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L'Internet par satellite

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Par Jean-Michel Cornu - 31 janvier 2003

Merci à Magali Vaissierre, Eric Alberty et Jean-Claude Amieux (Astrium space), Philippe Boissat et Eric Brechet (Satlynx), Alain Giaccone (Biosfer@), Patrick Millancourt (ACD2i), Jean-Michel Planche (Witbe) et Olivier Risse (Eutelsat Multimédia) pour leurs conseils et leurs corrections.
Cette fiche d'expertise est également publiée sur http://www.fing.org/index.php?num=3476,4

SOMMAIRE

L’émergence de l’internet par satellite

Les liaisons satellitaires des FAI
L’arrivée du V-SAT
La diffusion de contenu au standard DVB-S
Les voies de retour terrestre
Le satellite bidirectionnel
La norme DVB-RCS pour la voie de retour

La bande Ka
L’évolution du matériel d’accès
Avantages et inconvénients de l’accès par satellite
Les prochaines évolutions du satellite

La couverture multi-pinceaux
Traitement et routage à bord du satellite
L’IPv6 par satellite

Quelques satellites utilisables en Europe pour l’accès internet bidirectionnel
Références

 



L’émergence de l’internet par satellite
Les liaisons satellitaires des FAI
Dans les années 1990 des Fournisseurs d’accès ont commencé à faire des liaisons satellite bidirectionnelles pour raccorder leur réseau vers les backbones aux Etats-Unis ou pour établir des liens de secours. Ils utilisent des antennes de grand format dont les coûts sont en général hors de portée des utilisateurs finaux. Ce type d’application est toujours répandu de nos jours (1), mais pour permettre l’accès directement chez les utilisateurs il faut des antennes plus petites, moins cher avec des terminaux codeurs/décodeurs les plus standardisés possibles.

L’arrivée du V-SAT
Dans les années 1980, les échanges de voix, données et images par satellite ont pu utiliser des terminaux VSAT (Very Small Aperture Terminal) dont les antennes font entre 0,90 et 1,80 m pour des débits montants jusqu’à 515 Kb/s et des débits descendants jusqu’à 8 Mb/s. Les liaisons VSAT ont été utilisées au début par des sociétés ayant des établissements répartis dans des zones mal couvertes par les liaisons filaires ou pour des journalistes devant établir une liaison temporaire n’importe où dans le monde. Mais les coûts élevés ont réduit ce marché à des utilisateurs très ciblés.

La diffusion de contenu au standard DVB-S
Grâce à l’essor de la télévision numérique par satellite, la diffusion multicast de contenu IP par satellite a bas coût a vu le jour. Elle utilise les mêmes satellites, des équipements similaires pour la réception ainsi que la même norme : le DVB-S (Digital Vidéo Broadcating - Satellite) développée par le consortium DVB qui regroupe 290 télédiffuseurs dans plus de 35 pays. Le DVB-S permet la diffusion de chaînes de télévisions par satellite au format MPEG-2. Ce standard permet également la diffusion de paquets internet encapsulés dans le signal MPEG-2. Au début il ne permettait qu’une diffusion unidirectionnelle en multicast permettant de télécharger des contenus sur un disque dur (sites Web complets, documentation pour des réseaux de concessionnaires…). a été le précurseur de ce type d’accès en Europe.

Les voies de retour terrestre
Un premier progrès a été d’offrir une voie de retour utilisant le téléphone ou le câble pour envoyer des requêtes et recevoir ensuite les pages Web et les contenus demandés. Le standard UDLR ( Link Routing) défini par l’IETF a permis une utilisation plus répandue et standard de cette technologie (voir http://www.fing.org/index.php?num=3090,2). L’inconvénient est qu’il est nécessaire d’avoir un accès internet classique et de se connecter, s’il s’agit d’une liaison par modem RTC. L’évolution des protocoles permet de se connecter juste le temps d’envoyer une requête et de continuer de recevoir les contenus demandés même après la déconnexion de la ligne téléphonique. Mais si ce type d’accès permet de télécharger des contenus importants en push (en particulier lorsqu’ils concernent plusieurs utilisateurs) il n’est pas adapté pour des usages de communication (mail, visiophonie, chat…).

