FR2877176A1 - Procede et dispositif pour ordonnancer et transmettre des paquets de donnees a partir d'un emetteur commun vers une pluralite d'utilisateurs partageant un canal de transmission coummun. - Google Patents

Abstract

L'invention, qui s'applique notamment aux systèmes de communications numériques par satellite, porte sur un dispositif et un procédé pour ordonnancer des paquets de données et les transmettre, avec un niveau de protection requis, à partir d'un émetteur commun vers une pluralité d'utilisateurs partageant un canal de transmission commun.Le procédé comporte les étapes de :- recevoir au moins un flux de paquets de données en entrée ;- répartir les paquets entre une pluralité de files d'attente (F1 - FN);- en extraire les paquets de tête par un premier algorithme d'ordonnancement ;- stocker chaque paquet dans une mémoire tampon particulière (B1 - BM) en fonction du niveau de protection requis ; et- en extraire des blocs de données par un deuxième algorithme d'ordonnancement.Il est caractérisé en ce que la répartition des paquets entre lesdites files d'attente est effectuée sur la base d'un critère de position géographique de l'utilisateur à qui chaque paquet est destiné.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF POUR ORDONNANCER ET TRANSMETTRE

DES PAQUETS DE DONNEES A PARTIR D'UN EMETTEUR COMMUN VERS UNE PLURALITE D'UTILISATEURS PARTAGEANT UN CANAL DE TRANSMISSION COMMUN.

L'invention se rapporte au domaine des systèmes de communications. Plus particulièrement, mais d'une manière non limitative, elle s'applique à un système de communications numériques sans fil, et encore plus particulièrement aux systèmes de communications par satellite à commutation de paquets.

Dans un système de communications comportant un émetteur commun devant transmettre des données à une pluralité d'utilisateurs partageant un canal de transmission commun, l'accès au canal de transmission peut être accordé à un utilisateur à la fois (comme dans les systèmes de multiplexage par partage de temps, TDM) ou à plusieurs utilisateurs en même temps (comme dans les systèmes d'accès multiple par code de répartition, CDM). En tout cas, l'accès au canal est accordé sur la base de certains critères, ou stratégies d'ordonnancement ( scheduling policies en langue anglaise). Il est important de considérer que des critères permettant d'atteindre des bonnes performances dans un système câblé peuvent s'avérer inadaptés à un système sans fil, et vice-versa. Parmi les systèmes sans fil, il faut également faire une distinction entre les systèmes terrestres et les systèmes par satellite, car le canal de transmission présente dans les deux cas des propriétés très différentes.

L'article de Yaxin Cao et V.O.K. Li, Scheduling algorithms in broadband wireless network , IEEE Proceedings, Vol. 89, No. 1, Janvier 2001, présente une revue des critères de gestion de l'accès des utilisateurs au canal commun dans le cas des réseaux sans fil terrestres à commutation de paquets. De tels critères se posent généralement comme objectif soit d'optimiser le débit de données, soit d'assurer aux différents utilisateurs un accès équitable aux ressources. La maximisation du débit peut être obtenue simplement en accordant à chaque instant l'accès à l'utilisateur qui présente les meilleures conditions de canal, c'est à dire le rapport signal / bruit plus 10 interférences (Signal to Noise plus Interference Ratio SNIR) le plus élevé. Cela ne pose pas de problèmes particuliers dans les réseaux terrestres en raison des variations très rapides desdites conditions du canal. L'équité peut être obtenue soit en termes de temps d'accès au canal, soit en termes de données transmises. Dans ce dernier cas, il est possible qu'un utilisateur qui présente des mauvaises conditions d'accès (et donc un débit de données réduit) monopolise le canal pour un temps important, au détriment des autres utilisateurs. Récemment une nouvelle approche, dite équité proportionnelle a été proposée pour combiner maximisation du débit avec une certaine équité parmi les utilisateurs. Voire à ce propos les articles suivants: CDMA/HDR: A Bandwidth-Efficient High-Speed Wireless Data Service for Nomadic Users , de P.Bender, P.Black, M.Grob, R.Padovani, N.Sindhusayana, A.J.Viterbi; IEEE Communications Magazine, Vol. 38, no.7, pp70-77, Juillet 2000. ; Data throughput of CDMA-HDR a High Efficiency-High Data Rate Personal Communications Wireless System , de A. Jalali, R. Padovani, R. Pankaj, VTC 2000; et Opportunistic Transmission Scheduling with resource sharing Constraints in Wireless Networks , de Xin Liu, Edwin K.P. Chong, Ness B. Shroff, IEEE journal on selected areas in communications, vol. 19, no. 10, Octobre 2001.

Ces techniques ne s'avèrent pas adaptées aux systèmes de communications par satellite. En effet: - dans le cas des communications par satellite, les variations de la capacité du canal se manifestent essentiellement par des évènements d'atténuation intenses, mais sporadiques, lentement variables dans le temps et affectant un grand nombre d'utilisateurs en même temps; au contraire, dans le cas des systèmes terrestres, la capacité du canal varie d'une manière rapide et sans corrélation entre utilisateurs; - un faisceau émis par satellite couvre une aire beaucoup plus étendue qu'une cellule d'un système terrestre; - les transmissions par satellite utilisent une bande beaucoup plus large que les transmissions terrestres (des centaines de Mbps Mega bits par seconde contre moins de 10 Mbps), et une passerelle ( gateway ) d'un système de communications par satellite doit gérer un nombre de paquets beaucoup plus élevé que son homologue terrestre.

On rappelle ici que la capacité R d'un canal de transmission, définie comme le débit maximal d'information qui peut être transmis avec une probabilité d'erreur arbitrairement faible, est donnée par: R=B Iog2(1+ SNIR) où B est la bande passante et SNIR le rapport signal / bruit plus interférences.

Les systèmes de communications sans fil de troisième et quatrième génération utilisent couramment une technique connue sous le nom de codage et modulation adaptatifs (Adaptive Coding and Modulation, ACM) ou de couche physique adaptative . Cette technique consiste à modifier les schémas de codage et de modulation et donc le niveau de protection des données en fonctions des caractéristiques du canal de transmission. Par exemple, si le SNIR diminue, une redondance plus élevée sera introduite au niveau du codage de canal et un ordre de modulation ( nombre de bits par symbole transmis) plus bas sera utilisé pour la transmission, alors que le débit de symboles reste constant. Ainsi, on peut maintenir un taux d'erreur acceptable malgré la dégradation des caractéristiques du canal, au prix d'une réduction du débit d'information.

Contrairement aux systèmes terrestres, les systèmes de communications par satellite ont traditionnellement été utilisés essentiellement pour la diffusion ( broadcasting ) d'information. De plus, ces systèmes conventionnels sont principalement orientés connexion (ressources allouées tant qu'une requête n'est pas bloquée), au lieu d'être orientées paquets comme les systèmes cellulaires terrestres.

Le standard DVB-S2 est un standard de communications numériques par satellite opérant dans les bandes Ku (12 14 GHz) et Ka (20 40 GHZ), permettant de satisfaire à des conditions de qualité de service (Quality of Service, QoS) et adapté à des applications interactives, particulièrement par l'utilisation du protocole IP. Il est orienté paquets et comporte l'utilisation de la technologie ACM.

Le standard DVB-S2 est décrit en détail dans le document ETSI EN 302 307, disponible auprès de I ( European Telecommunications Standard Institute (ETSI), 650 Route des Lucioles, F-06921 Sophia Antipolis Cedex, France.

Bien que le standard proprement dit ne porte pas sur les stratégies d'ordonnancement, l'annexe informatif H du document ETSI EN 302 307 susmentionné suggère la possibilité de trier les paquets de données par utilisateur, par niveau de service requis et/ou par niveau de protection (schéma de codage et de modulation). Les deux premières possibilités sont étudiées en détail dans l'article de R. Rinaldo, M.A. Vàzquez-Castro, A. Morello DVB-S2 ACM modes for IP and MPEG unicast applications , International Journal of Satellite Communications, No. 22, Mai 2004.

Comme il sera démontré par la suite, les stratégies d'ordonnancement connues de l'art antérieur ne sont pas satisfaisantes. Plus précisément, une première stratégie, basée sur une subdivision des paquets de données par utilisateur et par niveau de qualité de service (QoS), présente une complexité excessive, alors qu'une deuxième stratégie, utilisant une subdivision des paquets de données par utilisateur par niveau de qualité de service uniquement, ne permet pas d'assurer un débit minimum garanti pour chaque niveau de protection et/ou d'obtenir un isolement entre utilisateurs. Ces notions sont essentielles et doivent par conséquent être définies: Par débit minimum garanti on entend le fait qu'à chaque schéma de codage et de modulation effectivement utilisé à un moment donné ou seulement à certains desdits schémas est affectée au moins une fraction prédéterminée du temps total de transmission. Cela évite que les utilisateurs présentant des mauvaises conditions de canal (et donc un niveau de protection élevé) ne monopolisent le système au détriment de ceux qui présentent des meilleures conditions de canal (niveau de protection plus bas), ou vice-versa.

- Par équité on entend le fait que le temps de transmission est affecté pour 50% aux utilisateurs bénéficiant de bonnes conditions du canal et pour le 50% restant aux utilisateurs subissant une dégradation desdites conditions du canal. Il s'agit donc d'un cas particulier de débit minimum garanti.

