Les télécommunications par satellite ont connu ces dernières années un regain d'intérêt important, du fait de leur capacité à permettre la réduction de la fracture numérique. En effet, un satellite en orbite géostationnaire peut s'appuyer sur une très grande couverture et une capacité importante pour atteindre des zones où le déploiement des réseaux terrestres n'est pas envisageable, comme les transports (bateau, avion), ou bien les zones blanches, où il serait difficilement rentable. Traditionnellement concentrés sur la diffusion de télévision numérique, les dernières générations de standards reflètent cet engouement en faisant une place de choix à la transmission de données bidirectionnelle, notamment en permettant une prise en charge simple des protocoles de l'Internet. Le problème de l'ordonnancement dans ces systèmes devient alors particulièrement important, puisqu'il doit prendre en compte deux processus évoluant de manière totalement décorrélée. D'un côté, l'évolution de la demande des utilisateurs, dépendante des applications (vidéo, voix, données). De l'autre, l'évolution de la capacité du système, celle-ci étant tributaire des conditions de transmission : les fréquences utilisées dans ces systèmes sont particulièrement sensibles à l'atténuation due à l'eau dans l'atmosphère. Cette thèse s'intéresse au problème de l'ordonnancement et de l'allocation de ressources, dans le but de fournir un service comparable aux réseaux terrestres en termes de services, en présentant les meilleures performances possibles. Si un certain nombre de propositions ont été faites sur le sujet, aucune ne prend en compte l'ensemble des contraintes d'un tel système. Outre le caractère variable de la capacité, la variabilité de la demande, conjuguée avec les contraintes de qualité de service constitue une difficulté supplémentaire. Enfin, il nous faut considérer la faisabilité de notre solution dans un contexte temps réel, nécessaire dans l'optique d'une implantation dans un système réel. Nous avons ainsi développé une architecture d'ordonnanceur pour la voie Aller, reposant sur des fonctions d'utilité, permettant ainsi une formulation simple du compromis entre demande et capacité. Nous montrons comment cet algorithme pourrait être utilisable dans un système complet, à travers une implantation détaillée, de faible complexité, ainsi que des simulations de cas réels. Nous portons ensuite notre attention sur la voie Retour, où nous proposons une méthode d'allocation de ressources prenant en compte de manière conjointe la qualité de service et la qualité du support pour délivrer une allocation à la fois conforme et performante. Les simulations montrent que notre algorithme obtient une efficacité et une meilleure gestion du trafic que des solutions de référence présentées dans la littérature. / Satellite telecommunications have seen a tremendous increase in interest, due to its ability to reduce the digital divide. In fact, a geostationary satellite can take advantage of its very wide coverage and high capacity to reach areas where deployment of a terrestrial network would not be possible, such as transports, or too expensive to be profitable, as in remote areas. Traditionally focused on digital television broadcasting, the latest generation of standards have evolved to reflect those new needs, dealing extensively with the transmission of interactive data, particularly by natively supporting Internet protocols. Scheduling has arisen as a major issue of those modern systems, since it has to deal with to highly uncorrelated processes: demand and capacity. Demand, on one side, evolves with user's needs, and therefore with the applications they are using: video, voice or data. Capacity, on the other side, depends on meteorological conditions over the satellite's cover, as the frequencies used in such systems are very sensitive to wet atmosphere attenuation. This thesis aims to study the problem of scheduling and resource allocation, hoping to achieve a service that can match with terrestrial networks in terms of services, while showing the best possible performances. If numerous solutions were proposed on this topic, none is taking into account all of the current system's constraints. In addition to the variable nature of system's capacity, the conjunction of variable demand and quality of service constraints constitutes an additional issue. Furthermore, we have to consider the practicability of our solution in a real-time context, necessary if we aim for industrial use. We have first developed a scheduler architecture for the Forward link, based on utility functions, thus allowing a simple formulation of the capacity versus demand compromise. We show, through a detailed low-complexity implementation and accurate simulations, how our algorithm could be used efficiently in an industrial context. We then focus on the Return link, where we propose a resource allocation method, taking into account quality of service and quality of transmission jointly to deliver an efficient yet consistent resource allocation. Simulations show that our algorithm achieves a better efficiency and traffic handling than reference solutions presented in the literature.

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.

This work devises a novel approach for mitigating the effects of Catastrophic Forgetting in Deep Reinforcement Learning-based cognitive radio engine implementations employed in space communication applications. Previous implementations of cognitive radio space communication systems utilized a moving window- based online learning method, which discards part of its understanding of the environment each time the window is moved. This act of discarding is called Catastrophic Forgetting. This work investigated ways to control the forgetting process in a more systematic manner, both through a recursive training technique that implements forgetting in a more controlled manner and an ensemble learning technique where each member of the ensemble represents the engine's understanding over a certain period of time. Both of these techniques were integrated into a cognitive radio engine proof-of-concept, and were delivered to the SDR platform on the International Space Station. The results were then compared to the results from the original proof-of-concept. Through comparison, the ensemble learning technique showed promise when comparing performance between training techniques during different communication channel contexts.

