Combien d’OGS faut-il déployer pour atteindre une disponibilité réseau de 99,99 % ?
Des communications RF aux communications optiques
Les communications laser (lasercom) apportent des réponses concrètes aux principaux défis auxquels sont aujourd’hui confrontés les réseaux de communications satellitaires (satcom) par radiofréquence (RF). La croissance du trafic satellitaire dépasse largement les capacités des infrastructures sol traditionnelles. En parallèle, les stations sol RF existantes se sont révélées vulnérables aux menaces physiques comme aux contraintes réglementaires. Les communications laser offrent des débits plus élevés (plus de 100 Gbit/s), des communications plus sécurisées et souveraines (LPI/LPD), et ne sont soumises à aucune licence spectrale, quelle que soit la région du monde. En conséquence, les futures constellations développées par les acteurs du New Space, ainsi que par les programmes institutionnels et souverains, intègrent déjà des capacités de communication optique en orbite.
Jusqu’à présent, les stations sol optiques (OGS) étaient principalement considérées comme des équipements indépendants et déployées comme des démonstrateurs technologiques individuels. La conception d’un réseau opérationnel d’OGS nécessite cependant une approche fondamentalement différente. Les réseaux de communication satellitaire optique doivent être conçus comme des architectures maillées et coordonnées, s’appuyant sur le routage spatial rendu possible par les liaisons optiques inter-satellites (OISL), afin d’offrir des capacités fiables de transmission espace-sol (S2G) dépassant de plusieurs ordres de grandeur celles des infrastructures RF actuelles. Les liaisons optiques étant plus sensibles aux conditions atmosphériques telles que la couverture nuageuse, l’atténuation par les aérosols ou la turbulence atmosphérique, les réseaux optiques reposent sur une répartition géographique des OGS afin de garantir la continuité du service grâce à la diversité des sites, tout en s’appuyant sur les OISL pour le routage des données.
Une approche orientée « réseau optique » ne consiste donc pas à identifier le meilleur site individuel pour une démonstration, mais à concevoir la combinaison optimale de sites capables d’assurer une disponibilité continue du service à l’échelle d’un réseau global.
Contrairement aux idées reçues, atteindre une disponibilité de 99,99 % ne nécessite pas des dizaines d’OGS. Notre analyse montre que moins de dix OGS sur des sites soigneusement sélectionnés suffisent déjà à offrir un niveau de disponibilité de service conforme aux standards des opérateurs télécoms.
Les architectures de réseaux sol optiques sont fondamentalement différentes de la RF
La géométrie orbitale d’une constellation de satellites influence directement les performances du réseau. La répartition géographique des stations sol détermine quelles passes orbitales peuvent être utilisées pour établir les liaisons espace-sol. Pour les constellations de communication, l’objectif est de maintenir une connectivité continue et donc de maximiser la disponibilité et l’utilisation des liaisons espace-sol. Les infrastructures sol RF s’appuient souvent sur des stations situées en haute latitude, car les orbites polaires survolent naturellement ces régions plusieurs fois par jour. Pour les communications optiques, ces emplacements ne sont cependant pas les plus adaptés.
Contrairement aux liaisons RF traditionnelles, les liaisons optiques sont fortement dépendantes des conditions atmosphériques. Les régions de haute latitude connaissent fréquemment une couverture nuageuse persistante, ce qui limite la disponibilité des communications optiques. De nombreux sites parfaitement adaptés aux communications RF ne sont donc pas idéaux pour les communications optiques. La comparaison entre Svalbard et Los Angeles illustre concrètement cette problématique.
Plutôt que de concentrer le réseau à proximité des pôles, une architecture optique tire profit de plusieurs stations situées à des latitudes intermédiaires et réparties sur différents continents.
En s’appuyant sur cette diversité géographique, ces sites conservent un excellent accès aux satellites en orbite polaire tout en améliorant significativement la disponibilité liée aux conditions météorologiques.
Au-delà de la couverture nuageuse, l’atténuation due aux aérosols constitue un autre facteur important dans la conception des réseaux d’OGS. Même lorsque le ciel est dégagé, les aérosols atmosphériques tels que la poussière, la pollution, les embruns marins ou la fumée peuvent réduire la puissance du signal optique par diffusion et absorption. Comme ces effets dépendent de la longueur d’onde utilisée et varient fortement d’un site à l’autre, les statistiques relatives aux aérosols doivent être prises en compte au même titre que la disponibilité météorologique lors de l’évaluation des performances des OGS et de la sélection des sites du réseau.