- Par isolement on entend le fait que la dégradation des conditions du canal pour un utilisateur n'entraîne pas une réduction du débit de données pour un autre utilisateur qui, lui, n'expérience pas ladite dégradation (ou en entraîne une réduction limitée).

Il existe donc un besoin pour un procédé et un dispositif d'une complexité limitée pour ordonnancer et transmettre des paquets de données à partir d'un émetteur commun vers une pluralité d'utilisateurs partageant un canal de transmission sans fil commun, permettant d'assurer un débit minimum garanti pour chaque niveau de protection et/ou éventuellement un accès équitable au canal de transmission et/ou d'obtenir un isolement entre utilisateurs.

La présente invention permet d'atteindre au moins un des objectifs susmentionnés.

Un objet de l'invention est un procédé pour ordonnancer des paquets de données et les transmettre, avec un niveau de protection requis, à partir d'un émetteur commun vers une pluralité d'utilisateurs partageant un canal de transmission commun, comportant les étapes de: - recevoir au moins un flux de paquets de données en entrée; répartir lesdits paquets entre une pluralité de files d'attente; - extraire les paquets de tête desdites files d'attente sur la base d'un premier algorithme d'ordonnancement; stocker chaque paquet dans une mémoire tampon 30 particulière d'un ensemble de mémoires tampons en fonction du niveau de protection requis lors de sa transmission; et extraire des blocs de données desdites mémoires tampons sur la base d'un deuxième algorithme d'ordonnancement; transmettre lesdits blocs de données avec le niveau de protection requis à travers ledit canal de transmission commun; caractérisé en ce que la répartition des paquets entre ladite pluralité de files d'attente est effectuée sur la base d'un critère de position géographique de l'utilisateur à qui chaque paquet est destiné.

Selon différents modes de réalisation: - Ladite étape de répartition desdits paquets entre des files d'attente sur la base d'un critère de position géographique comporte une opération d'identification de zones géographiques telles que les séries temporelles des valeurs d'une grandeur représentative des conditions du canal de transmission pour les utilisateurs situés à l'intérieur d'une même zone soient, en moyenne, corrélées entre elles.

- Ladite opération d'identification de zones géographiques est effectuée en prenant en compte la distribution spatiale des utilisateurs pour centrer lesdites zones géographiques sur les régions à plus haute densité d'utilisateurs et pour faire passer les limites entre zones dans des régions à plus faible densité d'utilisateurs.

- Ladite opération d'identification de zones géographiques est effectuée sur la base d'au moins une information représentative des conditions du canal de transmission.

- Ladite information représentative des conditions du canal de transmission est envoyée par chaque utilisateur vers l'émetteur commun 25 via un canal de retour.

- Ladite opération d'identification de zones géographiques est répétée périodiquement.

- Le niveau de protection requis pour la transmission de chaque paquet de données est déterminé en fonction d'au moins une information représentative des conditions du canal de transmission envoyée par chaque utilisateur vers l'émetteur commun via un canal de retour.

- Ladite information représentative des conditions du canal de transmission est indicative du rapport entre le signal et le bruit plus interférences.

- Le procédé comporte également une étape de codage 5 desdits blocs de données avec un taux de codage dépendant du niveau de protection requis.

- Le procédé comporte également une étape de groupement des bits desdits blocs de données en symboles, le nombre de bits par symbole dépendant du niveau de protection requis.

- Le procédé comporte également la transmission desdites symboles vers lesdits utilisateurs par ledit canal de transmission partagé à un débit de symboles constant.

- Ledit premier algorithme d'ordonnancement est exécuté à une vitesse supérieure à celle dudit deuxième algorithme d'ordonnancement.

- Ledit premier algorithme d'ordonnancement est un algorithme d'ordonnancement par permutation circulaire.

- Ledit deuxième algorithme d'ordonnancement est un algorithme d'ordonnancement par permutation circulaire pondérée adaptative avec limite de temps.

- Ledit premier algorithme d'ordonnancement comporte, préalablement à l'extraction d'un paquet de données d'une desdites files d'attente, une vérification de l'état d'occupation de la mémoire tampon à laquelle ledit paquet est destiné, et effectue ladite extraction seulement si ladite mémoire tampon peut stocker ledit paquet.

- Ledit canal de transmission commun est un canal de transmission par satellite.

Un autre objet de l'invention est un dispositif pour ordonnancer des paquets de données destinés à être transmis, avec un niveau de protection requis, à partir d'un émetteur commun vers une pluralité d'utilisateurs partageant un canal de transmission commun, comportant: une entrée pour recevoir au moins un flux de paquets de données à transmettre; - un classificateur de paquets pour répartir lesdits paquets entre une pluralité de files d'attente; - un ensemble d'emplacements de mémoire pour réaliser une pluralité de files d'attente; un ensemble de mémoires tampons; un premier ordonnanceur pour extraire les paquets de tête desdites files d'attente sur la base d'un premier algorithme d'ordonnancement et les adresser vers une mémoire tampon particulière dudit ensemble en fonction du niveau de protection requis lors de sa transmission; et - un deuxième ordonnanceur pour extraire des blocs de données desdites mémoires tampons sur la base d'un deuxième algorithme d'ordonnancement; caractérisé en ce que ledit classificateur de paquets comprend un moyen pour repartir les paquets entre lesdites files d'attente sur la base d'un critère de position géographique de l'utilisateur à qui chaque paquet est destiné.

Selon différents modes de réalisation: - Le dispositif comporte également une unité de codage et modulation adaptatifs pour effectuer un codage des blocs de données et un groupement des bits codés en symboles de modulation en fonction dudit niveau de protection requis.

- Le dispositif comporte également une entrée pour recevoir une information représentative des conditions du canal de transmission pour chaque utilisateur.

- Ladite entrée est reliée à un canal de retour par lequel chaque utilisateur envoie ladite information représentative des conditions du canal de transmission.

- Le dispositif comporte également un moyen pour déterminer le niveau de protection requis pour la transmission de chaque paquet sur la base de ladite information représentative des conditions du canal de transmission.

- Le dispositif comporte également un moyen pour modifier ledit critère géographique de répartition des paquets sur la base de ladite information représentative des conditions du canal de transmission.

- Le dispositif comporte également un moyen pour modifier l'algorithme d'ordonnancement du deuxième ordonnanceur sur la base d'un signal représentatif de l'état d'occupation des mémoires tampons.

- Le dispositif comporte également un moyen pour empêcher, sur la base d'un signal représentatif de l'état d'occupation des mémoires tampons, l'extraction d'un paquet de tête d'une desdites files d'attente de la part du premier ordonnanceur lorsque la mémoire tampon à laquelle ledit paquet est destiné ne dispose pas d'une capacité libre suffisante pour le stocker.

- Le dispositif comporte également un moyen pour contrôler la vitesse de fonctionnement du premier et du deuxième ordonnanceur, de manière à que le premier algorithme d'ordonnancement soit exécuté à une vitesse supérieure à celle du deuxième algorithme d'ordonnancement.

D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins 20 annexés, donnés à titre d'exemple, et qui montrent: La figure 1, un schéma fonctionnel simplifié d'un système de transmission DVB-S2 pouvant recevoir en entrée des flux multiples de données; les figures 2A et 2B, des schémas fonctionnels de deux 25 modes de réalisations connus de l'art antérieur d'un sous-système externe au sous-système DVB-S2 ; la figure 3, un exemple de subdivision en zones de corrélation d'un faisceau de transmission; la figure 4, un schéma fonctionnel d'un dispositif selon un 30 mode de réalisation de l'invention; i0 la figure 5, un schéma fonctionnel du dispositif de la figure 4 intégré dans un système de transmission DVB-S2 adapté à gérer un trafic Internet; les figures 6A et 6B, une illustration graphique des notions de 5 stabilité, de région de débit stable et de région de débit maximal, utiles pour la compréhension de l'invention; la figure 7, un exemple de série temporelle d'atténuation utilisée dans des simulations permettant d'effectuer une comparaison entre l'invention et l'art antérieur; les figures 8A, 8B, 9A, 9B et 9C, des graphiques illustrant les performances insatisfaisantes d'un dispositif connu de l'art antérieur; les figures 10A, et 10B, des graphiques illustrant les performances d'un premier mode de réalisation de l'invention; les figures 11A, 11B et 11C, des graphiques illustrant les performances d'une variante dudit premier mode de réalisation, et en mettant en évidence les limites; et les figures 12A et 12B des graphiques illustrant les performances d'un deuxième mode de réalisation de l'invention.

La figure 1 montre, sous une forme très simplifiée, un système de transmission pour une liaison suivant la norme DVB-S2. Un tel système peut recevoir en entrée des flux multiples de données, qui peuvent être des flux génériques ou des flux capsulés selon la norme MPEG. Un premier ordonnancement des données est effectué par un sous-système externe 100, qui dépend de l'application spécifique et qui n'est pas défini par la norme DVB-S2. Les données sont ensuite passées, dans un ordre établi par ledit sous-système externe 100, au sous-système DVB-S2 200, qui se compose des blocs suivants: un adaptateur de mode 210, un adaptateur de flux 250, une unité de codage et de modulation adaptatifs 260 et une unité de constitution des trames 270. Enfin, les données sont envoyées à un équipement de transmission 300 pour être dirigées vers les utilisateurs.

