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OpenEdition Books

Quatre ans de recherche urbaine 2001-2004. Volume 2

 | 
Émilie Bajolet
, 
Marie-Flore Mattéi
, 
Jean-Marc Rennes

VI. Management, gestion et systèmes techniques

Déploiement de réseaux sans fil à large bande : application au LMDS en zone urbaine1

Landaabalo Agba

Texte intégral

  • 1 Thèse de doctorat sous la direction de Bernard Jecko, soutenue le 27 octobre 2004 à l’Université d (...)
  • 2 Docteur en électronique.

1Note portant sur l’auteur2

INTRODUCTION

2Le paysage de l’information et de la communication connaît une évolution sans précédent. Cette évolution est consécutive à l’augmentation et à la diversification des offres de services plus « gourmands » en bande passante et en débit. Pour assurer ces services, différentes solutions ont été envisagées et ont apporté plus ou moins de satisfaction aux abonnés (Industriels, PME-PMI, Administrations, particuliers). Le câble, les technologies DSL, bien qu’offrant des débits satisfaisants se révèlent assez contraignants. Le surcoût des travaux de génie civil, l’insuffisance du câblage et la dépendance des nouveaux opérateurs à l’opérateur traditionnel limitent considérablement une large diffusion à bas coût de ces nouvelles technologies.

3Pour contourner ces problèmes, les solutions de réseaux sans fil offrent une alternative crédible. Ces réseaux fonctionnent sur le principe de la propagation des ondes électromagnétiques. La fréquence et l’environnement de propagation sont deux paramètres essentiels à considérer. Notre recherche répond ainsi au besoin d’une meilleure prise en compte de l’environnement urbain afin de faciliter le déploiement de ces réseaux.

4Nous avons réalisé un logiciel de simulation fondé sur la connaissance précise du milieu grâce aux bases de données géographiques GIS (Geographic Information System). Le principe de fonctionnement et les résultats de simulation avec leurs interprétations seront présentés. Les mesures seront comparées avec les simulations. Enfin des techniques seront proposées pour améliorer et optimiser la couverture de ces réseaux. Le tout appliqué à une technologie émergente, le LMDS : Local Multipoint Distribution Services.

LE LOGICIEL DE SIMULATION : LIBUS

5Le LMDS est une technologie sans fil de type cellulaire, Point-Multipoint (d’une station de base vers un ensemble d’abonnés) capable de véhiculer simultanément et de manière bidirectionnelle la voix, l’image et les données. Parmi les nombreux avantages notons la facilité de desservir un groupe d’abonnés isolé sans recourir à un nouveau câblage. De plus ce type de réseau offre aux abonnés la facilité de mobilité dans la zone de couverture et aux opérateurs la rapidité de déploiement avec un investissement progressif en infrastructure.

6Le déploiement du réseau LMDS en cours d’expérimentation à Limoges dans le cadre d’un projet RNRT « ERASME : Évaluation de Réseaux Sans fil Multimédia en EHF » a nécessité un outil de simulation afin d’étudier la couverture radio électrique. Nous avons ainsi réalisé le logiciel LIBUS (LInk BUdget Simulator) fondée sur la méthode de Tracé de Rayons issue de l’Optique Géométrique et de la Théorie Uniforme de la Diffraction [Jensen, Garres, Sabbadini, 1990].

7LIBUS utilise des bases de données GIS-3D commercialisées en France par l’IGN (Institut Géographique National) et quelques fournisseurs privés. Ces données, avec une résolution et une précision inférieures ou égales au mètre, sont constituées de différentes couches, chacune contenant une information spécifique [Voir « What is GIS »].

8Le LMDS fonctionne dans la bande de 40,5-43,5 GHz comme dans la plupart des pays européens. À cette fréquence, tout obstacle (immeuble, végétation…) peut bloquer la propagation du signal. De ce fait, seules les couches susceptibles d’affecter considérablement la propagation sont prises en compte. La figure 1 montre les principales couches utilisées dans le déploiement du réseau LMDS.

9La couche « bâti » est la plus importante à cause de l’exigence de visibilité directe et des réflexions éventuelles. En effet, les murs et les toits des bâtiments peuvent engendrer des signaux réfléchis et provoquer à la réception des interférences destructives ou constructives avec le signal incident.

Fig. 1 – Exemple de visualisation des données GIS-3D avec les principales couches.

