Allô la constellation Kinéis ? Ici le terminal !

Allô la constellation Kinéis ? Ici le terminal !

Bien qu’en théorie assez similaire, la communication entre un objet connecté et les satellites Kinéis est un peu plus compliquée qu’une discussion avec les collègues autour d’un café, et ce n’est sûrement pas le même contenu…

Stratégie d’émission

Chaque cas d’usage a ses propres caractéristiques, liées à l’environnement de l’objet, la quantité de données à émettre ou le délai attendu de livraison de ces données. Pour répondre à ces besoins de la manière la plus efficace possible, la stratégie d’émission peut être adaptée.

Quelles données émettre ?
Des données utiles provenant de capteurs embarqués (position calculée par un récepteur GNSS, température, pression…) ou des messages spécifiques aux besoins. La taille d’un message dépend de la nature de l’information à envoyer, et aussi de la précision requise, par exemple une position GNSS à 10m près, occupe typiquement 8 octets de données.

Comment émettre ?
Les messages sont émis avec une période d’émission fixe, définie à partir des besoins en collecte de données (quantité de données à envoyer, âge maximum de la donnée…). Pour assurer une bonne réception en tenant compte des contraintes de déploiement (puissance d’émission, environnement de l’objet…), chaque message est généralement répété 3 à 5 fois. Plusieurs stratégies existent, comme le cyclage des données ou l’entrelacement des messages, pour une communication plus efficace et donc une économie de batteries.

Quand émettre ?
Le système Kinéis repose sur une constellation de satellites en orbite basse et polaire à une vitesse frôlant les 8km/s, chaque satellite couvrant toute la surface de la Terre en moins de 12 heures. Du point de vue d’un objet connecté, la communication est possible lorsque le satellite passe au-dessus de lui, ce qui peut durer jusqu’à 12 minutes selon l’élévation du satellite au moment de son passage (l’angle de passage par rapport à l’horizon).

4 types de stratégies d’émission sont possibles, en fonction des besoins et de la réglementation :

• Émission sur prévision de passage (situation standard) : si l’objet connaît sa position (grâce à un récepteur GNSS par exemple) et les paramètres d’orbites des satellites, il est capable de prévoir leurs passages grâce à un algorithme embarqué. Il peut donc émettre seulement lorsqu’un satellite est en visibilité et ainsi optimiser sa stratégie d’émission et sa consommation d’énergie.
  
• Émission sur réception de la voie descendante : si l’objet est équipé d’un récepteur, il peut scanner régulièrement la voie desendante pour guetter le signal venant d’un satellite avant d’émettre.
  
• Communication bi-directionnelle : dans ce cas on oublie la redondance, puisque l’objet demande un acquittement au satellite pour tous les messages émis, ce qui lui permet de réémettre les messages perdus ou mal reçus. Cette stratégie requiert évidemment un récepteur embarqué, et peut être utilisée en complément de l’une des deux premières.
  
• Émission périodique aléatoire : si l’objet ne connaît pas les prévisions de passage des satellites et n’a pas de récepteur embarqué, il ne peut qu’émettre aléatoirement. Certains messages ne seront pas reçus par les satellites, d’où l’importance d’une stratégie de répétition adaptée.

Réception de la voie descendante

Les satellites qui émettent sur la voie descendante peuvent envoyer des messages aux objets connectés, comme les acquittements, des informations utiles sur la constellation servant au calcul des prévisions de passage des satellites, des commandes à distance ou des messages personnalisés.

Quelles données recevoir ?
Messages Allcast : les satellites diffusent périodiquement des informations utiles sur la constellation, appelées messages allcast et mises à disposition de tous les objets connectés : « constellation status », paramètres d’orbites pour chaque satellite, date et heure UTC.
Les informations contenues dans ces messages sont nécessaires à l’objet pour calculer les prévisions de passage des satellites, mais peuvent être reçues par d’autre moyens (autres systèmes de communication, mise à jour manuelle…).

Messages utilisateurs : les satellites peuvent également émettre des messages pré-définis pour la reconfiguration d’un émetteur/récepteur (changement de la période d’émission, de la puissance…) ou des messages personnalisés pour des besoins métier (fréquence d’acquisition d’un capteur, reconfiguration, messages textuels…) à un ou plusieurs objets. Dans tous les cas, les objets doivent être en mesure de décoder et d’interpréter les messages reçus.

Comment recevoir ? 
Les messages allcast sont diffusés en permanence par les satellites, donc l’objet n’a qu’à écouter et le reçoit lorsqu’un satellite qui émet sur la voie descendante passe en visibilité.
Un message utilisateur est adressé à un ou plusieurs objets en particulier, donc leur émission par le satellite est déclenchée par un message reçu depuis ce(s) objet(s).

Quand recevoir ?
Le récepteur de l’objet connecté doit être programmé selon les messages susceptibles d’être reçus par la voie descendante, en utilisant les prévisions de passage des satellites.

Calcul des prévisions de passage

Un algorithme embarqué est fourni par Kinéis pour que chaque objet connecté puisse calculer les prévisions de passage des satellites. Voici un aperçu de son fonctionnement :

Données en entrée : l’objet connecté a besoin de 3 informations essentielles : sa position, la date et l’heure UTC et les paramètres d’orbites des satellites. Ces derniers peuvent être reçus par la voie descendante ou par d’autres systèmes de communication, et sont valables jusqu’à 2-3 mois. Les deux premiers peuvent être donnés par un récepteur GNSS embarqué, et un déplacement de plus de quelques centaines de kilomètres devra engendrer un nouveau calcul des prévisions de passage.

Configuration : l’algorithme peut être paramétré pour mieux répondre aux contraintes du cas d’usage telles que les obstacles sur le terrain. Le paramétrage inclut : début et fin des prévisions, élévation minimale à considérer, limitation de la durée d’un passage ou une marge temporelle pour palier au décalage de l’horloge embarquée.

Données en sortie : l’algorithme renvoie la liste des passages entre les dates spécifiées, ainsi que les paramètres à appliquer à l’émetteur/récepteur selon les capacités des satellites : voie descendante, réception de la modulation haut-débit…

Définir la stratégie de communication optimale est un travail minutieux et est le résultat de divers compromis impliquant la quantité de données à envoyer, la consommation d’énergie par rapport à l’autonomie souhaitée et la tolérance aux messages perdus, en considérant les contraintes introduites par l’environnement dans lequel l’objet est déployé. Et tout cela pour une discussion fluide, tout autour du globe !