Le système de la figure 1 peut être situé au niveau d'une station de transmission terrestre, auquel cas le satellite est simplement un répéteur transparent; c'est le cas illustré par la figure 20 de l'article susmentionné de R. Rinaldo, M.A. Vazquez-Castro et A. Morello. Alternativement, certains de ces éléments, ou même la totalité, peuvent être embarqués sur le satellite.

L'adaptateur de mode 210 comporte un ensemble de M mémoires tampons (buffers) BI BM, où M est le nombre de niveaux de protection (redondance de codage ordre de modulation) gérés par le système. En fonction des conditions du canal pour l'utilisateur auxquels elles sont adressées, les données en provenance du sous-système externe 100 sont stockées dans la mémoire tampon appropriée; cela est rendu possible par une information représentative des conditions du canal provenant des utilisateurs eux-mêmes via un canal de retour (non représenté dans un souci de simplicité). Le contenu d'une mémoire tampon est prêt pour être transmis lorsque ladite mémoire tampon est pleine, ou bien après l'écoulement d'une limite de temps déterminée, dite time-out (TO), ce qui évite qu'un paquet de données doive supporter une attente trop longue. La taille minimale d'une mémoire tampon B1 BM est un nombre fixe bm de bits d'information. Ce nombre dépend de la redondance du codage et de l'ordre de la modulation du niveau de protection m. En particulier, dans le standard DVB-S2, bm est compris entre 3072 et 58320 bits d'information.

Un ordonnanceur 230 extrait les données des mémoires tampons B1 BM pleines ou ayant dépassé leur limite de temps TO, et les passe aux blocs fonctionnels en aval.

L'adaptateur de mode 210 comporte également un encodeur CRC (contrôle cyclique de redondance), qui effectue une opération de codage 25 uniquement sur les paquets de données capsulés selon la norme MPEG.

L'adaptateur de flux 250 effectue un brouillage et un groupement en trames des données à transmettre.

L'unité de codage et modulation adaptatifs 260 met en oeuvre la technique ACM, en effectuant un codage BCH + LDPC dont la redondance dépend du niveau de protection requis, et en groupant les bits codés en symboles xPSK (QPSK, 8PSK, 16APSK ou 32APSK, ...). Par modulation on entend ici l'association d'un symbole à chaque groupe de bits, la modulation de la porteuse proprement dite étant effectuée par l'équipement de transmission 300.

Enfin, les symboles sont groupés par le bloc fonctionnel 270 en trames prêtes à être transmises à débit constant par l'équipement de transmission 300.

Les blocs de bits codés ont tous la même longueur L, indépendamment de la redondance du codage. Il s'ensuit que le temps nécessaire à la transmission d'une trame dépend uniquement de l'ordre de modulation correspondant, alors que son contenu en bits d'information dépend uniquement de la redondance du codage de canal.

La longueur L d'un bloc de bits codés est, selon le standard DVB-S2, de 16200 ou 64800 bits. Comme la plupart des paquets IP sont plus courts que L, plusieurs de ces paquets doivent être concaténés pour être codés ensemble.

L'article susmentionné DVB-S2 ACM modes for IP and MPEG unicast applications propose deux modes de réalisation particuliers du soussystème externe 100, qui sont représentés schématiquement sur les figures 2A et 2B respectivement. Dans les deux cas, le sous-système externe 100 comporte notamment un classificateur de paquets 110, un ensemble de files d'attente 120 et un ordonnanceur 130.

Dans le cas du premier mode de réalisation, le classificateur de paquets 110 trie les paquets de données en entrée en fonction de leur destinataire et du niveau de qualité du service (QoS) qui leur est associé. Plus précisément, on considère que le système est capable de servir U utilisateurs et de gérer Q niveaux de QoS différents; l'ensemble 120 est donc constitué de UxQ files d'attente Fil FuQ, groupées en U blocs, chacun associé à un utilisateur, de Q files (une par niveau de QoS) . Les paquets de données triés par le classificateur 110 sont stockés temporairement dans la file d'attente F1l FuQ correspondante, et extraits suivant leur ordre d'arrivée par l'ordonnanceur 130. Ce dernier parcourt les UxQ files d'attente sur la base d'un algorithme de permutation circulaire pondérée (Weighted Round-Robin, WRR) et extrait de chaque file d'attente non vide son paquet de tête, c'est à dire le paquet qui y est stocké depuis le plus de temps. L'algorithme de permutation circulaire pondérée consiste à parcourir les mémoires tampons suivant une séquence prédéterminée, dans laquelle chaque emplacement apparaît un nombre entier de fois; ce nombre est le poids de la mémoire tampon; l'algorithme de permutation circulaire Round-Robin, RR est le cas particulier dans lequel tous les poids sont égaux à 1.

Le principal inconvénient d'une telle architecture est sa complexité extrême: le nombre d'utilisateurs à servir peut aller de plusieurs dizaines à des milliers, voir des millions dans un futur proche. Cela requiert un très grand nombre de files d'attente, et donc d'emplacements de mémoire, et un ordonnanceur 130 très rapide. En effet, sa faisabilité paraît incertaine, sauf dans des cas particuliers.

Par ailleurs, même si une subdivision des paquets de données par utilisateur et par niveau de QoS paraît offrir une grande flexibilité au système, l'algorithme d'ordonnancement WRR, qui utilise des poids constants, limite dans la pratique cette flexibilité.

La deuxième architecture considérée (figure 2B) présente une complexité nettement moindre, mais sa flexibilité est aussi réduite. Elle se base sur une subdivision par QoS seulement des paquets de données. Ainsi, l'ensemble 120 est constitué de seulement Q files d'attente QoS1 QoSQ. Comme il sera démontré plus loin, à l'aide d'un modèle théorique et de simulations numériques, cette architecture s'avère incapable d'assurer un débit minimum garanti pour chaque niveau de protection et/ou d'obtenir un isolement entre utilisateurs.

L'invention exploite l'existence d'une corrélation entre les conditions du canal pour des utilisateurs situés à des emplacements géographiques proches. Cela signifie qu'il existe une corrélation au sens statistique du terme entre les séries temporelles exprimant le SNIR pour des utilisateurs physiquement proches les uns des autres. En effet, dans le cas des communications par satellite, l'atténuation du canal de transmission est essentiellement due aux précipitations atmosphériques. On peut voir à ce propos l'article de U. C. Fiebig, L. Castanet, J. Lemorton, E. Matricciani, F. Pérez-Fontàn, C. Riva et R. Watson Review of Propagation Channel Modeling , 2nd Workshop COST 280, Pays-Bas, 26-28 Mai 2003. Une modélisation, dite exponentielle , permet de déterminer que le rayon des cellules de pluie , à l'intérieur desquelles tous les utilisateurs présentent des conditions de canal corrélées, est de l'ordre de 30-50 km, ce rayon décroissant avec l'augmentation de l'intensité des précipitations. Voir à ce propos les articles suivants: O. Fiser, Estimation of the Space Diversity Gain from Rain Rate Measurements , 1st International workshop Cost280, Juillet 2002; et J. Goldhirsh, TwoDimension Visualization Of Rain Cell Structures , Radio Science, Vol. 35, No. 3, pp 713-729, Mai-Juin 2000.

Il s'ensuit qu'à l'intérieur d'un faisceau de transmission typique, d'un diamètre d'environ 100 km (un satellite pour télécommunications comporte généralement une pluralité de ces faisceaux), il est possible d'identifier 4 zones de corrélation en moyenne.

Une méthode pour réaliser un découpage du faisceau en zones de corrélation dynamiques , c'est à dire variables dans le temps, consiste à identifier les cellules de pluie présentes à un moment donné à l'intérieur de l'empreinte au sol dudit faisceau et à centrer chaque zone sur l'une desdites cellules. L'identification peut être effectuée sur la base d'informations de condition du canal provenant, par exemple, des utilisateurs eux-mêmes via un canal de retour.

