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Les retours et les études dont on dispose sur les réseaux IP par satellite ne permettent pas d’apprécier les performances dont ils sont capables. Pourtant, les difficultés de transmettre de l’IP par satellite persistent encore. L’inadaptation du protocole IP, initialement conçu pour des réseaux terrestres, au large produit délai-bande du média satellite est une raison. Le fonctionnement souvent dé-corrélé entre les niveaux supérieurs de la pile TCP/IP et les couches physique et MAC du média satellite, est une autre. Dans le cadre de ce travail de thèse nous adoptons une démarche expérimentale basée sur l’observation, l’analyse et l’évaluation de systèmes implantant des technologies IP par satellite tels que le standard DVB-RCS, la technologie propriétaire iDirect ou la nouvelle norme DVB-S2. Nous étudions l’impact des règles de qualité de service IP sur les performances des applications dans un contexte de bande limitée. Nous nous penchons notamment sur l’évaluation des efficacités de l’encapsulation IP en termes de consommation de bande. Notre premier objectif est de déceler les niveaux auxquels un opérateur peut agir en vue d’optimiser la configuration d’un système IP par satellite et en accroître les performances / Despite of a number of IP satellite networks developed and deployed, only a limited number of studies and feedbacks about the performance is available. IP over satellite systems raises several constraints. One of the main reasons is the lack of adaptation of IP protocol, initially designed for terrestrial wired networks, to the large bandwidth delay product of the satellite media. Another reason is a lack of coordination between the IP protocol stack upper layer and the satellite MAC and physical layer. The purpose of this PhD study is to evaluate and assess the behaviour of IP applications when conveyed over satellite systems. We mainly focus on the IP quality of service performance, bandwidth encapsulation efficiency as well as IP applications metrics. Through the observation, we try to find how it’s possible to modify the IP satellite systems configuration in order to improve IP applications performance. We also suggest some ideas about the way to refine these technologies with regards to the design aspects. Experimentations have been performed over test beds implementing both standardised satellite technologies such as DVB-RCS as well as proprietary systems such as iDirect in addition to the new normalised technology DVB-S2

L'objectif de cette thèse est de fournir aux réseaux satellitaires géostationnaires des outils d'amélioration de performances dans un contexte contraint, lié au support de communication qui présente une qualité variable. Les défis s'étendent de la couche d'accès au support (l'ordonnancement) à la couche transport (le comportement du TCP étant sensible au délai de propagation dans les réseaux géostationnaires). Nous faisons appel aux mécanismes cross-layer qui mettent en place des interactions entre entités protocolaires non adjacentes du modèle OSI offrant ainsi une adaptation immédiate au changement des conditions dans le réseau. Nous employons à ce but une technique cross-layer informant l'entité protocolaire TCP du débit disponible, permettant d'éviter des conséquences telles que la chute du débit et des pertes liées à la congestion des files d'attente. Nous mettons en oeuvre ce mécanisme au niveau d'un élément sensible du réseau géostationnaire, le proxy TCP. L'intérêt des techniques cross-layer a été mis en évidence au niveau de l'ordonnanceur présent au sein de la gateway d'un réseau DVB-S2/DVB-RCS. Ainsi, ils contribuent à la maximisation de la capacité du système, à l'assurance des contraintes de qualité de service, à l'équité de l'allocation de ressources, etc. Enfin, nous présentons une solution possible d'architecture cross-layer. Nous proposons des caractéristiques demandées pour une architecture cross-layer afin d'assurer l'évolutivité, la modularité et la co-existence avec l'architecture standard existante. / The main objective of this thesis is to provide tools of improving performance of geostationary satellite networks, operating in a constrained environment mainly due to the variable quality of radio links. There are protocol layers being challenged by such characteristics, such as the medium access protocol and the transport layer protocol (TCP behaviour is impacted by the long propagation delay in geostationary satellite networks). We employ cross-layer mechanisms implementing interaction between non-adjacent protocol layers defined by the OSI architecture aiming at providing a rapid adaptation to changes in network state. We provide a cross-layer technique informing TCP protocol of the available network rate, thus preventing consequences such as TCP rate drop or loss due to buffer overflow. This mechanism is to be implemented in a sensible network element, such as a TCP proxy. Data link layer scheduler can benefit from the advantages of employing cross-layer mechanisms, especially at the gateway of a DVB-S2/DVB-RCS satellite network. The improved scheduler allows an efficient use of network resources and helps insuring quality of services constraints, resource allocation fairness, etc. Finally, we propose a cross-layer architecture along with in-demand characteristics able to offer an inter-operability with the existing architecture, an easy up-grade and design.

