Optimisation of the waveguide routing for a telecommunication satellite
Optimisation du routage de guides d'ondes pour un satellite de télécommunications
Résumé
In recent decades, the demand for fixed and mobile communication services as well as over-the-air television, digital broadcasting or broadband Internet has raised exponentially. To meet these growing needs, telecommunication satellite operators must continually increase the capacity of their satellites, which leads to a significantly higher number of components and connections inside the new satellite payloads. Among these connections, the waveguides are pipes with a rectangular section which carry useful electromagnetic signals between two components of the satellite payload. However, these signals suffer from on-line radio-frequency losses during their carriage along the waveguides. It results that the design of the waveguide harness plays a crucial role on the performances of the satellite. This PhD thesis proposes optimisation methods for the detailed routing of waveguides, reducing their lengths while taking into account the design constraints of the radio-frequency harness.
The studied Waveguide Routing Problem, introduced in Part I, consists in connecting an input configuration to an output configuration by using a waveguide composed of a succession of straight sections and bends (Chapter 1). It considers several non-standard features for classical Pipe Routing approaches (Chapter 2) such as dealing with a set of bends restricted to a catalogue that can contain both orthogonal and non-orthogonal bends, or with pipes of rectangular section, which makes the pipe orientation important.
As a first step, in Part II, all routing space constraints are ignored in the Free Waveguide Routing Problem (Chapter 4) and two resolution approaches are introduced. The first formulation uses Mixed Integer Linear Programming and is based on the enumeration of the possible orientations for the waveguide segments (Chapter 5). Because of the poor performances of this approach on industrial instances, another formulation adapted to the Informed Search Algorithms is proposed using a notion of routing plan that describes a partially routed waveguide (Chapter 6). The feasibility of a plan is then evaluated using Linear Programming while the space of plans can be explored with algorithms like Weighted A* or Beam Search. To do so, two different heuristics are proposed to estimate the distance to the destination using Euclidean distance and minimal bend combinations. With the best heuristic, which has been shown to be consistent, this second formulation clearly outperforms the MILP approach, solving most instances within a second (Chapter 7).
In a second phase, in Part III, the Constrained Waveguide Routing Problem, which consists in routing a single waveguide within a restricted three-dimensional space that may contain obstacles, is studied. To model these spatial constraints, the routing space is seen as a three dimensional continuous space divided into non-regular convex cells that avoid obstacles (Chapter 8). Then, both resolution methods introduced for the Free Waveguide Routing Problem are extended. The channel of cells to be traversed is first introduced as a set of new decision variables in the MILP model (Chapter 9) and in the Search Problem formulation. Furthermore, several heuristics based on relaxed trails in the routing space are proposed to improve the estimations by considering the space constraints and obstacles (Chapter 10). While the MILP approach tested is not able to provide solutions in a reasonable time, the Informed Search Algorithms solve small and medium industrial instances with realistic waveguides within a few minutes (Chapter 11).
These approaches have been integrated into software tools for the industrial design of waveguides and have successfully reduced the time of design for the radio-frequency harness.
Ces dernières décennies, la demande en services de communication fixes ou mobiles, de télévision en direct, de radio numérique ou d’Internet à haut débit a augmenté de manière exponentielle.
Pour y répondre, les opérateurs de satellites de télécommunications doivent accroître continuellement la capacité de leurs satellites, ce qui engendre une hausse importante du nombre d’équipements et de connexions au sein des nouvelles charges utiles. Parmi ces connexions, les guides d’ondes sont des canalisations à section rectangulaire qui transportent des signaux électro-magnétiques entre deux composants du satellite. Ces signaux subissent des pertes radiofréquentielles en ligne lors du parcours des guides d’ondes. Ainsi, la conception du harnais de guides d’ondes joue un rôle crucial sur les performances du satellite. Cette thèse propose des méthodes d’optimisation pour le routage détaillé des guides d’ondes permettant de réduire leur longueur tout en prenant en compte les contraintes de conception du harnais radio-fréquentiel.
Le problème de routage de guide d’ondes étudié, introduit dans la partie I, consiste à connecter une configuration d’entrée à une configuration de sortie en utilisant un guide d’ondes composé d’une succession de sections droites et de coudes (chapitre 1). Il possède plusieurs caractéristiques non standards pour les approches classiques de routage de canalisations (chapitre 2), tels que la gestion d’un ensemble de coudes restreint à un catalogue de coudes orthogonaux et/ou non-orthogonaux, ou bien la gestion d’une canalisation à section rectangulaire, ce qui rend important la notion d’orientation de cette canalisation.
Dans un premier temps, dans la partie II, toutes les contraintes d’espace de routage sont ignorées dans le problème de routage de guide d’ondes en espace libre (chapitre 4) et deux approches de résolution sont introduites. La première utilise la Programmation Linéaire Mixte (PLM) et est basée sur l’énumération des orientations possibles pour un segment du guide d’ondes (chapitre 5). Cette approche est néanmoins peu performante sur des instances issues de cas industriels,
c’est pourquoi une autre formulation adaptée aux Algorithmes de Recherche Informés (ARIs) est proposée en utilisant une notion de plan de routage qui décrit un guide d’ondes partiellement routé (chapitre 6). La faisabilité d’un plan est évaluée avec de la programmation linéaire tandis que l’espace des plans est exploré avec des algorithmes comme le A* pondéré ou la recherche en faisceaux. Pour estimer la distance restante jusqu’à la destination, deux heuristiques utilisant la
distance euclidienne et des combinaisons de coudes minimales sont présentées. Avec la meilleure heuristique, dont la consistance a été démontrée, cette seconde formulation surpasse l’approche PLM en résolvant la plupart des instances en moins d’une seconde (chapitre 7).
Dans la partie III, on s’intéresse au problème de routage de guide d’ondes en espace contraint, qui consiste à router un unique guide d’ondes dans un espace restreint pouvant contenir des obstacles. Pour modéliser ces contraintes spatiales, l’espace de routage est vu comme un espace continu en trois dimensions divisé en cellules convexes non régulières qui évitent les obstacles (chapitre 8). Les deux approches de résolution proposées précédemment pour le problème de routage de guide d’ondes en espace libre sont étendues à ce nouveau problème. Le choix d’un canal de cellules devant être traversées est introduit dans le modèle PLM (chapitre 9) et dans la formulation en problème de recherche. Par ailleurs, plusieurs heuristiques basées sur des pistes relaxées dans l’espace de routage sont proposées pour améliorer les estimations de distance à la destination en considérant les contraintes spatiales (chapitre 10). Finalement, si l’approche PLM testée n’est pas capable de fournir des solutions en un temps raisonnable, les ARIs résolvent certaines instances industrielles en proposant des guides d’ondes réalistes en quelques minutes
(chapitre 11). Ces approches ont été intégrées dans des outils de conception industrielle des guides d’onde et ont permis de réduire le temps de conception du harnais radio-fréquentiel.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)