Une méthode moins performante, mais beaucoup plus simple, consiste à effectuer ledit découpage d'une manière statique , indépendante du temps. Un tel découpage est en partie arbitraire, car les frontières entre zones séparent inévitablement des utilisateurs proches les uns des autres, qui présentent en réalité des conditions du canal corrélées. En même temps, il se peut qu'à un moment donné la frontière d'une cellule

de pluie coupe une zone de corrélation en deux parties présentant des conditions de transmission tout à fait différentes. Néanmoins, on peut avantageusement prendre en compte le fait que la distribution spatiale des utilisateurs dans l'empreinte au sol du faisceau de transmission n'est pas, en général, uniforme. En effet, les utilisateurs sont en grande partie groupés dans un nombre limité d'agglomérations (agglomérations urbaines). Si on centre les zones de corrélation sur ces agglomérations et on fait passer leurs limites dans des régions à faible densité d'utilisateurs, on obtiendra le résultat désiré : les séries temporelles représentant le SNIR pour la plupart des utilisateurs appartenant à une même zone seront effectivement corrélées entre elles et sans corrélation avec celles des utilisateurs appartenant à d'autres zones. Pour donner un exemple concret, on considère un faisceau couvrant une partie de la Suisse, de l'Allemagne du sud et de l'Italie du nord; les zones de corrélation pourraient être avantageusement centrées sur Zurich, Munich et Milan, et leurs limites pourraient passer sur les alpes, faiblement peuplées (dans cet exemple spécifique, les alpes constituent également une barrière physique aux perturbations météorologiques, ce qui renforce la séparation entre les zones). D'une manière plus quantitative, le nombre N de zones de corrélation peut être déterminé de la façon suivante. Soient: Ak l'aire du faisceau k d'un système de communication par satellite multi-faisceaux; Uk'n le nombre d'utilisateurs dans la zone de corrélation n du faisceau k; Dk et Dk'n, respectivement, les densités d'utilisateurs dans le faisceau k et dans la zone de corrélation n; RCe le rayon d'une cellule de pluie . Ak

On pose initialement N = et on calcule le rapport 7ZReeu kn A kn kn kn D k = N = U = N U. Si Dk > 1 on peut considérer que le D Uk,n l N Uk,n E Uk,n n=1 n=l n=1 Ak N nombre N de zones de corrélation est suffisant, autrement il est opportun de 25 l'augmenter afin d'atteindre une densité du nombre d'utilisateurs constante dans chaque zone. 20

Que la détermination des zones de corrélation soit statique ou dynamique , on cherche à maximiser le coefficient de corrélation moyen entre les séries temporelles représentant le SNIR pour les utilisateurs à l'intérieur de chaque zone, ou de moins à faire de sorte que ce coefficient moyen dépasse une valeur seul dépendante de l'application spécifique, tout en respectant certaines contraintes sur le nombre N de zones, la fréquence de mise à jour du découpage, etc. Cette valeur seuil peut être, par exemple, d'au moins 0,5 ou de d'au moins 0,6 pour un découpage plus fin, ou d'au moins 0,7 ou d'au moins 0,8 pour un découpage encore plus fin.

La figure 3 montre, à titre d'exemple, le découpage en zones de corrélations statiques Z1 Z4 d'un faisceau, ou plus précisément de son empreinte au sol EM, qui couvre quatre agglomérations à forte densité d'utilisateurs Al A4. Une cellule de pluie CP se trouve à cheval de la ligne L12 délimitant les zones Z1 et Z2 et couvre l'agglomération Al. Si l'on considère deux utilisateurs quelconques de la zone Z1, le coefficient de corrélation, calculé sur la durée de l'épisode de pluie, entre les séries temporelles exprimant leur SNIR peut être proche de 1, si lesdits utilisateurs se trouvent tous les deux à l'intérieur ou à l'extérieur de la cellule CP, ou proche de 0 si un utilisateur se trouve à l'intérieur et l'autre à l'extérieur de ladite cellule. Cependant, à cause de la distribution spatiale non uniforme des utilisateurs, le coefficient de corrélation moyen, calculé en considérant tous les couples possibles d'utilisateurs dans la zone Z1, sera sensiblement supérieur à 0 dans la plupart des cas. De la même façon, même si un utilisateur de la zone Z1 et un utilisateur de la zone Z2 peuvent présenter temporairement un coefficient de corrélation entre les séries temporelles exprimant leur SNIR proche de 1, en moyenne les utilisateurs appartenant à des zones différentes présenteront des conditions du canal faiblement corrélées, voire sans corrélation.

Par conséquent, même si le découpage ne prend pas en 30 compte l'évolution des conditions météorologiques, il est approximativement justifié d'appeler les zones Z1 Z4 zones de corrélation .

L'invention, dont le principe de fonctionnement est illustré par la figure 4, se base sur un concept inconnu de l'art antérieur, la formation de files d'attente pour les paquets de données à transmettre sur la base de la zone de corrélation dans laquelle se trouvent les utilisateurs qui en sont les destinataires. Néanmoins, la détermination du niveau de protection (ordre de modulation et redondance du codage) pour chaque paquet se fait de préférence sur la base des conditions du canal pour l'utilisateur de destination pris individuellement, sans considérer la situation des autres utilisateurs de la même zone.

Le classificateur de paquet 110 comporte donc un moyen pour répartir les paquets de données en entrée entre les différentes files d'attente en fonction de la position géographique des utilisateurs qui en sont les destinataires. Un tel moyen est par exemple constitué par une unité d'élaboration (non représentée) comprenant une mémoire dans laquelle est enregistrée une table de correspondance TC mettant en correspondance chaque utilisateur enregistré par le système avec une parmi les N zones de corrélation identifiées. La table de correspondance TC peut être fixe, si le découpage en zones de corrélation est statique, ou variable dans le temps, si ledit découpage est dynamique. Dans ce dernier cas, les zones de corrélation sont redéfinies périodiquement sur la base des informations de condition du canal provenant par exemple des utilisateurs eux-mêmes via le canal de retour CR, et ladite unité d'élaboration comprend un moyen pour modifier en conséquence la table de correspondance TC. Ainsi, deux utilisateurs peuvent appartenir à la même zone de corrélation à un instant donné et à des zones de corrélation différentes à un moment successif, ce qui permet de suivre l'évolution des conditions météorologiques.

L'ensemble 120 est donc constitué de N files d'attente F1 FN, une pour chaque zone de corrélation. L'ordonnanceur 130 parcourt ces files d'attente sur la base d'un algorithme de permutation circulaire (RR), particulièrement avantageux en raison de sa simplicité. Conformément au standard DVB-S2, les paquets extraits par l'ordonnanceur 130 sont envoyés à l'adaptateur de mode 210, faisant partie du sous-système DVB-S2, où ils sont stockés dans un ensemble 220 de M mémoires tampons B1 BM en fonction du niveau de protection requis. Plus précisément, l'ordonnanceur 130 comporte une entrée pour recevoir un signal représentatif des conditions du canal pour chaque utilisateur et un moyen (une unité d'élaboration non représentée en figure) pour déterminer, sur la base de ce signal, quel est le niveau de protection requis pour la transmission de chaque paquet extrait et donc dans quelle mémoire tampon B1 BM ledit paquet doit être stocké. Comme les files d'attente F1 FN contiennent des paquets destinés à des utilisateurs présentant une corrélation des conditions du canal de transmission, dans des conditions normales une grande partie des paquets extraits d'une même file d'attente seront stockés dans la même mémoire tampon.

Ensuite, comme il a déjà été expliqué lors de la description de la figure 1, un deuxième ordonnanceur 230 extrait le contenu des mémoires tampons pour les passer à l'adaptateur de flux 250. Dans l'art antérieur susmentionné, il a toujours été considéré que le deuxième ordonnanceur 230 fonctionne sur la base d'un simple algorithme de permutation circulaire avec limite de temps (Round-Robin plus Time-Out, RR+TO). Au contraire, dans le cadre de la présente invention on considère le cas plus général d'un algorithme de permutation circulaire pondérée adaptative avec limite de temps (Adaptive Weighted Round-Robin plus Time- Out, RR+TO). En effet, à un moment donné il est probable que seulement une partie des M niveaux de protection possibles soient effectivement utilisés; dans ces conditions, il est avantageux d'utiliser un vecteur de pondération (liste de poids) adapté en fonction des mémoires tampons à parcourir. Le deuxième ordonnanceur 230 comporte une entrée pour recevoir de l'ensemble de mémoires tampons 230 un signal indiquant quels emplacements de mémoire sont effectivement utilisés à un moment donné et un moyen (unité d'élaboration) pour modifier, sur la base de cette information, son propre algorithme d'ordonnancement.

En particulier, dans le cas considéré ici, cette modification consiste à choisir un vecteur de poids adaptés pour un ordonnancement AWRR.

Le cas échéant, l'ordonnanceur 230 reçoit également un signal de dépassement du temps limite d'attente TO ( Time Out ) par un paquet de données dans une mémoire tampon, auquel cas il interrompt la séquence d'ordonnancement pour servir prioritairement la file où s'est vérifié le dépassement.

L'extraction et la transmission d'un bloc de données de la part du deuxième ordonnanceur 230 requièrent un temps qui dépend du niveau de protection associé audit bloc (plus précisément de l'ordre de modulation) ; l'ordonnanceur peut passer au bloc suivant seulement après que ce laps de temps s'est écoulé, sous peine de provoquer une perte de données, ce qui limite la vitesse d'exécution de l'algorithme AWRR. La limite de temps TO peut être définie, par exemple, comme la somme des temps de transmission m Tm pour chaque niveau de protection: TO = ET,n. Eventuellement, la somme peut être limitée aux seuls niveaux de protection qui sont effectivement utilisés à un instant donné : de cette façon, si une mémoire tampon n'a pas été servie lors d'un cycle de l'algorithme d'ordonnancement, car elle n'était pas pleine, par exemple, elle le sera certainement lors du cycle suivant.

Le choix des poids de l'algorithme AWRR dépend des objectifs à atteindre et sort du cadre de la présente invention. Les algorithmes WRR+TO et RR+ TO constituent des modes de réalisation particuliers, présentant des prestations plus limitées, mais plus simples. Par ailleurs, l'invention n'est pas limitée aux algorithmes AWRR, WRR et RR, avec ou sans TO, mais admet l'utilisation d'autres stratégies d'ordonnancement.