As one of the most powerful error-correcting codes, Low-density parity check codes are widely used in digital communications. Because of the performance of LDPC codes are capable to close the shannon limited extraordinarily, LDPC codes are to be used in the new Digital Video Broadcast-Satellite-Second Generation(DVB-S2) and it is the first time that LDPC codes are included in the broadcast standard in 2003. In this thesis, a restructured parity-check matrices which can be divided into sub-matrices for LDPC code in DVB-S2 is provided. Corresponded to this restructured parity-check matrix, a reconstructed decoding table is invented. The encoding table of DVB-S2 standard only could obtain the unknown check nodes from known variable nodes, while the decoding table this thesis provided could obtain the unknown variable nodes from known check nodes what is exactly the Layered-massage passing algorithm needed. Layered-message passing algorithm which also known as "Turbo-decoding message passing" is used to reduce the decoding iterations and memory storage for messages. The thesis also investigate Bp algorithm, lambda-min algorithm, Min-sum algorithm and SISO-s algorithm, meanwhile, simulation results of these algorithms and schedules are also presented.

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

Ένα από τα βασικά μειονεκτήματα που παρουσιάζει ο σχεδιασμός και η υλοποίηση LDPC αποκωδικοποιητών είναι η μεγάλη πολυπλοκότητα που παρουσιάζεται σε επίπεδο υλικού εξαιτίας της εσωτερικής διασύνδεσης των μονάδων επεξεργασίας δεδομένων.H αρχιτεκτονική που επιτυγχάνει το μέγιστο επίπεδο παραλληλότητας και κατά συνέπεια είναι πολύ αποδοτική όσον αφορά την ταχύτητα αποκωδικοποίησης, δεν χρησιμοποιείται συχνά εξαιτίας της πολυπλοκότητας του υλικού λόγω των πολλαπλών κυκλωμάτων διασύνδεσης που απαιτεί. Στην παρούσα διπλωματική εργασία προτείνεται μια νέα αρχιτεκτονική για το δίκτυο διασύνδεσης ενώ παράλληλα έχει υλοποιηθεί και ένας αλγόριθμος για την αποδοτική τοποθέτηση των επεξεργαστικών μονάδων σε αυτό το δίκτυο. Επίσης έχει μελετηθεί και η επίδραση μειωμένης μετάδοσης πληροφορίας σε κάθε επανάληψη του αλγορίθμου αποκωδικοποίησης.Το περιβάλλον που χρησιμοποιήθηκε για την εξομοίωση και την παραγωγή των αποτελεσμάτων είναι η πλατφόρμα της Matlab. Η προτεινόμενη αρχιτεκτονική υλοποιήθηκε και εξομοιώθηκε σε κώδικες LDPC που αποτελούν μέρος του προτύπου DVB - S2 (Digital Video Broadcasting).Το συγκεκριμένο πρότυπο, εκτός των άλλων, καθορίζει και τις προδιαγραφές των κωδίκων LDPC που χρησιμοποιούνται κατά την κωδικοποίηση και αποκωδικοποίηση δεδομένων σε συστήματα ψηφιακής δορυφορικής μετάδοσης. Τα αποτελέσματα των εξομοιώσεων σχετίζονται με την πολυπλοκότητα της προτεινόμενης αρχιτεκτονικής σε υλικό αλλά και της απόδοσης (ταχύτητα αποκωδικοποίησης) και συγκρίνονται με την βασική πλήρως παράλληλη αρχιτεκτονική. / One of the main disadvantages of the design and implementation of LDPC decoders is the great complexity presented at the hardware level because of the internal interconnection of processing units. The fully parallel architecture that achieves the maximum level of parallelism and hence is very efficient in terms of speed decoding is not used often because of the hardware complexity due to the multiple interface circuits required. This MSc thesis proposes a new architecture for the network interface and also introduces an algorithm for the efficient placement of the processing units in this network. In addition to that, a modified version of the decoding algorithm has been implemented. The relative advantage of this algorithm is that in each iteration only a percentage of the processing units exchange information with each other. That approach further reduces the hardware complexity and power usage. The environment used to simulate and produce the results is Matlab. The proposed architecture is implemented and simulated in LDPC codes that are part of the standard DVB - S2 (Digital Video Broadcasting). This standard, among other things, determines the specifications of the LDPC codes used in the channel encoding and decoding process in digital satellite transmission systems. The results of the simulations related to the complexity of the proposed architecture in hardware and performance (decoding speed) are compared with the fully parallel architecture.

