Optimisation du routage de guides d'onde pour un satellite de télécommunications

Optimisation of the waveguide routing for a telecommunication satellite

• Auteur / Autrice : Marvin Stanczak
• Direction : Cédric Pralet, Vincent Vidal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique et Systèmes Embarqués
• Date : Soutenance le 04/04/2022
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Systèmes (Toulouse ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe d'accueil doctoral Analyse, Commande Dynamique et Conception des systèmes (Toulouse, Haute-Garonne ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut supérieur de l'aéronautique et de l'espace (Toulouse, Haute-Garonne). Département d’ingénierie des systèmes complexes
• Jury : Président / Présidente : Elise Vareilles
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Elise Vareilles, Dominique Feillet, Nicolas Jozefowiez, Vincent Baudoui, Nadia Brauner, François Clautiaux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dominique Feillet, Nicolas Jozefowiez
• DOI : 10.70675/35e1df59zb764z4076za7b2z90bf0a782f14

Mots clés

Mots clés contrôlés

Guides d'ondes

Programmation linéaire

Métaheuristiques

Mots clés libres

Algorithme de Recherche Informé

Optimisation

Guide d'ondes

Pipe routing

Méta-Heuristique

Programmation Linéaire

Pipe routing

Optimization

Informed Search Algorithm

Waveguide

Linear Programming

Meta-Heuristics

Résumé

Ces dernières décennies, la demande en services de communication fixes ou mobiles ainsi qu'en diffusion de télévision en directe, de radio numérique ou d'Internet à haut débit a augmenté de manière exponentielle. Pour répondre à cette demande croissante, les opérateurs de satellites de télécommunications doivent accroître continuellement la capacité de leurs satellite, ce qui engendre une hausse importante du nombre d'équipements et de connections au sein des nouvelles charges utiles.Parmi ces connections, les guides d'ondes sont des canalisations à section rectangulaire qui transporte des signaux électro-magnétiques utiles entre deux composants du satellite. Cependant, ces signaux subissent des pertes radio-fréquentielles en ligne au long des guides d'ondes. Ainsi, la conception du harnais de guides d'ondes joue un rôle crucial sur les performances du satellite.Cette thèse propose des méthodes d'optimisation pour le routage détaillé des guides d'ondes permettant de réduire leurs longueurs tout en prenant en compte les contraintes de conception liées au harnais radio-fréquentiel.Le Problème de Routage de Guide d'Ondes étudié consiste à connecter une configuration d'entrée à une configuration de sortie en utilisant un guide d'ondes composé d'une succession de sections droites et de coudes. Il considère plusieurs aspects non standards pour les approches classiques de Routage de Canalisations tels que la gestion d'un ensemble de coudes restreint à un catalogue pouvant contenir des coudes orthogonaux mais également non-orthogonaux, ou bien la gestion d'une canalisation à section rectangulaire, ce qui rend important la notion d'orientation de la canalisation.Dans un premier temps, toutes les contraintes spatiales sont ignorées dans le Problème de Routage de Guide d'Ondes en espace Libre et deux approches de résolutions sont introduites. La première formulation utilise la Programmation Linéaire Mixte (PLM) et est basée sur l'énumération des orientations possibles pour un segment du guide d'ondes. A cause des médiocres performances de cette dernière approche sur des instances industrielles, une autre formulation adaptée aux Algorithmes de Recherche Informés est proposée en utilisant une notion de plan de routage qui décrit un guide d'ondes partiellement routé. La faisabilité d'un plan est alors évaluée avec de la Programmation Linéaire tandis que l'espace des plans est exploré avec des algorithmes comme le A* pondéré ou la Recherche en Faisceaux. Pour cela, la distance à la destination peut être estimée via deux heuristiques utilisant la distance euclidienne et des combinaisons de coudes minimales. Avec la meilleure heuristique, dont la consistance a été démontrée, cette seconde formulation surpasse clairement l'approche PLM en résolvant la plupart des instances en moins d'une seconde.Dans un second temps, le Problème de Routage de Guide d'Ondes en espace Contraint, qui consiste à router un unique guide d'ondes dans un espace restreint pouvant contenir des obstacles, est étudié. Pour modéliser ces contraintes spatiales, l'espace de routage est vu comme un espace continu en trois dimensions divisé en cellules convexes non régulières qui évitent les obstacles. Ensuite, les deux approches de résolution proposées pour le Problème de Routage de Guide d'Ondes en espace Libre sont étendues. La décision du canal de cellules devant être traversées est alors introduit dans le modèle PLM et dans la formulation en Problème de Recherche. Par ailleurs, plusieurs heuristiques basées sur des pistes relaxées dans l'espace de routage sont proposées pour améliorer les estimations en considérant les contraintes spatiales et les obstacles. Finalement, si l'approche PLM n'est définitivement pas capable de fournir des solutions en un temps raisonnable, les Algorithmes de Recherche Informés résolvent de petites instances industrielles avec des guides d'ondes réalistes en quelques minutes.

In recent decades, the demand for fixed and mobile communication services as well as over-the-air television, digital broadcasting or broadband Internet has exponentially raised. To meet these growing needs, the telecommunication satellite operators must continually increase the capacity of their satellites, which leads to a significantly higher number of components and connections inside the new satellite payloads.Among these connections, the waveguides are pipes with a rectangular section which carries useful electromagnetic signals between two components of the satellite payload. However, these signals suffer from on-line radio-frequency losses during their carriage along the waveguides. It results that the design of the waveguide harness plays a crucial role on the performances of the satellite.This thesis proposes optimisation methods for the detailed routing of waveguides, reducing their lengths while taking the design constraints of the radio-frequency harness into account.The studied Waveguide Routing Problem, introduced in partref{part:introduction}, consists in connecting an input configuration to an output configuration by using a waveguide composed of a succession of straight sections and bends. It considers several non-standard features for classical Pipe Routing approaches such as dealing with a set of bends restricted to a bend catalog that can contain both orthogonal and non-orthogonal bends, or with pipes that have a rectangular section, which makes the pipe orientation important.As a first step, all the space constraints are ignored in the Free Waveguide Routing Problem and two resolutions approaches are introduced. The first formulation uses the Mixed Integer Linear Programming and is based on the enumeration of the possible orientations for the waveguide segments. Because of the poor performances with the latter approach on industrial instances, another formulation adapted to the Informed Search Algorithms is proposed using a notion of routing plan that describes a partially routed. The feasibility of a plan is then evaluated with Linear Programming while the space of plans can be explored with algorithms like Weighted A* or Beam Search. To do so, the distance to the destination can be estimated with two possible heuristics using Euclidean distance and minimal bend combinations. With the best heuristic, which has been shown to be consistent, this second formulation clearly outperforms the MILP approach solving most of the instances within a second.In a second phase, the Constrained Waveguide Routing Problem, which consists in routing a single waveguide within a restricted three-dimensional space that may contains obstacles, is studied. To model these space constraints, the routing space is seen as a three dimensional continuous space divided into non-regular convex cells that avoid obstacles. Then, both resolution methods introduced for the Free Waveguide Routing Problem are extended. The channel of cells to crossed is so introduced as decisions variables in the MILP model and in the Search Problem formulation. Furthermore, several heuristics based on relaxed trails in the routing space are proposed to improve the estimations by considering the space constraints and obstacles. Finally, if the MILP approach is definitely not able to provide solutions in reasonable time, the Informed Search Algorithms solve small industrial instances with realistic waveguides within few minutes.