Le premier ordonnanceur 130 est contrôlé de manière à éviter la perte de paquets de données. En particulier, il comporte une entrée pour recevoir un signal représentatif de l'état d'occupation des mémoires tampons et un moyen (unité d'élaboration) pour empêcher l'extraction d'un paquet de tête d'une desdites files d'attente lorsque la mémoire tampon à laquelle ledit paquet est destiné ne dispose pas d'une capacité libre suffisante pour le stocker. Ainsi, avant d'extraire un paquet d'une file d'attente Fi (i=1 N) destiné à la mémoire tampon Bj (j=1 M), l'ordonnanceur 130 vérifie s'il reste disponible une place suffisante dans cette dernière; si ce n'est pas le cas, le paquet n'est pas extrait et l'ordonnanceur 130 passe à la file d'attente suivante.

On comprend que, pour que le processus soit efficace, il est nécessaire que le premier ordonnanceur 130 fonctionne à une vitesse sensiblement plus élevée que le deuxième ordonnanceur 230. Plus précisément, la vitesse du premier ordonnanceur 130 est déterminée par celle du deuxième ordonnanceur 230 qui, à son tour, dépend du nombre de mémoires tampons, et donc de niveaux de protections, effectivement utilisées. C'est pour cette raison qu'il est préférable d'utiliser pour le premier ordonnanceur 130 un algorithme RR, particulièrement simple et donc rapide, alors que l'on choisit pour le deuxième ordonnanceur 230 un algorithme AWRR+TO, plus flexible mais plus complexe, et donc plus lent. De plus, les ordonnanceurs 130 et 230 peuvent comporter chacun une entrée/sortie pour échanger des informations de vitesse de fonctionnement et un moyen (unité d'élaboration) pour contrôler leur vitesse de fonctionnement sur la base desdites informations de manière à que le premier algorithme d'ordonnancement soit exécuté à une vitesse supérieure à celle du deuxième algorithme d'ordonnancement.

On observe que l'architecture du système de la figure 4 permet de déterminer le niveau de protection adapté à chaque paquet de données le plus tard possible, c'est à dire au niveau du premier ordonnanceur 130, et non du classificateur de paquets 110. Cela réduit le risque que les conditions du canal puissent changer entre le moment de la détermination du niveau de protection et le moment de la transmission effective des données.

Sur la figure 4, les flèches en trait continu matérialisent le transfert des données à transmettre, alors que les flèches en trait pointillé représentent les échanges d'informations de fonctionnement, telles que les conditions du canal, l'état d'occupation d'une mémoire tampon etc. entre les blocs fonctionnels du système. De plus, dans un souci de simplicité, dans la figure 4 n'apparaissent ni l'encodeur CRC 240, ni la subdivision du système en sous-système externe 100 et sous-système DVB-S2.

La figure 5 montre l'application de l'invention à une passerelle GW pour gérer un trafic Internet, en considérant le cas d'un satellite transparent. Une telle passerelle doit permettre de respecter les accords sur le niveau du service (Service Level Agreements - SLA) souscrits par les utilisateurs, supporter des politiques de mise en forme du trafic ( traffic shaping ) et incorporer une classification du trafic sur la base de différents niveaux de priorité ( DiffServ ). Ces fonctionnalités sont exécutées en amont du dispositif de l'invention, au niveau de la couche de réseau (3ème couche du modèle OSI), conformément au Protocole Internet (IP).

Les flux de données provenant de différents fournisseurs d'accès à Internet ISP1 ISPx sont subdivisés en Classes de Service (CoS), soumis à une mise en forme du trafic par un routeur de périphérie ( edge router ) RP et successivement adressés à un serveur DiffServ DS, comportant un nombre de files d'attente égal à celui des Classes de Service supportées par le système. Un ordonnanceur DiffServ ORD, prenant en compte les différents niveaux de priorité, extrait des paquets de données de ces files d'attente et les transmet au classificateur de paquets 110. Le routeur de périphérie RP, le serveur DiffServ DS et l'ordonnanceur DiffServ ORD ne font pas partie de l'invention, et leur fonctionnement est connu par l'homme du métier des réseaux de communications.

Alors que, dans le mode de réalisation de la figure 4, les échanges d'informations de fonctionnement s'effectuaient directement entre les blocs fonctionnels concernés et le contrôle était essentiellement distribué, dans le système de la figure 5, un contrôleur d'ordonnancement CO reçoit l'information représentative des conditions du canal de transmission provenant du canal de retour CR par une entrée ECR, centralise toutes ces informations et émet des signaux de contrôle pour piloter les différents éléments. En particulier, le contrôleur CO constitue un moyen pour: - déterminer, sur la base de l'information représentative des conditions du canal de transmission provenant du canal de retour CR, le niveau de protection (redondance du codage et ordre de la modulation) requis par chaque paquet; - modifier, sur la base de ladite information représentative des conditions du canal de transmission, le critère géographique de répartition des paquets; - modifier l'algorithme d'ordonnancement du deuxième 5 ordonnanceur 230 sur la base d'un signal représentatif de l'état d'occupation des mémoires tampons BI BM; vérifier l'état d'occupation des mémoires tampons B1 BM et empêcher l'extraction d'un paquet de tête de l'une des files d'attente F1 FN de la part du premier ordonnanceur 130 lorsque la mémoire tampon à laquelle ledit paquet est destiné ne dispose pas d'une capacité libre suffisante pour le stocker; contrôler la vitesse de fonctionnement du premier et du deuxième ordonnanceur, de manière à que le premier algorithme d'ordonnancement soit exécuté à une vitesse supérieure à celle du deuxième algorithme d'ordonnancement.

Par ailleurs, et sans que cette liste de tâches ne soit exhaustive, le contrôleur d'ordonnancement CO: - pilote l'ordonnanceur DiffServ ORD, car la mise en place des politiques de QoS nécessite d'informations sur les conditions du canal; - lit la table de corrélation TC pour communiquer au premier ordonnanceur 130 l'aire géographique (zone de corrélation) de destination de chaque paquet; - reçoit de l'ensemble 120 des informations d'occupation des files d'attente FI FN, qui sont destinées aux ordonnanceurs 130 et 25 230; - détermine le nombre de zones de corrélation et donc de files d'attente utilisées à chaque instant; - reçoit de l'ensemble 130 des informations d'occupation des mémoires tampons B1 BM et des informations de dépassement de temps limite TO, qui sont destinées aux ordonnanceurs 130 et/ou 230; - détermine le nombre de nivéaux de protections et donc de mémoires tampons utilisés à chaque instant.

Sur la figure 5, les éléments faisant partie de ce mode de réalisation de l'invention, c'est à dire le classificateur de paquets 110, la table de correspondance TC, l'ensemble de files d'attente 120, l'ensemble de mémoires tampons 220, le premier ordonnanceur 130, le deuxième ordonnanceur 230 et le contrôleur d'ordonnancement CO sont mis en évidence par l'utilisation d'un trait plus épais.

Après avoir décrit la structure générale d'un dispositif selon l'invention, il convient de procéder à une analyse théorique de son fonctionnement. Cette analyse servira de base à des études de cas concrets mettant en évidence les avantages de l'invention par rapport à l'art antérieur.

On considère un système utilisant M différents niveaux de protections, chacun associé à un intervalle de valeurs du SNIR. Le m-ième niveau de protection est donc utilisé lorsque SNIRE[ym_I, ym], où y; indique des valeurs seuils de SNIR. Une valeur réaliste de la différence entre deux seuils consécutifs est de 1 dB. L'efficacité spectrale 1m du m-ième niveau de protection, définie comme le nombre de bits d'informations transmis par seconde et par unité de bande passante, est déterminé par l'ordre de la modulation (nombre de bits par symbole) et par la redondance du codage. La capacité de canal Rm associée au m-ième niveau de protection (et donc à l'efficacité spectrale nm) est donnée par: Rm=B log2(1+ym) où B est la largeur de bande.

Pour un point situé à l'intérieur du faisceau k, le SNIR est donné par: [SNIR k (t I)TOT I = [SNIR k (t I,p] ' + [SNIR k (t I)DOWN où les indices UP et DOWN se référent à la liaison ascendante et descendante respectivement. II est raisonnable de négliger la contribution de la traite ascendante, à cause des dimensions importantes de l'antenne de la station de transmission terrestre et de la possibilité d'utiliser une diversité d'espace. Par conséquent: 2877176 24 le bruit thermique à ce même emplacement, 1 nterbeam (x) l'interférence inter- faisceaux et lexternal l'interférence due à d'autres systèmes. On considère 5 connus les termes d'interférence. On calcule donc le SNIR en fonction de la position et du temps: SNIR k(t I = c(X) KT. (t x)+iaext k R a a (t I x) +linterbeam (X) où az(t L x) est l'atténuation du canal, c(X) la puissance reçue en conditions de propagation dans l'espace libre, R la largeur de bande de 10 bruit in Hz and K is la constante de Boltzmann en dBW/Hz K. On observe que la dépendance temporelle du SNIR est due uniquement au terme d'atténuation. Elle peut être reproduite dans des simulations en générant des séries temporelles d'atténuation, comme expliqué par exemple dans l'article précité de U. C. Fiebig, L. Castanet, J. Lemorton, E. Matricciani, F. Pérez-Fontàn, C. Riva et R. Watson Review of Propagation Channel Modeling , 2nd Workshop COST 280, Pays-Bas, 26-28 Mai 2003.

