Optimisation des liens télécom sol-GEO haut débit à l'aide de stratégies optiques et numériques

Optimization of High Data Rate Ground to Satellite Links Pre-compensated by Adaptive Optics

• Auteur / Autrice : Perrine Lognoné
• Direction : Ghaya Rekaya Ben Othman, Jean-Marc Conan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Réseaux, informations et communications
• Date : Soutenance le 13/12/2023
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Traitement et communication de l'information (Paris ; 2003-....) - Laboratoire de Traitement et Communication de l'Information
• Partenaire(s) de recherche : : Télécom Paris (Palaiseau, Essonne ; 1878-....)
• Jury : Président / Présidente : Eleni Diamanti
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eleni Diamanti, Aniceto Belmonte, Christophe Peucheret, James Osborn, Ramon Mata Calvo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Aniceto Belmonte, Christophe Peucheret

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optique adaptative

Satellites artificiels dans les télécommunications

Télécommunications optiques

Mots clés libres

Optique adaptative

Communications optiques

Télécommunications satellitaires

Anisoplanétisme

Adaptive optics

Optical communications

Satellite communications

Anisoplanatism

Résumé

Dans un contexte de besoins numériques croissants, les communications optiques par satellite, complémentaires aux infrastructures terrestres, permettraient d'échanger des données du sol vers l'espace à des débits de l'ordre du térabit par seconde. L'une des principales limitations de ces liaisons optiques est la perturbation du champ complexe lors de sa propagation dans l'atmosphère. Du fait de ces perturbations, le flux couplé à bord du satellite fluctue fortement, entrainant de longs et profonds evanouissements du signal, qui dégradent le signal d'information.Plusieurs solutions existent pour atténuer ces pertes d'information. Des moyens physiques, tels que l'utilisation d'une correction par optique adaptative~(OA), permettent minimiser les pertes de couplage, tandis que les techniques numériques permettent d'améliorer la fiabilité des informations grâce au codage et à l'entrelacement. Ces techniques ont été appliquées à la liaison descendante dans des travaux antérieurs. Concernant le lien montant, la technique envisagée est la précompensation par OA. Cependant, du fait de la géométrie du lien, comme le lien montant et descendant sont séparés par l'angle de pointage en avant, cette précompensation, identique à celle du lien descendant, est sous-optimale. Par conséquent, des évanouissements profonds et longs du signal persistent.Dans cette thèse, nous concevons de nouvelles méthodes pour optimiser la phase de précompensation au pointage en avant, améliorant ainsi les statistiques du canal. La conception et l'évaluation de ces méthodes reposent sur un formalisme réciproque qui permet une description de l'erreur de pré-compensation et du flux couplé associé. Pour optimiser la phase de précompensation au pointage en avant, nous developpons quatre méthodes qui exploitent les informations obtenues à partir des mesures disponibles au sein de la station terrestre optique. Toutes ces méthodes permettent de réduire considérablement l'erreur de pré-compensation et donc d'améliorer les statistiques du flux couplé à bord du satellite. De plus, nous évaluons les performances de télécommunication des liaisons utilisant les méthodes de précompensation développées. Enfin, nous développons le modèle statistique de canal de la liaison précompensée par optique adaptative.

In a context of growing digital needs, optical satellite communications serve as a complementary tool to existing terrestrial communication infrastructures. Establishing optical links with GEO-stationary satellites would enable data exchange at rates on the order of Terabits per second between Earth and space. One of the primary limitations this optical link is the disturbance of the optical wave during its propagation through the atmosphere. The effect of atmospheric turbulence results in spatiotemporal fluctuations in the phase and amplitude of this wave. This translates into a highly disturbed beam with speckles evolving over time in the satellite's plane. Consequently, the coupled flux onboard the satellite fluctuates significantly, leading to long and deep signal fades that degrade the information signal.Solutions exist to mitigate these information losses. Physical means, such as adaptive optics, can minimize coupling losses, while digital techniques can enhance information reliability through coding and interleaving. These techniques have been applied to the downlink in previous works (Lucien Canuet). Concerning the uplink, the envisioned optical technique is the pre-compensation by adaptive optics. However, due to the geometry of the link, where the optical up and downlink path are separated by a point-ahead angle, this pre-compensation identical to the downlink AO correction is currently suboptimal. As a result, deep and long signal fades persist.In this thesis, we have designed new methods to optimize the pre-compensation phase at the point-ahead angle, thereby improving the channel statistics. These methods design and evaluation rely on a reciprocal formalism that allows for an analytical description of the pre-compensation phase error and associated coupled flux. To optimize the pre-compensation phase at the point-ahead angle, we have developed four methods that exploit information obtained from available measurements at the optical ground station. All the proposed methods show to greatly reduce the pre-compensation phase error and therefore improve the statistics of the coupled flux aboard the satellite. Additionally, we evaluate the telecommunication performance of the links using the developed pre-compensation methods. Finally, we develop the statistical channel model of the AO pre-compensated link.