10La couche « végétation » atténue considérablement le signal en sorte qu’à la réception il est trop faible pour être détecté. Mais l’effet de cette couche est saisonnier contrairement à la couche « bâti ».

11La méthode de prédiction de la propagation utilisée dans LIBUS permet une facile implémentation des diagrammes de rayonnement en trois dimensions des antennes et fournit des résultats précis sur :

  • Le niveau de puissance reçue.
  • Les angles d’arrivée des signaux.
  • Les retards entre signaux.

12L’organigramme de LIBUS permet de traiter deux cas de figures :

131. La couverture des zones en visibilité directe. Dans ce cas, la relation 1 est utilisée pour calculer la puissance totale reçue par un abonné en fonction de la distance et de la différence de hauteur entre son récepteur et l’émetteur de la station de base.

142. La couverture des zones d’ombres dues au masquage par des obstacles. Dans ce cas on utilise un réflecteur ou un répéteur actif pour contourner l’obstacle. La relation 2 permet de connaître la puissance reçue via un réflecteur [Ruck, 1970]. La grandeur ◘ est fonction de la forme géométrique du réflecteur et de la fréquence de travail.

Fig. 2 – Organigramme général de LIBUS.

15Bien que conçu pour répondre aux besoins spécifiques du LMDS, LIBUS peut être utilisé pour tout système radio fonctionnant à une fréquence comprise entre à 20 et 50 GHz.

LES RÉSULTATS DE SIMULATIONS ET DE MESURES

16Les résultats de simulation obtenus grâce à LIBUS ont permis une meilleure compréhension de la propagation à 40 GHz.

17À titre d’exemple, les figures 3-a et 3-b montrent respectivement l’effet de la différence de hauteur et l’impact de la pluie sur le bilan de liaison. Certains récepteurs pointent vers le trou de rayonnement entre le lobe principal et les lobes secondaires quand l’émetteur est directif en site et quand la différence de hauteur est importante. C’est ce qui explique la présence des zones d’ombre dans la couverture (figure 3-a).

18La pluie est très pénalisante à 40 GHz et réduit la portée de la couverture. Pour une disponibilité du système de 99,99 %, la portée passe respectivement de 3,5 km à 1,7 km pour des intensités de pluie 8 mm/h et 32 mm/h avec une sensibilité du récepteur de -110 dB.

19Les figures 4 et 5 montrent une bonne corrélation entre simulations et mesures. D’autres résultats de mesures montrent que la prise en compte des rayons réfléchis ne doit pas être systématique mais doit tenir compte de la rugosité de la surface réfléchissante. En effet la rugosité donne lieu à un phénomène de diffusion. C’est le cas en particulier pour la réflexion au sol.

20La figure 6 montre un exemple de cartographie de la couverture radio simulée avec LIBUS sur un secteur autour de la Technopole de Limoges.

Fig. 3 – Effets de la différence de hauteur et de la pluie.

Fig. 4 – Simulation-Mesures : cas n° 1.

Fig. 5 – Simulation-Mesures : cas n° 2.

Fig. 6 – Couverture radio dans un secteur autour d’ESTER, Limoges.

AMÉLIORATION ET OPTIMISATION DE LA COUVERTURE DU RÉSEAU LMDS

21Deux problèmes sont apparus dans l’étude de la couverture du réseau LMDS :

221. La présence de zones d’ombres dues soit à l’utilisation d’émetteurs directifs soit au masquage par les obstacles. Celles dues aux émetteurs directifs peuvent être supprimés en utilisant des antennes ayant un diagramme de rayonnement en cosécante carrée (voir figure 7-a, 7-b) [Freytag, Jecko, 2002]. Les autres sont considérablement réduites grâce à l’utilisation de réflecteurs très peu coûteux (simples plaques métalliques).

Fig. 7 – Couverture des zones d’ombre par une antenne en cosécante carrée.

232. La portée assez limitée de la couverture. À 40 Ghz, elle s’étend d’environ 2 km à 4 km en fonction des conditions climatiques. De nouveaux types d’antennes dites antennes intelligentes permettent d’améliorer la couverture.

24Les figures 8-a, 8-b montrent le principe d’une antenne multifaisceaux ainsi que l’optimisation de la couverture [Dall’omo, 2003].

25La figure 8-c illustre le principe d’extension de la couverture en ayant recours à des répéteurs actifs relativement coûteux mais indispensables pour éviter la multiplication des stations de bases encore plus coûteuses.

Fig. 8 – Solutions d’extension de la couverture radio.