Si on considère que le deuxième ordonnanceur 230 fonctionne sur la base d'un algorithme (A)WRR, une politique d'ordonnancement est définie par le vecteur w=[w1, ..., wM] des poids attribués à chaque niveau de protection (w;EN Vi=l M) ou, d'une manière équivalente, par les poids normalisés 0, = M. 1 wi 1=1 On introduit maintenant trois notions fondamentales: stabilité, région de débit stable et région de débit maximal.

SNIÉ(tx)TOTSNIÉ(t x)oowN=SNIÉ(tx)= (t i.) n(t I + liknterbeam X + lexternal où pr (t L) est la puissance reçue à l'emplacement, n(t) Un système est dit stable si la longueur maximale des files d'attente au niveau de l'émetteur est limitée. Dans le cas considéré ici, cela signifie que le taux d'arrivée des paquets pour chaque niveau de protection est inférieur au débit maximum possible pour le niveau de protection considéré.

Dans l'hyperplan de dimension M des valeurs possibles du débit pour tous les niveaux de protection supportés par le système, la région de débit stable est constitué par l'ensemble des points associés à des combinaisons admissibles des valeurs du débit pour tous les niveaux de protection, c'est à dire les combinaisons telles que la valeur maximale du débit pour chaque niveau de protection n'est pas dépassée. Elle est donnée par:

M M Y

Y E RM,r, =Ym1Zm /IOm =E11 <1,0m E [0,1] m=/ m=1 Rm La région de débit maximal est la frontière de la région de 15 débit stable (hyperplan de dimension M-1). Elle définit les valeurs maximales du débit pour lesquelles le système peut être stable et est définie par: = Y E 91 M / E om =En =1,0. E [0,1] m=1 m-/ m La figure 6A montre une représentation graphique de ces notions pour le cas simple M=2 (deux niveaux de protection). Sur cette figure, les axes des abscisses et des ordonnées représentent respectivement les débits ri et r2 pour le premier et le deuxième niveau de protection. La ligne (hyperplan à M-1=1 dimension) Smax représente la région de débit maximal et la région (à m =2 dimensions) S, comprise entre les axes et Smax représente la région de débit stable.

La figure 6B montre un exemple d'adaptation des poids de l'algorithme d'ordonnancement AWRR à la suite d'une modification des conditions de transmission. On suppose qu'au temps TI seulement deux niveaux de protection sont utilisés: les niveaux n 1 et n 2. Le point de fonctionnement PIeSmax(Tl) est repéré par les coordonnées (ri(T1)=41(TI) RI; s = r2(TI)=g2(TI)R2). Au temps T2, à la suite d'une dégradation des conditions du canal pour les utilisateurs qui utilisaient le niveau de protection n 2, ce dernier cesse d'être utilisé et est remplacé par le niveau n 3, qui a une efficacité spectrale plus faible. Le système réagit en modifiant les poids 41, (1)3 de manière à maintenir le point P2=(rl(T2) =41(T2)RI; r3(T2)=43(T2)R3) sur la ligne Smax(T2) qui représente la région de débit maximal dans les nouvelles conditions de transmission.

On considère maintenant des simulations numériques, réalisées en utilisant le logiciel OPNET (OPNET Technologies, Inc. 7255 10 Woodmont Avenue, Bethesda, MD 20814, Etats-Unis). Le système a les caractéristiques suivantes: Nombre de faisceaux: 43 (l'invention s'applique à chaque faisceau individuellement) ; Diamètre au sol d'un faisceau: -200 km Fréquence de la porteuse: 20 GHz Modalité d'accès multiple: TDM Fréquence de symbole Rs: 30 MBaud Facteur de réutilisation de fréquence: 3 Puissance de saturation par faisceau: 16dBW Gain de pic de l'antenne de transmission: 50 dB Rapport G/T du terminal satellite de l'utilisateur: 17.85 dB/K La capacité du canal, en bits par seconde, est donnée par le produit entre la fréquence de symbole Rs et l'efficacité spectrale im la plus élevée supportée par le système. La fréquence de symbole Rs est liée à la 25 bande passante B par la relation Rs = B / (1 + a), où a est le facteur de coupure progressive (roll-off).

Les simulations sont effectuées en considérant un seul faisceau et en le subdivisant en 4 zones de corrélation. Plus précisément, on considère un faisceau centré sur l'Europe, d'un diamètre de 200 km environ; 30 les zones de corrélation sont les suivantes: o Zone de corrélation 1: IongitudeE[8.3 , 10.5 ], latitude E[46.1 , 48.1 ] o Zone de corrélation 2: IongitudeE[10.5 , 12.3 ], latitude E[46.1 , 48.10] o Zone de corrélation 3: IongitudeE[8.3 , 10.5 ], latitude E[43.4 , 46.1 ] o Zone de corrélation 4: IongitudeE[10.5 , 12.3 ], latitude e[43.4 , 46.1 ] A l'intérieur d'une desdites zones, l'atténuation présente un temps de cohérence au moins de l'ordre de 1 s. Le temps de cohérence est défini comme la durée pendant laquelle on peut considérer les conditions du canal comme étant constantes. Comme le système ne répond qu'à des variations d'atténuation d'au moins 1 dB (intervalle entre deux niveaux de seuils y; ) et comme des études expérimentales montrent que le taux de variation temporelle de l'atténuation dépasse très rarement 0,5 dB/s, 1 s constitue une estimation très prudente du temps de cohérence.

Pour une étude expérimentale du taux de variation temporelle des événement d'atténuation en bande Ka, voir Erkki T. Salonen, Pasi A. O. Heikkinen, Fade slope analysis for low elevation angle satellite links , COST 280, 2nd Workshop, ESTEC, Mai 2003.

On considère qu'initialement tous les utilisateurs se trouvent dans des conditions de ciel dégagé, avec une atténuation du canal de -2 dB.

A partir de l'instant t=0, il se produit un évènement de pluie d'une durée de s environ, affectant d'une manière uniforme la moitié des utilisateurs (tous les utilisateurs des zones 1 et 2) et augmentant la valeur de l'atténuation jusqu'à environ -11,5 dB. La variation du niveau d'atténuation dans le temps est représentée sur le graphique de la figure 7. Il est important de considérer que, comme il a été expliqué plus haut, une valeur uniforme de l'atténuation n'implique pas une valeur uniforme du SNIR car ce dernier dépend de la position aussi par l'intermédiaire de l'interférence interfaisceaux linterbean,(X) et de l'intensité du signal en conditions de propagation dans l'espace libre c(x) On considère d'abord le cas d'un système basé sur une architecture connue de l'art antérieur, basée sur la formation de files d'attente sur la base du niveau de QoS (voir figure 2B). En fait, dans un souci de simplicité, on considère une seule classe de QoS: il y a donc une seule queue pour tous les paquets. L'ordonnanceur 230 exécute un algorithme RR+TO, avec TO=20 ms. Le nombre de niveaux de protections, et donc de mémoires tampons, est M=23. Pour plus de détails sur les différents niveaux de protections, on pourra consulter le document ETSI EN 302 307 précité, section 5.5.2.2. La taille de chaque mémoire tampon est égale à deux fois le nombre minimum de bits requis par l'algorithme de codage correspondant. L'efficacité spectrale la plus élevée supportée par ce système est de 3 bits/s/Hz, donc la capacité du canal est de 90 Mb/s.

La figure 8A montre l'évolution du débit binaire total dans le temps: la valeur initiale du débit binaire est de 70 Mb/s, ce qui veut dire que le système est chargé à environ 80% de la capacité du canal; en correspondance du pic d'atténuation (t60 s) on observe une diminution du débit, suivie par une augmentation au-delà de la valeur initiale de 70 Mb/s. Si ces variations de débit paraissent peu importantes, l'augmentation du délai subi par les paquets de données, illustrée sur la figure 8B, n'est pas négligeable: on passe d'une valeur initiale d'environ 240 ms (presque entièrement due au retard de propagation) à environ 540ms, soit plus que le double.

Si le système fonctionne à 90% de sa capacité initiale (environ 80 Mb/s), les variations du débit (figure 9A) et du retard (figure 9B) deviennent beaucoup plus importantes. En particulier, le retard dépasse les 5 s, ce qui est tout à fait incompatible avec des applications en temps réel, et décroît très lentement après la fin de l'évènement d'atténuation.

La figure 9C compare le débit de données pour un utilisateur A ayant subi l'atténuation et pour un utilisateur B ayant toujours bénéficié de bonnes conditions de transmission: on peut observer que les deux utilisateurs sont affectés sensiblement de la même façon par l'événement. Le système n'assure donc pas l'isolement entre les utilisateurs.

En effet, conformément au standard DVB-S2, les paquets de données transmis sont tous constitués par le même nombre de bits (après codage), et donc par un nombre variable de symboles, qui dépend de l'ordre de la modulation expérimentée; le débit en symboles/s étant constant, le temps de transmission d'un paquet dépend lui aussi de l'ordre de modulation.

