Depuis leur origine, les échanges entre pilotes et contrôleurs aériens s’effectuent principalement par communication vocale en utilisant une large gamme de liaisons radiofréquences (HF, VHF, bande L …). La croissance rapide du trafic aérien a entrainé une saturation de ces canaux radio. Pour y remédier et automatiser certaines procédures, la communication par liaison de données (Datalink) a été adoptée pour les échanges de données critiques du contrôle du trafic aérien. Ces systèmes de communications sol-bord sont intégrés dans une infrastructure de communication globale appelée ATN (Aeronautical Telecommuncation Network). ATN est basé sur une pile protocolaire OSI dénommée ATN/OSI. Depuis 2010, l’OACI (Organisation de l’Aviation Civile Internationale) encourage la migration vers ATN/IPS (Internet Protocol Suite). L’objectif de cette migration est de faciliter l’interopérabilité entre les réseaux d’accès et le réseau cœur, ce dernier reposant essentiellement sur des protocoles du monde IP. De plus, celle-ci devrait permettre à l’ATN de bénéficier des normes et protocoles IETF qui évoluent constamment.
Dans le contexte du futur ATN/IPS, l’un des principaux défis consiste à garantir la fiabilité de bout-en-bout des communications par Datalink. Les exigences techniques définies par l’OACI recommandent l’utilisation des protocoles de transport UDP et TCP dans l’ ATN/IPS. La couche réseau met en œuvre IPv6 incluant DiffServ. En couche liaison, les communications Datalink aéronautiques s’appuient sur diverses liaisons radio sol-bord. Ces liaisons peuvent présenter des caractéristiques très différentes en termes de capacité et de performances.
Cette thèse traite de la fiabilité de bout en bout des communications Datalink dans le futur ATN/IPS. Nous avons commencé par identifier les exigences de fiabilité pour les applications aéronautiques en tenant compte des indicateurs de performance imposés par les règlementations OACI. En particulier, les applications CPDLC (Controller–Pilot Data Link Communications) et ADS-C (Automatic Dependent Surveillance - Contract) imposent la conformité à des critères de temps de transfert ou de transaction. Dans un premier temps, nous avons développé un modèle de simulation ATN à l’aide du logiciel OMNET++. Les premiers résultats de simulation mettent en évidence l’inadéquation des mécanismes du protocole de transport de la pile OSI pour ces applications aéronautiques mais aussi l’inadéquation du protocole TCP NewReno dans le contexte de l’ATN/IPS.
Cela nous a conduit à proposer une approche innovante pour le futur ATN/IPS, inspirée du protocole, QUIC qui consiste notamment à mettre en œuvre les mécanismes de fiabilité dans la couche application, le protocole de transport étant UDP. Cette solution est conçue pour répondre aux exigences et propriétés hétérogènes des applications actuelles et futures de l’ATN/IPS.
L’approche repose la mise en œuvre de mécanismes de fiabilité sur deux niveaux, répartissant les opérations entre des composants liés aux applications et d’autres liés à la connexion. La fiabilité au niveau de la connexion est gérée par plusieurs mécanismes adaptés des normes QUIC regroupé dans un composant appelé ATNQUIC. La fiabilité au niveau des données applicatives intègre des mécanismes activés en fonction des besoins de l’application ATN/IPS cible, chaque flux étant ensuite multiplexé au sein de la connexion ATNQUIC.
Nous avons ensuite intégré dans notre modèle de simulation ATN/IPS la pile protocolaire spécifiée. Les résultats de simulations montrent que notre approche ATNQUIC garantit les latences et la fiabilité de bout-en-bout conformes aux exigences requises par OACI pour les applications déjà existantes CPDLC et ADS-C mais aussi pour des applications futures générant des volumes de données plus importants. Par ailleurs, ATNQUIC accroît la flexibilité en réduisant la complexité et ainsi les délais nécessaires aux déploiements de futures applications ATN/IPS. |
Since their introduction, the primary means of communication between pilots and air traffic controllers has been voice communications using a wide range of radio frequencies (HF, VHF, L-band, etc.). The rapid growth in air traffic has led to congestion on these radio channels. To address this issue and automate certain procedures, Datalink communication has been adopted for the exchange of critical data for air traffic control. These air-to-ground communication systems are integrated in a global communications infrastructure known as Aeronautical Telecommunication Network (ATN), which is based on an OSI protocol stack called ATN/OSI. Since 2010, the International Civil Aviation Organization (ICAO) has been encouraging migration to ATN over Internet Protocol suite (ATN/IPS). This migration aims to facilitate interoperability between access networks and the core network, which relies primarily on IP protocols. Furthermore, this should enable the ATN to benefit from the constantly evolving IETF standards and protocols.
In the context of the future ATN/IPS, one of the main challenges is ensuring end-to-end reliability of Datalink communications. The technical requirements defined by ICAO recommend the use of UDP and TCP transport protocols in the ATN/IPS. The network layer implements IPv6, including DiffServ. At the link layer, aeronautical Datalink communications rely on various air-to-ground radio links. The characteristics of these links can vary significantly in terms of capacity and performance.
This thesis addresses the end-to-end reliability of Datalink communications in the future ATN/IPS. We started by identifying the reliability requirements for aeronautical applications, taking into account the performance metrics mandated by ICAO regulations regulatory standards. Specifically, CPDLC (Controller–Pilot Data Link Communications) and ADS-C (Automatic Dependent Surveillance-Contract) applications mandate compliance with transfer or transaction time requirements. As a first step, we developed an ATN simulation model using the OMNET++ software. The first simulation results highlight the inadequacy of mechanisms in the transport protocol of the OSI stack for certain aeronautical applications, as well as the unsuitability of the TCP NewReno protocol in the context of ATN/IPS.
This led us to propose an innovative approach for the future ATN/IPS, inspired by the QUIC protocol, which involves, notably, implementing reliability mechanisms at the application layer, with UDP serving as transport protocol. This solution is designed to meet the heterogeneous requirements and characteristics of existing and future ATN/IPS applications.
This approach implements reliability mechanisms on two levels, distributing operations between data-related and connection-related components. Connection-level reliability is managed by several mechanisms adapted from QUIC standards, which are combined within a component called ATNQUIC. Data-level reliability incorporates mechanisms that are activated according to the needs of the target ATN/IPS application, with each flow then being multiplexed within the ATNQUIC connection.
We then integrated the specified protocol stack into our ATN/IPS simulation model. The simulation results show that our ATNQUIC approach guarantees end-to-end latency and reliability that meet ICAO requirements for existing CPDLC and ADS-C, as well as for future applications generating larger data volumes. Furthermore, ATNQUIC increases flexibility while reducing the complexity and time required to deploy future ATN/IPS applications. |