CONCLUSION

26LIBUS est un outil de simulation qui offre « un gain de temps » appréciable pour un ingénieur radio. Son application au LMDS a donné des résultats satisfaisants, la comparaison avec les mesures en est la preuve. Différentes simulations ont permis d’expliquer certains phénomènes de propagation à 40 GHz.

27Cet outil utilisé dans le cadre du projet ERASME permettra aussi d’étudier la couverture sur différentes configurations dans le cadre du programme européen BROADWAN (Broadband services for everyone over fixed Wireless Access Networks).

28Nous travaillons actuellement à l’interfaçage graphique de LIBUS pour le rendre plus convivial et accessible même pour les non-spécialistes.

VALORISATION

29Publications

30Agba L., (2001), « L’essentiel sur le LMDS : système de télécommunication multiservices à haut débit », Fascicule, juillet.

31Communications

32Agba L., (2003), « Outil de simulation de bilan de liaison pour le LMDS à 40 GHz », XIIIeJournées Nationales Micro-ondes, Lille, France, mai 2003.

33Agba L., (2003), « LMDS (40 GHz) network deployment in urban environment », The 7th World Multiconference on Systemics, Cybernetics and Informatics, Orlando, Florida, July 2003.

34Agba L., (2004), « Coverage prediction for LMDS at 40 GHz : Simulations and measurements », soumis au Progress in Electromagnetics Research Symposium (PIERS), Nanjing, Chine.

35Agba L., (2004), « Planning tool for LMDS coverage using 3D geographic information system data », soumis à l’International Conference on E-Business & Telecommunication Networks (ICETE), Setubal, Portugal.

36Agba L., (2004), « Ray tracing method for wireless networks design in millimetric range », Soumis à The 7th International Symposium on Wireless Personal Multimedia Communications, Padova, Italie.

37Agba L., (2004), « Réseaux locaux sans fil, supports de développement des technologies de l’information et de la communication », Soumis au Colloque International de la Francophonie Développement durable : leçons et perspectives, Ouagadougou, Burkina Faso.

Bibliographie

RÉFÉRENCES

«What is GIS » http://www.GIS.com

Dall’omo C., (2003), Contribution à l’étude d’antennes à pointage électronique en millimétrique. Conception et réalisation de différentes topologies de matrices de Butler, thèse de doctorat, Université Limoges.

Freytag L., Jecko B., (2002) « Cosecant-squared antenna for the optimisation of LMDS system coverage », Journées Internationales de Nice sur les Antennes, Nice.

Jensen F., Garres C., Sabbadini M., (1990), « CAD applications with GTD », Journées Internationales de Nice sur les Antennes, Nice, pp. 150-163.

Ruck G.T., (1970), Radar cross section handbook, New-York-London, Plenum Press.

Notes

1 Thèse de doctorat sous la direction de Bernard Jecko, soutenue le 27 octobre 2004 à l’Université de Limoges.

2 Docteur en électronique.

Table des illustrations

Légende Fig. 1 – Exemple de visualisation des données GIS-3D avec les principales couches.
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Fichier image/jpeg, 288k
URL http://books.openedition.org/pufr/docannexe/image/554/img-2.jpg
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URL http://books.openedition.org/pufr/docannexe/image/554/img-3.jpg
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Légende Fig. 2 – Organigramme général de LIBUS.
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Légende Fig. 3 – Effets de la différence de hauteur et de la pluie.
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Fichier image/jpeg, 349k
Légende Fig. 4 – Simulation-Mesures : cas n° 1.
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Fichier image/jpeg, 212k
Légende Fig. 5 – Simulation-Mesures : cas n° 2.
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Fichier image/jpeg, 216k
Légende Fig. 6 – Couverture radio dans un secteur autour d’ESTER, Limoges.
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Légende Fig. 7 – Couverture des zones d’ombre par une antenne en cosécante carrée.
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Légende Fig. 8 – Solutions d’extension de la couverture radio.
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Auteur

Allocataire de recherche
mailto:landaabalo.agba@unilim.fr
Institut de Recherche en Communications Optiques et Micro-ondes (IRCOM) – CNRS UMR n° 6615
Équipe CREAPE
Faculté des Sciences
123, Avenue Albert Thomas
87060 Limoges Cedex
ou
Ester-Technopole
B.P. 6912
87069 Limoges Cedex
Tél. : 05 55 42 60 50

© Presses universitaires François-Rabelais, 2006

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