Optimisation de réseaux mobiles hybrides satellite-terrestres

Optimization of hybrid mobile terrestrial/satellite networks

• Auteur / Autrice : Michael Crosnier
• Direction : André-Luc Beylot, Riadh Dhaou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Réseaux, Télécommunications, Systèmes et Architecture
• Date : Soutenance le 25/06/2013
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, informatique et télécommunications (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche en informatique de Toulouse / IRIT

Mots clés

Mots clés libres

Lte

Manet

Satellite

Sélection de passerelle

Handover

Système hybride

Lte

Manet

Satellite

Gateway selection

Handover

Hybrid systems

Résumé

Le monde des communications par satellite est dominé par les systèmes de diffusion de la télévision. Cependant, des satellites de communication offrent aussi des services de téléphonie et de données. Ils sont regroupés dans les familles des systèmes fixes et mobiles et ciblent des marchés de niche. Dans cette thèse, nous avons la volonté d’étendre les scénarios d’utilisation de ces systèmes. Notre vision nous dicte que leur développement est lié à l’utilisation de réseaux hybrides mobiles satellite-terrestre. En effet, une utilisation complémentaire des deux segments permet de s’affranchir d’une concurrence trop féroce des réseaux de télécommunications terrestres. Pour cela, nous optons pour deux applications qui nous paraissent prometteuses : un réseau mobile LTE (Long Term Evolution) avec des stations de base qui possèdent un backhaul satellite et un réseau MANET (Mobile Ad-hoc NETwork) qui s’interconnecte à des réseaux extérieurs grâce à des liaisons satellite. Nous soulevons l’un des problèmes les plus contraignants du réseau mobile LTE avec des backhauls satellite : la gestion de la mobilité. L’analyse du standard nous a conduits à conclure quant à la nécessité d’optimiser les procédures du handover. Ceux qui nécessitent des modifications surviennent entre des stations de base qui n’utilisent pas le même backhaul satellite et entre une station de base avec un backhaul satellite vers une avec un backhaul terrestre. Deux points nous ont semblé importants : la phase de préparation et le mécanisme qui permet d’éviter les pertes. Nous proposons donc une nouvelle phase de préparation qui prend en compte le retard induit par la liaison satellite ainsi qu’une phase de préparation à double décision combinée avec une préparation de multiples stations de base. Nous tentons ainsi de maximiser les chances de réaliser un handover avec succès. Puis, nous avons imaginé un mécanisme qui permet à la fois d’éviter les pertes lors de l’exécution du handover et de sauvegarder les précieuses ressources du satellite. Les réseaux MANET associés à des liaisons satellite offrent des caractéristiques très intéressantes pour les communications d’urgence, telles que l’indépendance vis-à-vis des infrastructures terrestres susceptibles d’être endommagées par des catastrophes ainsi qu’un déploiement rapide pour une intervention sur le théâtre des opérations. Nous avons souhaité améliorer l’un des points cruciaux dans le cadre d’une hybridation : la sélection de la passerelle satellite. Nous avons donc développé un mécanisme qui prend en compte la charge sur les passerelles satellite ainsi que le phénomène d’oscillation de passerelle souvent négligé dans la littérature. Ces optimisations ont pour but de favoriser le développement de réseaux hybrides satellite terrestres en améliorant les performances de ces réseaux. L’avenir nous semble prometteur quant à l’utilisation de la technologie LTE avec un backhaul satellite pour lequel nous avons proposé une nouvelle gestion de la mobilité qui est primordiale pour son développement.

Satellite communications are leaded by television broadcasting. Yet, fixed and mobile satellite systems provide voice services as well as IP-based applications. In this thesis, we try to develop user scenarios in order to extend their targeted market. Our vision to reach this objective consists to use hybrid satellite and terrestrial mobile networks. This network design avoids a competition between both segments in which a satellite success is difficult to imagine. Furthermore, hybrid networks may draw benefits from both segments. Two promising scenarios have been selected. The first one consists in a mobile LTE network (Long Term Evolution) with base stations backhauled by satellite links whereas the second scenario is composed of a Mobile Ad-hoc Network (MANET) connected to external networks thanks to satellite systems. One of the main problems in the hybrid LTE scenario is caused by mobility procedures. As a consequence of the standard analysis, we have decided to optimize the mobility management in two cases: a handover between two base stations for which the backhaul is provided by two different satellite terminals and a handover from a base station with a satellite backhaul to one with a terrestrial backhaul. Two procedures have drawn our attention: the preparation phase and the loss avoidance mechanism during the execution phase. First of all, we design a new procedure for the preparation which takes into account the delay induced by the satellite link. This new phase is based on a twofold decision preparation associated with multiple preparations. This solution leads to an increase of handover success. The second optimization aims to avoid losses during the execution phase and, at the same time, save satellite resources. MANET and satellite hybridization leads to very interesting characteristics for public safety communications. Indeed, these networks are independent of terrestrial infrastructures that can be impaired or destroyed. Furthermore, they can be rapidly deployed in the theater of operation. Gateway selection is a crucial problem linked to hybrid MANET. Therefore, we have focused our work on this mechanism taking into account the measured load on the satellite links as well as an oftenneglected phenomenon, the gateway flapping. These optimizations tend to promote hybrid satellite and terrestrial networks improving their performance. A promising future is foreseen for the hybrid LTE technology and we have proposed a solution to a problem that may be very detrimental to its deployment.