À l’inverse, contrairement aux infrastructures RF traditionnelles, les réseaux de stations sol optiques bénéficient d’une plus grande flexibilité de déploiement. Les stations sol optiques ne nécessitent ni spectre radio exclusif ni protection contre les interférences RF. Elles peuvent donc être implantées beaucoup plus près des points d’échange Internet (IXP), des principaux centres de données et des infrastructures de fibre optique terrestres. Les OGS industrielles ont déjà démontré des communications fiables à faibles angles d’élévation (< 20°), au niveau de la mer et à proximité de zones urbaines. Cette approche réduit les coûts de raccordement aux réseaux terrestres, simplifie l’intégration aux infrastructures cloud et permet d’éviter de nombreuses contraintes réglementaires traditionnellement associées au déploiement de passerelles RF. Plutôt que de rechercher des sites isolés exempts d’interférences radio, les opérateurs peuvent ainsi optimiser simultanément leurs réseaux en fonction de la connectivité, de l’efficacité opérationnelle et de la diversité météorologique.
La complémentarité météorologique est la clé d’une disponibilité élevée pour les communications optiques
Les performances d’un réseau de stations sol optiques ne dépendent pas uniquement de la disponibilité individuelle de chaque station, mais également de la corrélation de leurs conditions météorologiques dans le temps. Il semble logique de penser qu’un ensemble de sites présentant individuellement les meilleures disponibilités permet de constituer le réseau le plus performant, mais en réalité, ce n’est pas le cas.
Si deux stations sont simultanément couvertes par des nuages, la seconde apporte de la redondance mais n’augmente pas la visibilité effective du réseau. À l’inverse, deux stations individuellement moins favorables mais soumises à des conditions météorologiques différentes peuvent accroître significativement la probabilité qu’au moins une liaison optique reste disponible à un instant donné.
Parce que la couverture nuageuse est un phénomène local et variable, la conception d’un segment sol optique est par nature centrée sur le réseau. La question n’est donc pas seulement « Où installer une station sol optique ? », mais plutôt « Quelle combinaison de sites permet d’assurer le niveau de service requis dans le temps ? ». Cette approche fait passer la problématique d’une optimisation de site seul à une véritable étude de disponibilité réseau.
L’extension du réseau permet ensuite de porter la disponibilité au-delà de 99,99 %, en fonction de la géographie, de la corrélation météorologique entre les sites, des contraintes d’accès et des mécanismes d’orchestration du réseau. Le choix des emplacements des OGS devient ainsi un problème d’optimisation réseau plutôt qu’un simple exercice de classement des sites. L’objectif n’est pas de maximiser la disponibilité de chaque station prise individuellement, mais bien de maximiser la disponibilité du réseau dans son ensemble.
99.99 % de disponibilité avec moins de 10 OGS
Les réseaux d’OGS nécessitent pas de dizaines ou de centaines de stations pour atteindre un haut niveau de disponibilité de service. En s’appuyant sur la diversité géographique et la complémentarité des conditions météorologiques entre les sites, les performances du réseau augmentent rapidement à mesure que de nouvelles stations sont ajoutées. Les simulations de réseaux OGS optimisés, basées sur dix années de données mondiales de couverture nuageuse à résolution horaire, montrent que la disponibilité du réseau progresse fortement avec les premières stations déployées avant d’atteindre progressivement un plateau :
- 2 OGS complémentaires atteignent ~ 90 % de disponibilité
- 4 OGS atteignent 99 %
- 8 OGS dépassent 99.99 % de disponibilité réseau
Conclusion: une conception en réseau offre des services optiques haute performance
Si les performances obtenues par une OGS sur un site optimal sont importantes pour démontrer une nouvelle technologie, ces démonstrateurs individuels ne sont souvent pas représentatifs des infrastructures opérationnelles de communications optiques. Un réseau de stations sol optiques doit être évalué à l’échelle globale, en tenant compte de sa capacité, de sa disponibilité, de son coût et de sa latence. La diversité météorologique constitue un levier extrêmement efficace pour améliorer la disponibilité du service. Ainsi, le réseau OGS le plus performant n’est pas nécessairement celui qui regroupe les sites bénéficiant des ciels les plus dégagés, mais celui qui combine les sites dont les conditions météorologiques sont les plus complémentaires.
Une optimisation rigoureuse de la diversité géographique permet à des réseaux optiques de taille relativement modeste d’atteindre des niveaux de disponibilité conformes aux standards des opérateurs télécoms. Notre analyse montre que la disponibilité réseau augmente rapidement avec les premières stations déployées, permettant de dépasser 99,99 % de disponibilité avec moins de dix OGS judicieusement positionnées.
L’enjeu n’est donc pas de construire des centaines de stations sol optiques, mais de concevoir la bonne architecture réseau. Le succès dépend moins de l’identification du « meilleur » site individuel que de la sélection de la combinaison de sites capable de maximiser la continuité du service à l’échelle du réseau.