Si, par exemple, pendant l'évènement d'atténuation, le système utilise une modulation 32AQSK (5 bits par symbole) pour le deuxième utilisateur et une modulation QPSK (2 bits par symbole) pour le premier, le rapport entre les temps de transmission est de 2,5. Comme tous les paquets forment une file d'attente unique, l'utilisateur avec le temps de transmission le plus élevé ralentit la transmission des données vers tous les autres utilisateurs. On comprend facilement que le fait de considérer plusieurs niveaux de QoS, et donc plusieurs files d'attente, ne résoudrait pas le problème: dans toutes les files d'attente on trouverait des paquets destinés aussi bien aux utilisateurs présentant des bonnes conditions de canal qu'aux utilisateurs en conditions d'atténuation élevé, ces derniers ralentissant la transmission des premiers. L'utilisation, au niveau du deuxième ordonnanceur 230, d'un algorithme d'ordonnancement plus sophistiqué, tel que l'AWRR, ne permettrait pas non plus d'éviter cet effet. D'une manière générale, la formation de files d'attente sur la base d'un critère de tri des paquets par niveau de QoS ne permet pas d'isoler les utilisateurs et de garantir un débit minimum à ceux qui présentent des bonnes conditions du canal.

Le tri des paquets sur une base géographique permet, du moins approximativement, de former des files d'attentes séparées pour les utilisateurs B ayant des conditions de transmission différentes: de cette façon on évite les inconvénients de l'art antérieur.

Pour démontrer cela, on considère un mode de réalisation particulièrement simple de l'invention. On utilise seulement 2 niveaux de protection (M=2), caractérisés par des efficacités spectrales de 2 et 3 respectivement: la capacité du canal est donc de 90 Mb/s, et le système est chargé à 90 % de cette capacité (81 Mb/s). L'algorithme d'ordonnancement de l'ordonnanceur 230 est RR+TO, avec TO=ls. La figure 10A montre l'effet de l'évènement d'atténuation de la figure 7 sur le débit de données total: les variations sont plus importantes que dans le cas précédent, à cause du faible nombre de niveaux de protection utilisés. Néanmoins, la figure 10B, qui compare les valeurs du débit binaire pour les dits utilisateurs A et B, montre que le système est capable d'assurer un isolement pratiquement parfait, et donc de garantir un débit minimum aux utilisateurs bénéficiant de bonnes conditions du canal, indépendamment des conditions pour d'autres utilisateurs. Cela est du au choix d'un tri des paquets sur la base d'un critère géographique.

Le critère géographique de formation des files d'attentes n'est cependant pas capable, à lui seul, d'assurer un tel isolement dans toutes les conditions. En effet, on considère maintenant un système pour lequel M=4. Les temps de transmission pour les différents niveaux de protection sont: Niveau #1: T1=0,4428 ms Niveau #2: T2=0,738 ms Niveau #3: T3=0,738 ms Niveau #4: T4=0,738 ms Le fait qu'un même temps de transmission soit associé à des niveaux de protection différents ne doit pas surprendre: les niveaux #2 4 utilisent tous une même modulation (8PSK) avec des codages différents, alors que le niveau #1 utilise une modulation 32APSK. Dans ce cas, l'efficacité spectrale du niveau #1 est 1-11=3,75; par conséquent la capacité du canal est de 112,5 Mb/s. On considère que le système est chargé à 80% de sa capacité du canal.

Les figures 11A et 11B montrent que dans ces conditions (M>2), si l'ordonnanceur 230 utilise un simple algorithme RR+TO, on n'obtient pas d'isolement entre les utilisateurs A et B, ni en termes de débit binaire, ni de retard de transmission. Cela s'explique par le fait qu'il y a plus de niveaux lents (#2 4) que rapides (#1). Quand tous les niveaux de protection sont utilisés, un paquet destiné à un utilisateur ne subissant pas d'atténuation (B) peut être transmis seulement tous les T2+T3+T4=2,214 secondes. On voit donc que les effets d'une dégradation du canal pour certains utilisateurs se répercutent sur d'autres utilisateurs, qui pourtant continuent à bénéficier de bonnes conditions de transmission.

La figure 11C montre le contenu en bits d'information des différents mémoires tampons BI B4 en fonction du temps: on voit qu'au fur et à mesure que l'atténuation augmente, des niveaux de protection plus élevés entrent en jeu. En correspondance du pic d'atténuation, seul le 1er niveau (utilisateurs non affectés par l'épisode d'atténuation) et le 4ème (niveau de protection le plus élevé) sont effectivement utilisés.

Un niveau plus élevé d'isolement entre utilisateurs peut être obtenu par l'utilisation d'un algorithme d'ordonnancement AWRR+TO, ce qui constitue un mode préféré de réalisation de l'invention. Un critère de pondération de l'algorithme d'ordonnancement permettant d'obtenir une allocation approximativement équitable des ressources (temps de transmission) parmi les différents niveaux de protection est donc donné par le tableau 1 ciaprès, dans lequel X indique un niveau de protection effectivement utilisé :

Tableau 1

Niveaux de protection utilisés #1 #2 #3 #4 Poids X (1,0,0,0) X X (1, 1, 0, 0) X X (1, 0, 1, 0) X X (1, 0, 0, 1) X X X (2, 1, 1, 0) X X X (2, 1, 0, 1) X X X (2, 0, 1, 1) X X X X (2, 1, 1, 1) Comme T1z-1,67 T2, en attribuant au premier niveau de protection un poids double qu'aux autres niveaux de protection on obtient une répartition approximativement équitable des ressources.

Les figures 12A et 12B montrent qu'un très bon niveau d'isolement est obtenu, au prix d'une légère augmentation du retard de transmission maximal pour les utilisateurs subissant l'atténuation la plus élevée. En effet, le système est chargé à 80% de son débit maximal, dont 40% est associé aux utilisateurs B qui bénéficient toujours de bonnes conditions du canal et 40% aux utilisateurs A qui subissent l'épisode d'atténuation de la figure 7. Initialement seul le niveau de protection #1 est utilisé, et le système est stable. Quand deux niveaux de protections différents sont utilisés (par exemple #1 et #2), le niveau de protection #1 à accès au canal pendant environ 54% du temps total: les utilisateurs B , qui nécessitent d'un débit équivalent à 40% de la capacité du système, ont accès à 54% des ressources, et ne subissent donc pas les conséquences de l'épisode d'atténuation. Lorsque 3 ou 4 niveaux de protection différents sont utilisés, il se peut que le débit affecté aux utilisateurs B descende au-dessous de 40%, provoquant une légère augmentation du retard de transmission. L'isolement n'est donc pas parfait, mais il est néanmoins satisfaisant, comme illustré par la figure 12A.

D'une manière générale, si l'on veut atteindre un accès réellement équitable au canal de transmission, les poids attribués aux niveaux de protections autres que le premier doivent être inversement proportionnels aux temps de transmission respectifs. Par exemple, comme T1=3/5 T2 T4, on pourrait utiliser la pondération suivante:

Tableau 2

Niveaux de protection utilisés #1 #2 #3 #4 Poids X (1,0,0,0) X X (5, 3, 0, 0) X X (5, 0, 3, 0) X X (5, 0, 0, 3) X X X (10, 3, 3, 0) X X X (10, 3, 0, 3) X X X (10, 0, 3, 3) X X X X (15, 3, 3, 3) Par rapport à l'exemple du tableau 1, cette stratégie d'ordonnancement pénalise plus fortement les utilisateurs A , mais assure un isolement parfait aux utilisateurs B . II est important de rappeler que, dans ce contexte, accès équitable ne signifie pas que tous les niveaux de protection disposent du même temps d'accès au canal, mais que les utilisateurs bénéficiant de bonnes conditions (niveau #1) disposent du même temps d'accès que ceux qui se trouvent dans des mauvaises conditions (niveaux #2 à #4). A l'intérieur de chaque catégorie, le temps d'accès est réparti d'une manière homogène.

Plus généralement, on aurait pu choisir de fournir un autre niveau garant de débit aux utilisateurs bénéficiant des meilleures conditions du canal. Par exemple, le tableau suivant garantit aux utilisateurs présentant des bonnes conditions de transmission (niveau de protection #1) l'accès au canal pendant au moins les 3/4 du temps total:

Tableau 3

Niveaux de protection utilisés #1 #2 #3 #4 Poids X (1, 0, 0, 0) X X (5, 1, 0, 0) X X (5, 0, 1, 0) X X (5, 0, 0, 1) X X X (10, 1, 1, 0) X X X (10,1,0,1) X X X (10,0,1,1) X X X X (15,1,1,1) En effet: 5ÉT1 = 3/4 (5.T1 + T2) = 3/ (5.T1 + T3)= 3/4 (5.T1 + T4) 10.T1 =3/ (10-T1 +T2+T3)=3/ (10ÉT1 +T2+T4)=3/ (10-T1 +T3+T4) 15.T1 =%(15- T1 +T2+T3+T4).

D'une manière générale, l'invention permet d'atteindre, par le choix de critères d'ordonnancement opportuns, des objectifs différents, dont on n'a fourni ici que quelques exemples. La portée de l'invention n'est donc pas limitée à des choix particuliers des vecteurs de pondération, ni à des algorithmes d'ordonnancement déterminés.