Le satellite bidirectionnel
De nouvelles connexions à Internet par satellite bidirectionnel se sont développées tout d’abord en utilisant des protocoles standards pour la voie descendante et propriétaires pour la voie remontante par satellite. En mars 2000, Tachyon a lancé la première offre commerciale d’accès bidirectionnel par satellite pour l’utilisateur final. Cette fois ce sont les services d’un fournisseur d’accès internet classique qui sont offerts sur une liaison entièrement par satellite. De nombreuses offres existent aujourd’hui. L’intégration d’innovations dans les nouvelles générations de satellites a permis de faire baisser les coûts de ce type d’accès, les rendant plus intéressants pour un nombre croissant d’utilisateurs.
Progressivement les coûts des terminaux utilisant des antennes de petit format ont fortement baissés (de 15 000 $ en 1985 à 1 500 $ en 2002). Le marché de l’accès à Internet par satellite commence à se développer.

La norme DVB-RCS pour la voie de retour
Il restait à avoir une norme pour la voie montante. Le nouveau standard a été adopté pour compléter le DVB-S en définissant une voie de retour par satellite : le DVB-RCS (Interaction for Satellite Distribution Systems). Ce standard a été repris par l’ETSI, l’organisme de normalisation européen dans le domaine des télécommunications et publié le 24 novembre 2000 sous le nom EN 301790. Le DVB-RCS permet l’utilisation de petites antennes économiques (typiquement entre 75 cm et 1 m).
Aujourd’hui, les offres utilisant le DVB-RCS restent plus chères du fait des équipements encore rares ; mais dès que les équipements DVB-RCS seront très répandus, la normalisation des systèmes facilitera des prix plus bas. De plus en plus d’offres en Europe proposent la norme DVB-RCS alors qu’en Amérique du Nord les offres utilisent des protocoles propriétaires pour la voie de retour.

Bien que le comité qui a standardisé le DVB-RCS ait fait le choix de ne pas utiliser le terme V-SAT pour distinguer les premiers accès internet par satellite des nouveaux, ce terme est toujours utilisé pour qualifier l’ensemble des solutions qui permettent d’échanger des informations par satellite en utilisant des petites antennes.

Pour en savoir plus : la norme DVB-RCS

Le DVB-RCS définit une voie de retour au format MF-TDMA (Multi Frequency Time Division Multiplexing Access) qui permet de partager la capacité montante. La norme spécifie que les liaisons montantes et descendantes doivent utiliser des fréquences différentes mais est indépendante des bandes de fréquences utilisées (Ku, Ka, L, S…)

La norme permet de transporter le protocole IP mais prend en compte également de nombreux protocoles de routage (RIP, IGMP) et de transport (RTP, UDP, TCP…).

Le système BBI (Broadband Interactive Service) de Satlynx est un exemple de mise en œuvre de la norme DVB-RCS, mais cette dernière comporte un grand nombre d’options qui rend l’interopérabilité des terminaux problématique. Le consortium Satlabs Group, créé à l’initiative de l’agence spatiale européenne, cherche à promouvoir le déploiement de la norme à grande échelle. Il dispose d’un groupe de travail sur l’interopérabilité des terminaux où l’on retrouve les principaux fabriquants de terminaux pour l’internet par satellite (EMS Technology, Newtec Cy, Nera ASA).