La transmisión vía satélite ha evolucionado notablemente debido a la introducción de nuevos esquemas de modulación y de protección de errores más eficaces. El estándar Digital Video Broadcasting- Satellite 2 (DVB-S2) perfecciona la generación anterior con una mayor eficiencia y mejores prestaciones en los servicios ofrecidos. Esto último es de vital importancia para generar modelos de negocios rentables debido a que en la actualidad el recurso de segmento satelital es escaso, por ende, el ancho de banda se transforma en un factor determinante para cualquier empresa que ofrece servicios satelitales. El objetivo general del presente trabajo de título es determinar la conveniencia de efectuar una migración desde plataformas satelitales existentes DVB-S hacia DVB-S2 para un escenario de servicio Direct to Home (DTH). El estudio busca disponer de una evaluación técnico-económica de dichas tecnologías de manera de visualizar el beneficio asociado a la migración y proponer un plan de ingreso al estándar analizado, de manera tal que se obtenga la máxima rentabilidad y menor impacto para una empresa de televisión satelital, sujeto a una estrategia de cambio de los actuales Set Top Boxes. El análisis de la norma DVB-S2 se realiza a través de las alternativas técnicas que establece el estándar para la transmisión de señales de televisión en calidad estándar (SDTV) y alta definición (HDTV), incorporando también la opción de la operación del servicio en modo compatible con la actual tecnología. La evaluación económica se efectúa mediante el estudio de tres escenarios que permiten generar nuevas propuestas de valor para el operador DTH. Los resultados del trabajo ratifican los beneficios de esta nueva tecnología a través del uso eficiente de los recursos disponibles. La optimización del ancho de banda conlleva la integración de nuevas propuestas audiovisuales y servicios interactivos que aumenten la fidelización del cliente y atraigan a nuevos subscriptores. Las conclusiones del análisis técnico-económico llevan a recomendar la implementación del estándar DVB-S2 a través del modo compatible con la tecnología actual, debido a la fuerte inversión asociada al recambio de receptores de los abonados. Adicionalmente, se propone una estrategia de intercambio gradual de los actuales Set Top Boxes y promociones que ayuden a efectuar este objetivo. En relación al trabajo futuro se sugiere el desarrollo de un canal de retorno para la plataforma DTH que permita una mayor interacción entre usuario y sistema. Además de incorporar nuevos servicios interactivos aprovechando la optimización del ancho de banda debido a la incorporación de la tecnología DVB-S2. Conjuntamente, utilizar este estudio como base para la incorporación de IPTV vía satélite. Finalmente, el aprovechamiento con fines tanto docentes como privados del balance de enlace desarrollado para el nuevo estándar.

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.

This thesis is focusing on the second satellite digital TV standard, DVB-S2. It deals with the principle of the digital TV and the first standard DVB-S. It also describes the very beginning and characteristics of the DVB-S2, new technologies in use, architecture and the individual topics are then explained more in detail. The thesis also contains the program of transmission simulation of DVB-S2 in MATLAB. In the laboratory of television technology UREL, two standards were measured and compared with the values obtained from the program. The functionality of the program and the benefits of DVB-S2 were verified afterwards.

Nos travaux de thèse ont pour objectif l'adaptation de la couche transport des systèmes de communications hybrides satellite/terrestre. Les réseaux satellites DVB-S2/RCS représente une solution alternative dans les zones reculés ou non couvertes par les réseaux filaires. Cependant, vu leur coût élevé et les caractéristiques qu'ils présentent, ils doivent être utilisés en complémentarité avec les solutions terrestres, constituants des réseaux intégrées ou hybrides (satellite/terrestre), en support du multiservice, avec ce que cela entraine en termes d'exigences liées aux nouveaux usages (accès généralisé et transparent). La première contribution consiste à l'analyse d'un système réel afin de caractériser le lien satellite. Cette démarche permet une éventuelle configuration d'un système émulé et s'avère le meilleur moyen pour bien paramétrer ce dernier. Par la suite, nous avons procédé à un ensemble de tests d'évaluation de plusieurs versions de TCP en utilisant l'émulateur SATEM. Vu les caractéristiques que représentent ces nouvelles versions de TCP, nous avons abouti à une proposition originale consistant à utiliser sur le segment satellite ces versions sans autre artifice architectural. Nous avons aussi proposé une solution qui permet d'améliorer le contrôle de congestion sur la voie aller DVB-S2 avec l'ACM pour les applications streaming, en utilisant le DCCP. Enfin, nous proposons une solution d'adaptation au niveau transport, qui s'avère efficace pour les handovers dans les réseaux hybrides satellites/terrestres et qui vient étayer nos résultats obtenus sur le segment satellite.