Dans le cadre de cette thèse nous nous intéressons à la liaison d'un terminal utilisateur vers un satellite géostationnaire pour les futurs systèmes d'applications multimédia en bande Ka. Le but est de concevoir une forme d'onde qui permet de s'adapter aux conditions de propagation. L'adaptation des performances en spectre et en puissance de la forme d'onde, notamment dans un contexte avec une forte fluctuation du niveau du signal, comme celui du canal satellite en bande Ka, permet à la fois d'augmenter la capacité et d'améliorer la disponibilité du système. Dans ces travaux, les formes d'onde basées sur les modulations CPM (Continuous Phase Modulation) ont été adoptées. L'enveloppe constante, les différents paramètres ayant un impact sur les performances de la forme d'onde, ainsi que les bonnes performances en puissance lors d'un processus de décodage itératif sont les principales motivations de notre choix. Concernant l'adaptativité nous montrons qu'une forme d'onde CPM basée sur la variation de l'indice de modulation (et éventuellement la réponse en fréquence) au sein d'une famille d'indices ayant un même dénominateur est une solution particulièrement attractive. Une telle solution ne nécessite pas une très grande complexité lors d'un passage d'un mode de transmission à un autre. Elle nécessite essentiellement le changement des coefficients des filtres adaptés. Cette technique permet aussi d'obtenir une marge de performance assez importante vu que l'indice de modulation est le paramètre qui affecte le plus les performances de la CPM. La CPM octale 2RC est un schéma particulièrement attractif d'un point de vue performance.

Les retours et les études dont on dispose sur les réseaux IP par satellite ne permettent pas d'apprécier les performances dont ils sont capables. Pourtant, les difficultés de transmettre de l'IP par satellite persistent encore. L'inadaptation du protocole IP, initialement conçu pour des réseaux terrestres, au large produit délai-bande du média satellite est une raison. Le fonctionnement souvent dé-corrélé entre les niveaux supérieurs de la pile TCP/IP et les couches physique et MAC du média satellite, est une autre. Dans le cadre de ce travail de thèse nous adoptons une démarche expérimentale basée sur l'observation, l'analyse et l'évaluation de systèmes implantant des technologies IP par satellite tels que le standard DVB-RCS, la technologie propriétaire iDirect ou la nouvelle norme DVB-S2. Nous étudions l'impact des règles de qualité de service IP sur les performances des applications dans un contexte de bande limitée. Nous nous penchons notamment sur l'évaluation des efficacités de l'encapsulation IP en termes de consommation de bande. Notre premier objectif est de déceler les niveaux auxquels un opérateur peut agir en vue d'optimiser la configuration d'un système IP par satellite et en accroître les performances

La croissance rapide du trafic aérien et les besoins en nouveaux services notamment pour les passagers imposent l'introduction de nouveaux moyens de communication pour les avions avec une bande passante globale fortement accrue. Les satellites sont appelés à jouer un rôle important dans ce contexte, non seulement en complément des systèmes terrestres pour les services « cockpit » (services ATM, Air Traffic Management) mais aussi pour les services « cabine » (In-Flight Entertainment). L'objectif de la thèse est d'étudier l'architecture d'un système satellite supportant l'ensemble de ces services, en se focalisant sur l'architecture du terminal embarqué à bord des aéronefs. L'architecture retenue repose sur des liaisons DVB-S2/DVB-RCS normalisées par l'ETSI. Cette option permet d'utiliser efficacement l'importante bande passante disponible en bande Ka pour les services mobiles aéronautiques (allocation primaire) ou en bande Ku (allocation secondaire). Ces normes ont été conçues pour les applications multimédia (Broadband Satellite Multimedia). Le défi est alors d'utiliser de telles liaisons satellite pour des services aux caractéristiques et besoins fortement hétérogènes. Par ailleurs, l'utilisation de la bande Ka n'est pas concevable sans l'activation de techniques de lutte contre les affaiblissements (FMT – Fade Mitigation Techniques). L'utilisation d'une marge statique conduit à une perte importante de capacité. Les techniques FMT reposent sur une évaluation dynamique du bilan de liaison et permettent une modification de la forme d'onde. Le système utilise ainsi la forme d'onde la plus efficace spectralement pour chaque terminal et maximise la capacité globale du système. Par contre, chaque terminal observe une modification de la ressource allouée au fil du temps. L'objectif de la thèse est de concevoir une architecture au niveau terminal qui permette d'exploiter les liaisons DVB-S2/RCS afin de fournir les services passagers (Internet et téléphonie mobile de type GSM/UMTS) et un canal haute fiabilité pour les services