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Liens optiques corrigés par optique adaptative pour les télécoms sol-GEO à très haut débit

Description

L’augmentation exponentielle des besoins en transfert de données à l’échelle du globe conduit à envisager des liaisons optiques à haut débit entre le sol et des satellites de télécommunication servant de relais. La configuration la plus en vogue s’appuie sur des liens bidirectionnels sol / satellite géostationnaire à très haut débit (de l’ordre du Tbit/s) dit liens GEO-Feeder [VédrenneICSOS2017]. L’exigence extrême sur la performance de ces systèmes requiert des développements innovants sur l’ensemble des segments de la chaine : sources de puissance, format de modulation/démodulation et gestion du canal de propagation. Ce dernier segment concerne notamment la gestion des effets de la turbulence atmosphérique qui induisent non seulement une perte sur le signal optique moyen mais aussi de profonds évanouissements (>15 dB) sur des temps longs (quelques millisecondes) par rapport au temps symbole. La gestion de ces effets est donc essentielle pour atteindre les débits recherchés. Elle repose sur des stratégies optiques (correction par optique adaptative) et numériques (codage/entrelacement) qui sont au cœur de ce sujet de recherche.

L’optique adaptative est utilisée au sol pour mesurer et corriger les effets de la turbulence atmosphérique sur le faisceau descendant, avant injection dans une fibre optique monomode. Le principe de réciprocité [ShapiroOptCommNetw2012] permet de démontrer que cette correction est aussi pertinente pour pré-compenser de la turbulence le faisceau montant. Dans le cas de faisceaux montant-descendant co-alignés on peut même montrer, moyennant certaines hypothèses de symétrie sur le système, que les signaux optiques sol et espace sont en fait identiques, le lien est dit « réciproque ». Cette parfaite symétrie est cependant rompue par le pointage en avant : angle entre les faisceaux descendant et montant imposé par le mouvement du satellite sur son orbite [ShapiroOptCommNetw2012]. Les conséquences du pointage en avant sont de plusieurs natures : il limite l’efficacité de la pré-compensation du faisceau montant (effet d’anisoplanétisme) et donc la performance de ce lien, de plus les signaux optiques sol et espace ne sont plus strictement identiques, dans ce cas le lien est dit « partiellement réciproque » [RobertPhysRev2016]. Les caractéristiques statistiques du canal de propagation sont bien sûr essentielles pour optimiser le volet numérique du lien et évaluer les performances télécom (débit et latence).

A ce stade il est donc essentiel d’obtenir une démonstration expérimentale de la pré-compensation par optique adaptative et d’enrichir nos connaissances sur les statistiques du canal de propagation. Dans le cadre du projet FEEDELIO, l’ONERA effectue pour l’ESA la première démonstration expérimentale d'une pré-compensation par optique adaptative sur un lien proche du sol qui s’avère représentatif du cas opérationnel sol – satellite géostationnaire [VédrenneICSOS2017]. Les essais auront lieu au premier semestre 2019 sur le site de l’Optical Ground Station de l’ESA (Iles Canaries, Espagne).

La thèse s’inscrit dans cette démarche et vise la maîtrise et l’optimisation des liens optiques sol-GEO pré-compensés par optique adaptative, du canal de propagation aux modalités de transmission télécom (codage, entrelacement...). Cet objectif se décline selon les thèmes de recherche suivants :

    • étude de l’optique adaptative pour les liens sol-GEO (notamment pour la pré-compensation du lien montant),

    • caractérisation statistique des canaux montant et descendant et proposition d’un modèle de canal pour un tel lien bidirectionnel,

    • étude des limites théoriques en performance (capacité du canal...) pour le modèle de canal proposé,

    • optimisation des performances (débit, latence, disponibilité) en s’appuyant sur ce modèle de canal : adaptation du format de modulation et du rendement du code (adaptation de lien) et/ou compensation des effets du canal en utilisant du pré-codage numérique.

Le/a doctorant s’appuiera sur les données FEEDELIO afin d’étudier l’évolution de la qualité de la correction par optique adaptative en fonction du nombre de modes corrigés et de l’angle de pointage en avant. Il pourra aussi utiliser nos codes de simulation (modèle semi-analytique SAOST et codes bout-en-bout TURANDOT-AOST). Résultats expérimentaux et simulations seront d’ailleurs confrontés afin d’enrichir et de fiabiliser les codes et l’évaluation de performance.

La caractérisation du canal s’appuiera sur nos travaux récents [CanuetJOSAA2018] qui se concentrent sur la caractérisation du canal de propagation descendant via des métriques télécom (notamment la loi de distribution des durées d’évanouissement). Il s’agira d’étendre l’analyse au canal montant et de caractériser la réciprocité partielle des canaux montant et descendant.

Ces modèles de canal ouvrent la voie d’une optimisation du volet numérique (codage/entrelacement) dédiée au cas sol-GEO, voire à l’optimisation conjointe des méthodes optiques (dimensionnement de l’optique adaptative) et des méthodes numériques. Le/a doctorant/e évaluera notamment l’apport d’une prise en compte de la réciprocité partielle du lien dans la stratégie de transmission. Ce type d’approche est évoqué dans la littérature [PuryearOptCommNetw2013] mais il n’existe pas actuellement d’étude dans le cadre de liens optiques télécom sol-espace corrigés par optique adaptative. A noter en tout cas que, dans le domaine connexe des liens optiques pour la comparaison d’horloges sol-satellite, nous avons effectivement démontré que l’exploitation de la réciprocité partielle du lien permet de limiter drastiquement l’impact de la turbulence [RobertPhysRev2016] ce qui permet d’envisager des transferts de fréquence sol-espace à très haute précision et ouvrent ainsi de nouvelles perspectives pour la physique fondamentale.

La thèse apportera donc des concepts innovants de compensation et réduction des effets de la turbulence sur les liens optiques sol-GEO, maillon essentiel du développement des futurs systèmes GEO-Feeder. Ces concepts pourront à terme être étendus à d’autres configurations de liens optiques en espace libre (liens sol-satellites LEO ou liens terrestres).

Profil

Ecoles d’ingénieurs en Physique/Optique et/ou Télécoms, ou Master sur ces thématiques.

Compétences souhaitées : Optique/Physique, statistiques, télécoms, théorie de l’information

Description de la structure
Laboratoire d'accueil : ONERA/DOTA
Directeur(rice) de thèse/recherche : Rekaya Ghaya
E-mail du directeur(rice) de thèse/recherche : ghaya.rekaya@telecom-paristech.fr
Responsable Cnes de l'offre : ARTAUD Géraldine

Pour postuler à cette offre, nous vous invitons à vous rapprocher du directeur/rice de thèse et compléter avec son aide la partie cofinancement  du formulaire en ligne (Répondre à l’offre)  pour le 1er avril 2019

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