La bande Ka
Les fréquences utilisées par les satellites sont décomposées en grandes bandes de fréquences. Ainsi, la diffusion de programmes de radio et de télévision directement aux particuliers (Direct To Home – DTH) utilise la bande Ku comprise entre 12 et 18 GHz. C’est également cette bande de fréquence qui est utilisée pour la diffusion de paquets IP et pour une partie des échanges IP par satellite. Cette bande de fréquence commence à être bien encombrée et si elle sert toujours à transmettre les données du satellite au terminal (flux descendant) il devient difficile de trouver suffisamment de bande passante pour la voie de retour (flux montant)

Jusqu’à récemment, la bande de fréquence Ka qui utilise des fréquences plus élevées (27 à 40 GHz) posait des problèmes de transmission dus à sa sensibilité aux contraintes hydro-météorologique. Cela est particulièrement sensible du coté des centres terrestres (hubs) en cas de tempête. Des évolutions techniques ont permis de limiter les conséquences de la météo sur le signal en utilisant un hotswitch entre deux hubs reliés ensemble à quelques dizaines de kilomètres de distance.

La bande Ka peut donc être utilisée pour les nouveaux services, en particulier pour les voies remontantes des connexions internet par satellite, et devrait permettre de mieux répondre à la demande. Un deuxième avantage de la bande Ka est dû à sa fréquence plus élevée que la bande Ku : les antennes peuvent être plus petites pour un même débit ou bien, à taille équivalente, la même antenne permet un débit plus élevé. La bande Ka est donc doublement un facteur de baisse des coûts pour l’internet par satellite.

Des premiers satellite tels que Astra 1h ou Hotbird 6 utilisent d’ores et déjà la bande Ka pour les liaisons remontantes.

Pour en savoir plus : la bande V

Par la suite, les communications internet par satellite pourraient même utiliser la bande V entre 40 et 75 GHz qui offrira de nouveaux espaces pour étendre la bande passante disponible.
Source Alcatel, Evolution de l'architecture et de la technologie des charges utiles (.pdf) : http://atr.alcatel.de/hefte/01i_4/fr/pdf_fr/soul%E8resfr.pdf)

 

L’évolution du matériel d’accès
L’équipement à installer pour bénéficier d’une connexion internet par satellite se compose de deux parties :
- Un module extérieur (ODU – Outdoor Unit) qui comprend l’antenne et les équipements pour la conversion du signal dans une bande de fréquence intermédiaire : le LNB (Low Noise Block) pour la réception et le BUC (Block Up Converter) pour l’émission.
- Un module intérieur (IDU – Unit) qui permet de se connecter au réseau local.

Le prix de l’équipement complet atteint actuellement moins de 1 500 € et pourrait descendre à 700 ou 800 € grâce aux productions en volume. En effet, si les équipements de réception sont à un faible prix grâce aux millions de récepteurs de télévision par satellite, les changeurs de fréquence pour la voie montante (BUC) sont moins répandus (il s’agit principalement de modules que l’on trouve dans des équipements VSAT en bande Ku. Quant aux modules en bande Ka, ils sont encore très récents).

2003 devrait également voir l’arrivée de modules intérieurs (IDU) très intégrés qui n’utiliseront plus que deux circuits intégrés spécifiques et un micro-contrôleur permettant à l’équipement complet de descendre aux alentours de 500 € pour un marché de 100 000 unités. Les prix pourraient même descendre jusqu’à 300 € pour l’équipement vers 2005 grâce à de nouvelles technologies RF qui permettront d’intégrer également les composants de l’ODU (Source Alcatel, Evolution de l'architecture et de la technologie des charges utiles (.pdf) : http://atr.alcatel.de/hefte/01i_4/fr/pdf_fr/soul%E8resfr.pdf).

Avantages et inconvénients de l’accès par satellite
Le premier avantage du satellite est de permettre, à un prix relativement abordable, une connexion haut débit forfaitaire et permanente là où il n’existe pas d’équipement dans d’autres technologies d’accès (ADSL, câble, BLR…). Le satellite est particulièrement bien adapté aux villages éloignés des grandes voies de communication électronique (en mutualisant un accès qui peut être ensuite redistribué en Wi-Fi par exemple entre les maisons) ou bien pour connecter des entreprises isolées.

