Routeur embarqué pour les communications critiques aéronautiques en environnement multi liens

Embedded Router for critical aeronautical communications in a multi-links environment

• Auteur / Autrice : Alexandre Tran nguyen
• Direction : Nicolas Larrieu, Alain Pirovano
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Informatique et Systèmes Embarqués
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 20/01/2021
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Systèmes (Toulouse ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Recherche ENAC
• Jury : Président / Présidente : André-Luc Beylot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hakima Chaouchi, Isabelle Chrisment, Alain Pirovano, Cong Duc Pham, Nader Mbarek
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hakima Chaouchi, Isabelle Chrisment

Mots clés

Mots clés libres

Routeur embarqué

Communications aéronautiques critiques

Muti liens

Embedded Router

Critical aeronautical communications

Multi-links

Résumé

Les communications critiques aéronautiques constituent un enjeu majeur pour la sécurité des vols aériens. Pendant longtemps, celles-ci se reposaient uniquement sur la voix, qui est transmise via un système de communication analogique. Compte-tenu de la croissance du trafic aérien, ce moyen de communication est arrivé à saturation et de plus il a parfois montré ses limites en terme de compréhension des messages vocaux, d’où la nécessité de trouver une méthode alternative. L’essor des technologies de communication basées sur des signaux numériques permet d’échanger des messages textuels sur une longue distance. Au départ réservé pour les opérations des compagnies aériennes non critiques, il a vite été adopté pour les communications entre le pilote et le contrôleur aérien, afin de décharger le canal radio dédié. On parle alors de Data Link. Ce système, inclus dans une infrastructure plus globale appelée ATN/OSI, a le double avantage de désengorger les fréquences utilisées mais aussi de limiter la mauvaise compréhension de certains messages. Les prochaines évolutions de ce système de communication aéronautique basé sur la suite IP et appelé ATN/IPS est en cours de développement. Il devra résoudre certains problèmes en proposant de nouvelles technologies de communication et des solutions réseaux innovantes pouvant s'adapter à l’accroissement du trafic de données critiques aériennes. Dans cette thèse, nous adressons plusieurs problématiques liées au développement de l’ATN/IPS. La première concerne la mobilité réseau de l’avion. En effet, l’ATN/IPS regroupera plusieurs opérateurs fournissant chacun leur propres sous-réseaux composés d’une ou plusieurs méthodes d’accès. Etant donné la portée limitée de certaines d’entre elles, un avion a nécessairement besoin d’en utiliser plusieurs lors d’un vol. Un transfert intercellulaire (handover) est déclenché dès lors qu’un avion se connecte à une nouvelle station sol, entraînant dans certains cas la nécessité de modifier le routage vers celui-ci. Nous proposons d’associer et d'adapter deux protocoles de mobilité, PMIPv6 et LISP, afin de garantir la continuité de la transmission des données critiques tout en minimisant l’impact sur l’architecture avionique et le canal radio de communication. Notre solution est comparée à une solution standard de mobilité IP dans un environnement réseau simulé et spécifiquement développé sous OMNeT++. Les résultats démontrent que notre approche permet de réduire le délai du handover, tout en allégeant le trafic de signalisation sur le canal radio. De plus, afin de proposer la meilleure connectivité de l’avion nous proposons une automatisation de la sélection des meilleurs liens dans le contexte multilink et ATN/IPS. Généralement, les algorithmes de multilink (ou sélection de liens) sont découpés en 3 parties : la collecte des informations de liens, la décision des liens à utiliser, et l’utilisation des nouveaux liens. La solution de mobilité proposée dans cette thèse étant aussi compatible avec le multilink, nous nous intéressons aux 2 premières étapes. Nous proposons d’utiliser une méthode active pour sonder les liens et estimer leur qualité. Cette approche a l’avantage d’être indépendante des technologies de communication sous-jacentes. Nous comparons ensuite 3 méthodes d’estimation basées sur le délai d’aller-retour et évaluons les performances de chacune d’entre elles. La première méthode repose sur une détermination par seuils, la deuxième s'appuie sur un modèle probabiliste et la troisième utilise l'apprentissage supervisé. Cette méthode par apprentissage permet d’estimer le lien sur la durée avec une bonne précision. Enfin, nous proposons un algorithme de sélection de liens dans le cas où le lien primaire ne répond plus aux exigences de qualité de service.

Critical aeronautical communications are a major issue for flight safety. For a long time, these have relied solely on voice, which is transmitted via an analog communication system. Given the growth in air traffic, this mean of communication has reached saturation and moreover, it has sometimes shown its limits in terms of understanding voice messages, hence the need to find an alternative method. The development of communication technologies based on digital signals allows text messages to be exchanged over a long distance. Initially reserved for non-critical airline operations, it was quickly adopted for communications between the pilot and the air traffic controller, in order to offload the dedicated radio channel. This is known as Data Link. This system, included in a more global infrastructure called the ATN/OSI, has the double advantage of relieving congestion on the frequencies used, but also of limiting the misunderstanding of certain messages. The next evolutions of this aeronautical communication system based on the IP suite and called ATN/IPS is under development. It will have to solve certain problems by proposing new communication technologies and innovative network solutions that can adapt to the increase in critical air data traffic. In this thesis, we address several issues related to the development of ATN/IPS. The first one concerns the network mobility of the aircraft. Indeed, the ATN/IPS will gather several operators, each providing their own sub-networks composed of one or more access methods. Given the limited range of some of them, an aircraft necessarily needs to use several of them during a flight. A handover is triggered as soon as an aircraft connects to a new ground station, which in some cases requires a change in routing to the aircraft. We propose to combine and adapt two mobility protocols, PMIPv6 and LISP, to guarantee continuity of critical data transmission while minimizing the impact on the avionics architecture and the radio communication channel. Our solution is compared to a standard IP mobility solution in a simulated network environment and specifically developed under OMNeT++. The results show that our approach reduces the handover delay, while lightening the signaling traffic on the radio channel. Moreover, in order to propose the best aircraft connectivity, we propose an automation of the selection of the best links in the multilink and ATN/IPS context. Typically, multilink algorithms (or link selection) are split into three parts : collecting link information, deciding which links to use, and using the new links. As the mobility solution proposed in this thesis is also compatible with multilink, we are interested in the first two steps. We propose to use an active method to probe the links and estimate their quality. This approach has the advantage of being independent of the underlying communication technologies. We then compare three estimation methods based on round trip delay and evaluate the performance of each of them. The first method is based on threshold determination, the second is based on a probabilistic model and the third uses supervised learning. This learning-based method makes it possible to estimate the link over time with good precision. Finally, we propose a link selection algorithm in the case where the primary link no longer meets the quality of service requirements.