Analysis and Optimization of Spectrum Sharing in Integrated Satellite and Terrestrial Mobile Systems

Les technologies mobiles terrestre et satellite sont naturellement complémentaires. Les réseaux cellulaires terrestres sont adaptés aux villes où la densité d'utilisateurs est maximale mais perdent leur rentabilité dans les zones peu peuplées. A l'inverse, les systèmes mobile satellite permettent de couvrir de vastes zones à moindre coût mais n'assurent pas la couverture dans les zones urbaines car le signal est bloqué par les constructions. En les combinant pour assurer la couverture en ville par le réseau terrestre et dans les zones moins denses avec le satellite, on obtient un système à la couverture totale pour un coût optimal. Nous appelons un tel système intégrant une composante satellite et une composante terrestres un "système intégré" satellite/terrestre. Nul doute que d'ici quelques années, le rêve de la communauté satellite de rendre tous les terminaux mobiles capables de se connecter à un satellite sera accessible. Le satellite pourra ainsi être vu par les utilisateurs de terminaux portables comme une énième technologie d'accès à un système "intégré", aux côtés du Bluetooth, du Wifi et des technologies cellulaires (GSM, UMTS, LTE). La réutilisation du spectre satellite par les systèmes terrestres est un facteur déterminant dans le succès de cette intégration car elle permet de justifier les investissements dans le système satellite qui ne peut être rentabilisé par les abonnements seuls. Toutefois sa mise en œuvre pose de nombreux problèmes : règlementaires, commerciaux et bien entendu techniques. Cette thèse apporte des solutions sur ce dernier point et j'espère qu'elle contribuera ainsi à rendre possible ce rêve d'intégration. Nous avons adopté une approche descendante du problème du partage de spectre dans les systèmes mobiles satellite-terrestre. Nous avons tout d'abord établi une synthèse sur les aspects recouverts par l'intégration des systèmes mobiles satellite et terrestre. Nous avons ensuite dressé l'état de l'art sur la problématique de la réutilisation du spectre satellite par les systèmes terrestres, que nous avons complété par nos analyses. Nous avons décidé dans cette thèse de nous focaliser sur un des problèmes majeurs soulevés par cette réutilisation : les interférences co-fréquence du système terrestre sur le lien montant satellite. A partir de l'analyse d'une solution de partage statique de spectre par coordination des plans de fréquence (principe de zone d'exclusion), nous avons élaboré puis analysé les performances de mécanismes innovants d'allocation de ressources dans le système terrestre qui permettent de réduire de façon importante les interférences. De plus, nous proposons une méthode pour garantir au système satellite que les interférences subies sur son lien montant soient inférieures à une valeur limite. Enfin, nous définissons une architecture et les mécanismes associés qui permettent l'implantation des solutions proposées dans un système satellite-terrestre fondé sur la technologie LTE. L'étude du sujet de partage de spectre dans les systèmes mobiles satellite-terrestre est relativement nouvelle et cette thèse constitue donc un travail novateur important qui pourra être utilisé comme base à de futurs travaux.Terrestrial and satellite mobile technologies are naturally complementary. Terrestrial cellular systems are adapted to urban areas where the user density is maximal but their cost-effectiveness is much lower in sparsely populated areas. On the contrary, mobile satellite systems cover large zones at a relatively low cost but they cannot ensure coverage in urban areas because of signal blockage due to buildings. By combining both systems for ensuring coverage in cities with terrestrial networks and in less dense areas with the satellite, we obtain a system with complete coverage for an optimal cost. Such a system is called mobile terrestrial and satellite "integrated system". It is likely that in a few years, the dream of enabling satellite connectivity on all mobile terminals will be within reach. The satellite will then be perceived for mobile terminal users as an additional access technology to an "integrated network" comparable to Wifi, Bluetooth or cellular technologies (GSM, UMTS, LTE). The spectrum reuse by terrestrial systems is a key for the success of this integration because it justifies part of the investments in the satellite systems that cannot be supported by user subscriptions only. However, implementation of spectrum sharing generates many issues: regulatory, commercial and obviously technical. This thesis brings answers on the latter and I hope it will contribute to make this dream of integration become reality. We used a descending approach of the issue of spectrum sharing in terrestrial and satellite mobile systems. First, we establish a synthesis of all the aspects covered by the integration of mobile satellite and terrestrial systems. Then, we made the state of the art on the issue of satellite spectrum reuse by terrestrial systems and we completed it with our analysis. We decided to focus our work on one of the major issues raised by this reuse: co-frequency interference generated by the terrestrial system on the satellite uplink. From the analysis of a solution proposing a static spectrum sharing by coordination of frequency plans (the exclusion zone principle), we elaborated and analyzed performances of innovative mechanisms of resources allocation in the terrestrial system that allows to reduce significantly the interferences. Moreover, we proposed a method for guaranteeing to the satellite system that interferences from the terrestrial system will not exceed a given threshold. At last, we define an architecture and the associated mechanism that allow the implementation of our solution in an integrated terrestrial-satellite systems based on LTE technology. The study of spectrum sharing in terrestrial-satellite mobile systems is rather new and this thesis represents an innovative work that may serve as a basis for future studies on this issue