Les inconvénients inhérents à la technologie satellite sont de deux ordres :
1. Les coûts sont plus élevés aussi bien pour le forfait mensuel (actuellement entre deux à trois fois le prix d’une connexion ADSL à débit équivalent) que pour l’équipement de base (aujourd’hui autour des 1 500 €). Cependant, pour certaines zones non desservies par le moyen ou le haut débit, seule l’utilisation groupées de lignes Numeris peut constituer une alternative à un coût souvent plus cher. En Afrique, où le coût des télécommunications est particulièrement élevé, le satellite représente une alternative sérieuse, apportant du même coup bande passante, connexion permanente et coût forfaitaire.

2. Les temps de latence (durée de propagation du signal) sont d’environ 600 ou 700 ms à comparer aux 150 ms ou 200 ms de délai lorsque tout se passe bien sur Internet. Si cela ne pause pas de problème pour des applications asynchrone (client web, mail…), des applications synchrone lentes (chat textuel), ou des publications de streaming (audio ou vidéo), ce délai peut être plus gênant dans le cas de la téléphonie sur IP ou de la visiophonie (on observe un délai comme lorsqu’on utilise une liaison téléphonique passant par satellite) et surtout rend impossible certaines applications nécessitant une synchronisation serrée comme le jeu en ligne par exemple. Pour les serveurs Web qui seraient placés derrière une connexion d’accès satellitaire, le temps de latence peut aussi poser des problèmes bien que la version 1.1 du protocole http améliore la situation.

Il existe également plusieurs domaines à surveiller qui dépendent des politiques commerciales choisies par les fournisseurs d’accès Internet par satellite :
- Comme pour les liaisons ADSL, les offres sont le plus souvent asymétriques (typiquement 4 fois moins de bande passante montante que descendante), ce qui est mal adapté à des applications de communication ou d’échange (visiophonie, peer to peer…) et particulièrement inadéquat pour placer un serveur (par exemple un serveur Web) derrière ce type de connexion.
- Certaines offres de connexion internet par satellite proposent une adresse IP fixe. Mais en règle général, comme pour beaucoup d'autres modes de connexion, les adresses IP sont variables et attribuées à chaque session. Cela rend également difficile la mise à disposition d’un serveur accessible depuis le reste de l’Internet. Cette situation pourrait évoluer au fur et à mesure du déploiement d’IPv6. De même, lorsque la connexion Internet par satellite est partagée par plusieurs utilisateurs, il est souvent utilisé des boîtiers de traduction d’adresse (boîtiers NAT) si bien que chaque ordinateur ne dispose pas d’une adresse IP visible depuis le reste de l’Internet (voir : http://www.fing.org/index.php?num=1925,2).

- La bande passante satellite (aussi bien pour le flux descendant que pour le flux montant), est partagée entre plusieurs utilisateurs. Lorsque la bande passante n’est pas garantie (en mode best effort), la bande passante totale prévue est inférieure à la somme des bandes passantes théoriques de chaque utilisateur (on considère que tout le monde n’utilise pas sa connexion à plein au même moment). Les Fournisseurs d’accès Internet sur les technologies filaires utilisent couramment des ratios de 1/10 à 1/15 sans que cela ne pénalise l’utilisateur final. Il est très difficile de connaître les ratios utilisés dans le cas des nouveaux types d’accès par satellite. Des ratios trop importants (pas assez de bande passante totale par rapport au nombre d’utilisateurs) pourraient conduire à des performances dégradées.
Ces critères ne concernent pas seulement les offres de connexions par satellite mais de nombreux types d’accès, dont les liaisons ADSL.

En résumé les offres satellite offrent des avantages (accès en dehors des zones équipées pour le haut et le moyen débit traditionnel) et des inconvénients (prix, temps de latence…) qu’il faut connaître pour faire le choix de la technologie d’accès la plus adaptée à chaque cas de figure.

