Comment tisser un réseau efficace entre l’internet des objets et les satellites ?

Environ 4600 millions de personnes sont connectées à Internet via leurs téléphones portables. Pour chacune d’elles, il y a plus de trois appareils qui communiquent avec le réseau. L’Internet des objets (IdO) est composé d’un nombre croissant d’objets connectés: il y a aujourd’hui 15 milliards et à la fin de la décennie, ils seront 30 milliards. Des voitures aux capteurs d’irrigation, en passant par les stations météorologiques dans des lieux reculés ou les drones autonomes, l’IdO ouvre une infinité de nouvelles opportunités pour les communications et les données. Mais il y a aussi d’importants obstacles à surmonter.

L’une des barrières majeures réside dans la façon de connecter les objets à Internet dans les endroits où il n’y a pas d’infrastructure de réseau mobile. La réponse semble être dans les satellites en orbite basse terrestre (LEO, pour Low Earth Orbit), bien que cette solution ne soit pas exempte de ses propres défis. Une nouvelle étude, menée par deux chercheurs de l’Universitat Oberta de Catalunya (UOC), Guillem Boquet et Borja Martínez, du groupe Wireless Networks (WINE), de l’Internet Interdisciplinary Institute (IN3), analyse comment améliorer la coordination entre les milliards d’objets connectés de la surface terrestre et les satellites qui circulent dans notre atmosphère.

L’importance des satellites pour l’IdO

L’explosion de l’Internet des objets au cours de la dernière décennie a stimulé l’innovation dans des domaines très divers, allant de la logistique ou des villes intelligentes à l’agriculture ou le transport maritime. La révolution de l’IdO s’est soutenue, en grande partie, grâce à l’efficacité des dites réseaux à faible consommation et à large couverture (LPWAN) et l’infrastructure terrestre construite pour les télécommunications mobiles. Néanmoins, cette solution si efficace a sa zone grise : comment connecter les dispositifs IdO dans des lieux reculés et dans des zones rurales où cette infrastructure n’existe pas.

Ces dernières années, les constellations de satellites LEO ont émergé comme une solution de rechange qui permet de solutionner les limitations des réseaux terrestres. « Les satellites LEO sont particulièrement pertinents pour l’IdO, car ils requièrent moins de puissance de transmission pour réaliser une communication fiable en étant plus proches de la Terre. Cela permet aux dispositifs d’économiser de l’énergie, prolonger la durée de vie de la batterie et réduire les coûts de maintenance », explique Guillem Boquet. « Parmi d’autres avantages, déployer un satellite en orbite basse a un coût considérablement inférieur, ce qui permet d’offrir des services de connectivité à des prix plus appropriés au contexte de l’IdO. »

De plus, les satellites LEO – comme ceux de Starlink de SpaceX, Eutelsat OneWeb ou le projet Kuiper d’Amazon – permettent de maintenir une latence (le délai entre les communications) beaucoup plus basse qu’avec les satellites géostationnaires, disposent de beaucoup plus de satellites en fonction et d’une couverture plus étendue, leur temps de déploiement est beaucoup plus court et ils sont idéaux pour les communications de nombreux secteurs. Néanmoins, leur utilisation pour l’IdO n’est pas non plus exempte de défis.

Les défis de l’utilisation des constellations de satellites pour l’IdO

L’utilisation de satellites comme partie du réseau IdO a ses propres barrières. Certaines sont liées au développement de l’industrie elle-même (le déploiement de mégaconstellations satellitaires pour garantir une couverture continue ne semble pas probable à court terme en raison de leur faible rentabilité dans le contexte de l’IdO), et d’autres ont trait à des restrictions découlant de la propre conception de la technologie, comme l’augmentation de la probabilité d’interférence entre les communications, les limitations dans l’usage de l’énergie par les dispositifs IdO et les difficultés de synchroniser les cycles d’activité des dispositifs IdO avec les intervalles où la communication satellitaire est disponible.

« Les dispositifs IdO fonctionnent souvent sur batterie et ont des cycles d’activité pour se réveiller et s’éteindre à intervalles réguliers, dans le but de conserver de l’énergie. Ces cycles d’activité périodiques sont communs dans les communications terrestres et sont même standardisés. Mais les constellations LEO ne fournissent pas une couverture continue, donc les fenêtres de communication sont irrégulières et de courte durée », indique Guillem Boquet. « Cela nécessite le développement de stratégies de synchronisation plus avancées qui garantissent une communication fiable et un accès aux opportunités de connectivité offertes par le réseau satellitaire. »

Comment améliorer la synchronisation entre satellites et dispositifs IdO ?

Les modes d’économie d’énergie des dispositifs IdO, qui définissent les moments où le dispositif IdO peut conserver l’énergie et prolonger son autonomie en se mettant en veille, dépendent de temps périodiques. Mais cela ne correspond pas à la façon dont fonctionnent les constellations satellitaires. Pour pouvoir synchroniser les besoins des objets connectés avec les temps d’accès aux satellites LEO, il est nécessaire de pouvoir prédire où chaque satellite va être et quand la fenêtre de communication va s’ouvrir.

« La solution que nous proposons consiste à synchroniser les besoins de transmission de l’application IdO et de communication du réseau avec les moments où le satellite sera accessible. La base de cette synchronisation est de pouvoir prédire ces moments à l’aide d’un modèle de la trajectoire orbitale du satellite, en partant d’un point de départ connu », détaille Guillem Boquet. « Toutefois, réaliser des prédictions a un coût énergétique, car cela nécessite des opérations de calcul périodiques et de mettre à jour le modèle prédictif lorsqu’il dévie de la réalité ».

La solution développée par les chercheurs de l’UOC a été mise à l’épreuve avec un cas de communication réel avec le nanosatellite Enxaneta, premier satellite de la Generalitat de Catalogne dans le projet NewSpace. Les résultats ont été prometteurs: elle améliore le taux d’accès au satellite jusqu’à 99 % et garantit l’accès au réseau sur le long terme, en minimisant la consommation énergétique du dispositif.

« Les prochaines étapes consistent à compléter l’analyse des coûts et des avantages de l’implémentation de cette solution, en considérant différentes applications, réseaux de service, types de constellation satellitaire, dispositifs IdO et technologies de communication, et à proposer et mettre en œuvre des modes d’économie d’énergie qui s’adaptent automatiquement aux demandes de communication et aux conditions variables des réseaux non-terrestres », conclut le chercheur.

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Source: Boquet, G.; Martínez, B.; Adelantado, F.; Pagès, J.; Ruiz-de-Azua, J. A. et Vilajosana, X. Estimation du temps d’accès aux satellites à faible consommation pour les services de l’Internet des objets sur les réseaux non-terrestres. Dans: IEEE Internet of Things Journal. Vol. 11, n° 2, pp. 3206—3216, 15 janvier 2024, doi: 10.1109/JIOT.2023.3298017.

Note de presse de l’UOC de Guillem Boquet, Chercheur du groupe Wireless Networks (WINE), de l’IN3 de l’UOC et Borja Martínez, Chercheur du groupe Wireless Networks (WINE), de l’IN3 de l’UOC.

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