aéronautiques. Deux approches ont été retenues. La première repose sur une application du modèle ETSI BSM (Broadband Satellite Multimedia) en couches séparant strictement les couches dépendantes satellite et les couches indépendantes satellite. Les simulations de cette architecture montrent que les liaisons ne peuvent être utilisées de façon efficace sans une interaction entre couches afin de tenir compte de l'évolution de la capacité disponible. La seconde approche consiste en la concentration de la gestion de la ressource et la gestion de la qualité de service dans la même couche protocolaire. L'idée de départ est d'utiliser la méthode d'encapsulation générique Generic Stream Encapsulation (GSE). GSE a été conçu pour la projection des paquets de couches supérieures à l'intérieur des trames DVB-S2. GSE tient compte de la taille variable des trames DVB-S2 et introduit une capacité de multiplexage entre différents flux (identification de fragments). Sur cette base, une gestion de l'accès est introduite pour gérer la liaison DVB-RCS au format MF-TDMA. Nous introduisons ainsi une utilisation conjointe de GSE, d'une politique de service différentiée et de flux de signalisation inter-couches (« cross-layer »). Les performances des deux approches sont étudiées à l'aide d'un modèle de simulation développé à l'aide du logiciel OPNET Modeler (simulations à événements discrets). Les résultats obtenus démontrent le meilleur comportement de la seconde architecture avec une meilleure utilisation de la ressource et des performances de transmission satisfaisant les objectifs. / The rapid growth of air traffic needs a new communication infrastructure with increased bandwidth, high speed services and applications to satisfy expected air-ground communication requirements. Satellite communication systems play a significant role in this context, not only as a complement to terrestrial systems for Air Traffic Management (ATM) by offering global coverage but also as a promising solution to enrich In-Flight Entertainment (IFE) for passengers. DVB-S2/RCS technology is an attractive proposition to provide the cost-effective broadband services for both ATM and IFE, mainly because a large radio bandwidth is primarily allocated to aeronautical mobile communications in Ka-band, where the open standards DVB are implemented. However, such system design with convergence of heterogeneous traffics involves two main challenges. Firstly, using Ka-band means the implementation of Fade Mitigation Techniques (FMT) in order to cope with deep fades caused by atmospheric attenuation. Otherwise, the waste of capacity would be excessively high in a constant link margin design. FMT adapt in real time the link budget to the propagation conditions, this adaptivity has an impact not only on physical layer but also on upper layers. An efficient ressource management strategy with dynamic bandwidth allocation is required in this case, especially in DVB-RCS return link where FMT are not natives. Secondly, the proposed system must be able to multiplex the trafic flows with highly different characteristics and Quality of Service (QoS) expectations into a single link, the corresponding capacity management and QoS support seem with higher complexity. In this paper, we present an adaptive system design using a single DVB-S2/RCS based satellite link to provide Internet access and mobile telephony (GSM/UMTS) for passengers and a high-reliability channel for ATM. Concerning the airborne terminal architecture, two approaches are investigated. The first one is in compliance with ETSI Broadband Satellite Multimedia (BSM) architecture and based on a layering paradigm. The conducted simulation experiments highlight the need of dynamic interactions and adaptations among the layers to achieve an overall performance optimization. We propose then an enhanced approach with the concentration of both resource allocation and QoS management at the same interface – adaptation layer. The idea comes from the success of the recent Generic Stream Encapsulation (GSE) protocol, which carries the network protocol packets over DVB-S2 forward link in a simple, flexible and efficient way, especially when used with Adaptive Coding and Modulation (ACM). Furthermore, GSE can be easily extended to use in our design for DVB-RCS return link thanks to a proper design of MF-TDMA structure in which the suitable FMT (ACM and Dynamic Rate Adaptation) are context-aware configured. With the combined use of GSE, service policy and the interactions between adaptation and access layers, incoming heterogeneous traffics can be dynamically scheduled, segmented and encapsulated at the same adaptation layer. Performance evaluation of two proposed approaches is derived by a network-level simulation model developed using OPNET. Results prove the enhanced approach outperforms the first one leading to better resource utilization and satisfactory performance.