Les prochaines évolutions du satellite
La couverture multi-pinceaux
L’utilisation de plusieurs spots de faible ouverture (de 0,6° à 1,2°) permet de séparer la zone de couverture en plusieurs zones plus petites et indépendantes et de multiplier ainsi par 10 le trafic total pouvant transiter par le satellite en utilisant plusieurs fois la même bande passante. La taille des faisceaux étant réduite, le signal est plus concentré et son gain plus élevé. Il est donc possible d’utiliser des antennes plus petites abaissant ainsi le prix du terminal ou bien d’obtenir un débit plus conséquent à taille d’antenne équivalent.
La bande Ka, moins encombrée, est celle ou devrait se déployer les systèmes multipinceaux. Il existe déjà des satellites utilisant des faisceaux restreints tels que Astra 1h (8 faisceaux restreints en bande Ka) qui préfigurent les futurs satellites multi-pinceaux.

Traitement et routage à bord du satellite
Les satellites servent actuellement de simple relais entre l’équipement des utilisateurs et le reste de l’Internet. Une première étape consiste à mettre des équipements numériques permettant par exemple d’améliorer le signal grâce à des systèmes de correction d’erreur. Entre les antennes de réception et de ré-émissions le signal n’est plus traité seulement de façon analogique mais également numérique : on parle alors de on board processing. La technologie est au point et déjà utilisée dans le cas de la diffusion de télévisions par satellite avec le système Skyplex qui permet de multiplexer directement à bord du satellite différentes télévisions envoyées depuis plusieurs stations terrestres pour les diffuser ensuite toutes ensembles. Les prochains satellites utilisés pour l’internet devraient intégrer le on board processing.

Il est possible d’aller plus loin en proposant des possibilités de routage directement au sein du satellite. Jusqu’à présent, plusieurs utilisateurs connectés à Internet par satellite souhaitant communiquer entre eux doivent obligatoirement passer par des routeurs au sol. La connexion de deux personnes passant par le satellite oblige à un double bond. Cela a pour conséquence de doubler les temps de latence et d’utiliser deux fois plus de bande passante du satellite. L’arrivée du multi-pinceaux pousse encore plus à l’intégration de routage à bord du satellite pour router les signaux d’un faisceau à l’autre. Les satellites devraient bientôt embarquer des moyens de routage permettant un « simple bond » (single hop) pour faire communiquer deux utilisateurs connectés au même satellite.

Plus tard, il est même envisagé du routage entre les satellites. Cette technologie existe déjà en téléphonie mobile par satellite avec les capacité de commutation inter-satellite d’Irridium. Il faudra cependant attendre un peu plus longtemps pour qu’elle soit utilisée dans le cas de l’Internet par satellite, transposant dans le ciel la toile mondiale.

L’IPv6 par satellite
La particularité des systèmes de communication par satellite est qu’un petit nombre d’équipements (hub – satellite – terminaux) peut couvrir des grandes distances (même si les coûts de ces équipement sont élevés). Ainsi la migration du réseau d’un opérateur internet par satellite vers IPv6 est réduite, seul les hubs terrestres et parfois les terminaux chez les clients - lorsque ceux-ci disposent de capacités de routage - doivent migrer pour être équipés d’une double pile IPv4/IPv6. Le fait que les satellites actuels ne disposent pas encore de moyens de routage et ne sont que traversés par le signal rend l’opération encore plus aisée. Contrairement aux réseaux filaires existants il n’est pas nécessaire de changer un grand nombre de routeurs. De plus, beaucoup de réseaux se mettent en place actuellement. Les opérateurs satellites ont une chance à saisir pour offrir très rapidement de l’IPv6 à grande échelle.