Bien que l'invention ait été décrite en faisant référence à un système de communications par satellite, et plus particulièrement à un système mettant en oeuvre le standard DVB-S2, elle peut être appliquée dans d'autres systèmes de communications, à condition que l'on puisse trier les paquets de données à acheminer sur la base d'un critère de position géographique des utilisateurs.

D'une manière similaire, d'autres caractéristiques techniques des systèmes décrits dans la présente demande constituent uniquement des exemples et ne limitent pas la portée de l'invention. Par exemple, bien que seulement le multiplexage par partage de temps (TDM) ait été étudié, l'invention s'applique également à des systèmes à partage de fréquence ou à code de répartition.

Encore, la transmission à débit de symboles constant avec modulation et codage adaptatifs pourrait, par exemple, être remplacée par une transmission à débit adaptatif. La notion de niveau de protection pour la transmission d'un bloc de données n'est par conséquent pas limitée à la modulation et au codage adaptatifs, mais peut comprendre, par exemple, l'utilisation de différents débits de symboles et/ou niveaux de puissance du signal.

Dans les modes de réalisation considérés, le niveau de protection des paquets de données est uniquement fonction des conditions du canal, mais on peut imaginer que des paquets différents, adressés au même utilisateur, seraient traités différemment. Par exemple, des données sensibles peuvent être transmises avec un plus haut niveau de protection et donc un plus faible débit que des informations pouvant tolérer un taux d'erreurs plus important. Par ailleurs, l'information sur les conditions du canal, utilisée pour choisir le niveau de protection des données et éventuellement pour la détermination dynamique des zones de corrélation, ne provient pas nécessairement des utilisateurs eux-mêmes via un canal de retour. On pourrait, par exemple, obtenir cette information par l'intermédiaire d'un deuxième système de communications, ou bien d'une manière indirecte à partir de données météorologiques.

Claims (25)

REVENDICATIONS

1. Procédé pour ordonnancer des paquets de données et les transmettre, avec un niveau de protection requis, à partir d'un émetteur commun vers une pluralité d'utilisateurs partageant un canal de transmission commun, comportant les étapes de: recevoir au moins un flux de paquets de données en entrée; répartir lesdits paquets entre une pluralité de files d'attente (FI FN); 1 o extraire les paquets de tête desdites files d'attente sur la base d'un premier algorithme d'ordonnancement; stocker chaque paquet dans une mémoire tampon particulière (B1 BM) d'un ensemble (220) de mémoires tampons en fonction du niveau de protection requis lors de sa transmission; et extraire des blocs de données desdites mémoires tampons (B1 BM) sur la base d'un deuxième algorithme d'ordonnancement; transmettre lesdits blocs de données avec le niveau de protection requis à travers ledit canal de transmission commun; caractérisé en ce que la répartition des paquets entre ladite pluralité de files d'attente est effectuée sur la base d'un critère de position géographique de l'utilisateur à qui chaque paquet est destiné.

2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel ladite étape de répartition desdits paquets entre des files d'attente (FI FN) sur la base d'un critère de position géographique comporte une opération d'identification de zones géographiques (Z1 Z4) telles que les séries temporelles des valeurs d'une grandeur représentative des conditions du canal de transmission pour les utilisateurs situés à l'intérieur d'une même zone soient, en moyenne, corrélées entre elles.

3. Procédé selon la revendication 2 dans lequel ladite opération d'identification de zones géographiques (Zl Z4) est effectuée en prenant en compte la distribution spatiale des utilisateurs pour centrer lesdites zones géographiques sur les régions (AI A4) à plus haute densité d'utilisateurs et pour faire passer les limites entre zones dans des régions à plus faible densité d'utilisateurs.

4. Procédé selon la revendication 2 dans lequel ladite opération d'identification de zones géographiques est effectuée sur la base d'au moins une information représentative des conditions du canal de transmission.

5. Procédé selon la revendication 4 dans lequel ladite information représentative des conditions du canal de transmission est envoyée par chaque utilisateur vers l'émetteur commun via un canal de retour (CR).

6. Procédé selon la revendication 4 ou 5 dans lequel ladite opération d'identification de zones géographiques est répétée 15 périodiquement.

7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le niveau de protection requis pour la transmission de chaque paquet de données est déterminé en fonction d'au moins une information représentative des conditions du canal de transmission envoyée par chaque utilisateur vers l'émetteur commun via un canal de retour (CR).

8. Procédé selon l'une des revendications 4 à 7 dans lequel ladite information représentative des conditions du canal de transmission est indicative du rapport entre le signal et le bruit plus interférences.

9. Procédé selon l'une des revendications précédentes 25 comportant également une étape de codage desdits blocs de données avec un taux de codage dépendant du niveau de protection requis.

10. Procédé selon l'une des revendications précédentes comportant également une étape de groupement des bits desdits blocs de données en symboles, le nombre de bits par symbole dépendant du niveau de protection requis.

11. Procédé selon la revendication 10 comportant également la transmission desdites symboles vers lesdits utilisateurs par ledit canal de transmission partagé à un débit de symboles constant.

12. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel ledit premier algorithme d'ordonnancement est exécuté à une vitesse supérieure à celle dudit deuxième algorithme d'ordonnancement.

13. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel ledit premier algorithme d'ordonnancement est un algorithme d'ordonnancement par permutation circulaire.

14. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel ledit deuxième algorithme d'ordonnancement est un algorithme d'ordonnancement par permutation circulaire pondérée adaptative avec limite de temps.

15. Procédés selon l'une des revendications précédentes dans lequel ledit premier algorithme d'ordonnancement comporte, préalablement à l'extraction d'un paquet de données d'une desdites files d'attente (F1 FN), une vérification de l'état d'occupation de la mémoire tampon (B1 BM) à laquelle ledit paquet est destiné, et effectue ladite extraction seulement si ladite mémoire tampon peut stocker ledit paquet.

16. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel ledit canal de transmission commun est un canal de transmission par satellite.

17. Dispositif pour ordonnancer des paquets de données destinés à être transmis, avec un niveau de protection requis, à partir d'un émetteur commun vers une pluralité d'utilisateurs partageant un canal de transmission commun, comportant: une entrée pour recevoir au moins un flux de paquets de données à transmettre; un classificateur de paquets (110) pour répartir lesdits paquets 30 entre une pluralité de files d'attente (F1 FN) ; un ensemble d'emplacements de mémoire pour réaliser une pluralité de files d'attente (F1 FN); - un ensemble (220) de mémoires tampons (B1 BM) ; un premier ordonnanceur (130) pour extraire les paquets de tête desdites files d'attente (FI FN) sur la base d'un premier algorithme d'ordonnancement et les adresser vers une mémoire tampon (B1 BM) particulière dudit ensemble (220) en fonction du niveau de protection requis lors de sa transmission; et un deuxième ordonnanceur (230) pour extraire des blocs de données desdites mémoires tampons (B1 BM) sur la base d'un deuxième algorithme d'ordonnancement; caractérisé en ce que ledit classificateur de paquets comprend un moyen (TC) pour repartir les paquets entre lesdites files d'attente (FI FN) sur la base d'un critère de position géographique de l'utilisateur à qui chaque paquet est destiné.

18. Dispositif selon la revendication 17 comportant également une unité de codage et modulation adaptatifs (260) pour effectuer un codage des blocs de données et un groupement des bits codés en symboles de modulation en fonction dudit niveau de protection requis.

19. Dispositif selon l'une des revendications 17 et 18 comportant également une entrée (ECR) pour recevoir une information 20 représentative des conditions du canal de transmission pour chaque utilisateur.

20. Dispositif selon la revendication 19 dans lequel ladite entrée (ECR) est reliée à un canal de retour (CR) par lequel chaque utilisateur envoie ladite information représentative des conditions du canal de 25 transmission.

21. Dispositif selon la revendication 19 ou 20 comportant également un moyen (CO) pour déterminer le niveau de protection requis pour la transmission de chaque paquet sur la base de ladite information représentative des conditions du canal de transmission.

22. Dispositif selon l'une des revendications 19 à 21 comportant également un moyen (CO) pour modifier ledit critère géographique de répartition des paquets sur la base de ladite information représentative des conditions du canal de transmission.

23. Dispositif selon l'une des revendications 17 à 22 comportant également un moyen (CO) pour modifier l'algorithme d'ordonnancement du deuxième ordonnanceur (230) sur la base d'un signal représentatif de l'état d'occupation des mémoires tampons (B1 BM).

24. Dispositif selon l'une des revendications 17 à 23 comportant également un moyen (CO) pour empêcher, sur la base d'un signal représentatif de l'état d'occupation des mémoires tampons (B1 BM), l'extraction d'un paquet de tête d'une desdites files d'attente (F1 FN) de la part du premier ordonnanceur (130) lorsque la mémoire tampon (B1 BM) à laquelle ledit paquet est destiné ne dispose pas d'une capacité libre suffisante pour le stocker.

25. Dispositif selon l'une des revendications 17 à 24 comportant également un moyen (CO) pour contrôler la vitesse de fonctionnement du premier (130) et du deuxième (230) ordonnanceur, de manière à que le premier algorithme d'ordonnancement soit exécuté à une vitesse supérieure à celle du deuxième algorithme d'ordonnancement.