, fournissant une couche inhérente de chiffrement au-delà de la sécurité au niveau du protocole.

Efficacité d'accès multiple

Ce multiplexage statistique est idéal pour le trafic Internet enflammé – navigation sur Internet, courriel, médias sociaux – où l'utilisation moyenne est faible mais où les demandes sont élevées. Le satellite agit comme un centre, corrélant le code unique de chaque utilisateur. Comparé à TDMA, où les créneaux horaires inutilisés gaspillent la capacité, CDMA peut atteindre un débit global plus élevé sous charge variable.

Résilience à la perte de connaissance et au changement de Doppler

Dans les constellations satellites à orbite basse (LEO), les terminaux subissent des déplacements rapides de Doppler lorsque les satellites passent au-dessus. Les signaux de diffusion du spectre, en particulier avec la modulation directe des séquences, sont plus tolérants à Doppler que les signaux à bande étroite pure parce que les algorithmes de synchronisation peuvent suivre la phase de code et la fréquence porteuse indépendamment.

Surmonter les défis de la transmission de données satellitaires à grande vitesse

Bien que le spectre de diffusion offre des avantages considérables, sa mise en oeuvre pour les liaisons satellite à grande vitesse (des centaines de Mbps à Gbps) introduit des compromis de conception. La large bande passante nécessaire pour un gain de traitement élevé peut entrer en conflit avec le spectre limité disponible. Par exemple, un signal DSSS avec un taux de puce de 1 GHz occuperait 2 GHz de bande passante si l'on utilisait le verrouillage binaire par changement de phase (BPSK), qui est difficile à prendre en compte dans les attributions de bande Ku/Ka typiques.

Un autre défi est la non-linéarité de l'amplificateur de puissance[.Les signaux de propagation du spectre présentent un rapport de puissance de crête à moyenne (PAPR), en particulier dans les systèmes CDMA multicodes.Les signaux de haute PAPR poussent les amplificateurs de satellite à bord vers la saturation, provoquant des distorsions et une repousse spectrale qui interfèrent avec les canaux adjacents.

De plus, la synchronisation dans les systèmes de spectre de diffusion doit être extrêmement précise. La phase de code PN doit être alignée à l'intérieur d'une fraction de puce; pour les vitesses de puces de 100 Mcps ou plus, cela nécessite une précision de synchronisation de l'ordre des nanosecondes. Les oscillateurs disciplinés par GPS et les boucles de suivi de code en boucle fermée sont standard dans les modems satellites.

Mise en œuvre de l'Internet par satellite dans le monde réel

Plusieurs systèmes de satellites opérationnels utilisent le spectre de diffusion comme technologie de base. Globalstar Le réseau de téléphones satellites utilise CDMA (IS-95 dérivé) pour la prise en charge des données vocales et de faible débit. Pour l'internet à large bande, Iridium NEXT utilise un mélange de FDMA, TDMA et de sauts de fréquence pour la robustesse de ses liaisons en bande L, atteignant des taux de données jusqu'à 1,5 Mbps par canal. Cependant, les systèmes de satellites à haut débit (HTS) plus récents comme Viasat-3 et Hughes JUPITER[ utilisent principalement DVB-S2X avec modulation avancée (p. ex. 64/256 APSK) et multiplexage de vision temporelle, mais ils intègrent le spectre de diffusion pour des applications spécifiques telles que les communications sécurisées de qualité gouvernementale et le service maritime où les interférences sont fréquentes.

Starlink, exploité par SpaceX, utilise un accès multiple par fréquence orthogonale (OfDMA) dans sa liaison descendante et son uplink plutôt que dans son spectre de diffusion traditionnel. Cependant, OfDMA peut être considéré comme une forme de spectre de diffusion (diffusion multiporteurs) où les données sont réparties sur de nombreux sous-porteurs. L'interface aérienne de Starlink 5G comprend des fonctionnalités telles que la modulation adaptative, le saut de faisceau et le rejet d'interférences qui tirent parti des principes de diffusion du spectre.

Pour les communications par satellite militaires et gouvernementales, Wideband Global SATCOM (WGS) et Les systèmes avancés à très haute fréquence (AEHF) utilisent des spectres de diffusion pour les systèmes antijam et LPI. Le système AEHF, fonctionnant dans la bande EHF (44 GHz uplink, 20 GHz uplink), utilise des fréquences de saut et des systèmes DSSS avec des gains de traitement élevés pour assurer la connectivité même dans les environnements contestés.

Orientations futures : Étendre le spectre et les réseaux non terrestres 5G

L'intégration de l'internet satellite avec la nouvelle radio 5G (NR) a entraîné des efforts de normalisation dans la version 17 de la 3GPP et au-delà pour les réseaux non terrestres (NTN). L'interface air NTN est conçue pour soutenir les deux satellites transparents (pipe de béton) et régénératifs (traitement à bord). Bien que la 5G NR utilise OFDM avec préfixe cyclique, des techniques de diffusion du spectre sont envisagées pour des cas d'utilisation spécifiques, en particulier pour les communications massives de type machine (mMTC) et les communications à faible latence ultra-fiable (URLLC) sur les liaisons satellitaires.

Une approche prometteuse est diffusée-OFDM, où les données sont réparties entre les sous-porteurs dans le domaine de la fréquence, fournissant une diversité de fréquences sans pénalité de PAPR du DSSS. Une autre est diffusée-accès non orthogonal (NOMA)[ avec des codes de diffusion, permettant une plus grande densité de connectivité dans les faisceaux de satellites.

L'intelligence artificielle (AI) et l'apprentissage machine (ML) entrent également dans le champ : les réseaux neuronaux peuvent optimiser la génération de code de diffusion pour une faible corrélation croisée dans des conditions de canaux en évolution dynamique, ou prévoir des modèles d'interférence pour sélectionner les meilleures séquences de saut.

Enfin, spectre de diffusion quantique est un concept théorique émergent où la distribution de clé quantique (QKD) et le spectre de diffusion sont combinés pour fournir à la fois une transmission de données à haut débit et un chiffrement sécurisé.

Conclusion

La technologie de diffusion du spectre demeure une pierre angulaire de l'internet satellite à haute vitesse, permettant une communication fiable sur de grandes distances en présence de brouillage, de décroissance multipathe et de brouillage intentionnel. Des techniques fondamentales de saut en fréquence et de séquence directe aux systèmes hybrides modernes qui combinent OFDM et CDMA, les principes de diffusion des signaux sur large bande permettent de résister aux liaisons satellitaires. À mesure que l'industrie se dirige vers les méga-constellations, les bandes de fréquences supérieures (Q/V et W) et l'intégration plus étroite avec les réseaux terrestres 5G, le spectre de diffusion continuera d'évoluer, devenant plus adaptatif, intelligent et spectralement efficace.

Pour plus de renseignements, consulter le magazine des communications de l'IEEE sur les communications par satellite, le Guide de la NASA sur les communications par satellite à faible teneur et le rapport technique 3GPP 38.811 sur les réseaux non terrestres.