Pour en savoir plus : les satellites LEO et MEO

Les accès internet par satellite utilisent des satellites géostationaires (GEO – Geosynchronous Earth Orbit) situés à une altitude de 35 800 km. Ils tournent ainsi à la même vitesse que la terre et paraissent donc fixes dans le ciel. Un opérateur peut offrir une couverture continentale (Eutelsat, Astra) ou mondiale en utilisant plusieurs satellites (Intelsat, Inmasat).

Il existe également des projets de satellite en orbite basse (LEO) entre 644 et 2 500 km d’altitude. Les satellites tournant plus rapidement autour de la terre, il est nécessaire d’avoir une constellation de satellites (entre 48 et 66) pour disposer en permanence d’un satellite visible auquel se connecter. Le satellite étant beaucoup plus proche de la terre, les temps de latence sont par contre beaucoup plus courts (30 ms) et les terminaux nécessitent beaucoup moins de puissance (il existe par exemple une déclinaison satellite de la norme UMTS pour les téléphone mobiles de troisième génération). Les constellations Iridium et Globalstar ont été un échec, mais d’autres projets sont toujours en cours.

Les satellites en orbite moyenne (MEO) situés entre 1 500 et 6 500 km d’altitude se trouvent dans une situation intermédiaire. Ils effectuent un tour complet de la terre en 2 à 12 heures. Il y a besoin d’un nombre plus réduit de satellites que dans le cas des LEO tout en ayant une surface au sol couverte plus importante, et un temps de latence bien plus court que dans le cas des satellites géostationnaires. Les flottes de satellites MEO pourraient à l’avenir concurrencer les flottes de satellites LEO en particulier pour de nouveaux usages mobiles.

 

Quelques satellites utilisables en Europe pour l’accès internet bidirectionnel

Satellite Opérateur lancement DVB-RCS descente/
montée
Remarques
W1 Eutelsat 16/10/2000 possible Ku/Ku 28 canaux dont
4 faisceaux orientables
AtlanticBird2 Eutelsat 25/9/2001 possible Ku/Ku 26 canaux
Eurobird 1 Eutelsat 8/3/2001 possible Ku/Ku 24 canaux dont
2 faisceaux orientables
Hotbird 6 Eutelsat 21/8/2002 possible Ku/Ka 28 répéteurs Ku et 4 en bande Ka
Astra 1h SES Global 18/6/1999 possible Ku/Ka 32 transpondeurs dont 8 faisceaux restreints en bande Kale seul satellite qui sache mixer sur le même transpondeur trafic IP et DVB
Astra 1k SES Global 26/11/2002 - - 54 canaux – échec du lancement

Inmarsat
non
4 satellites autour du globe

D'autres satellites peuvent être utilisés en France pour l'Internet par satellite tels que par exemple Atlantic Bird 1, Atlantic bird 3 (ex Stellat 5 de France Télécom) et Sesat d'Eutelsat ou bien Astra 2B de SES-Global ou même Arabsat.
De nouveaux satellites utilisables pour l’accès internet bidirectionnel devraient être lancés en 2003 comme e-bird (mars 2003) et W3A (juin 2003).
Voir aussi Telesat pour un exemple de couverture sur l’Amérique.

 

Références
Voir aussi le tableau comparatif des offres d’accès internet par satellite bidirectionnel en France
(incluant une présentation des principaux intégrateurs).
Autres Sources
- Veille satellite de la mission Internet Alpes du Sud : http://www.alpesdusud.com/observatoire/satellite/sat0_main.html
- Forum offres satellite de ACD2I : http://acd2i.imingo.net
Glossaires :
- Glossaire en ligne Eutelsat : http://www.eutelsat.com/fr/glossary/8_1_1.html
- Le dico du satellite : http://www.telesatellite.com/lexique/index.asp?q=b

___________
NOTES
1. Voir par exemple http://www.panamsat.com/news/pressview.asp?article=1249 ; http://www.eutelsat.com/products/2_2_2_1.html ou http://www.immeon.com