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Couverture extrême en 5G

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Résumé

La dynamique de la 5G constitue une réelle opportunité de mobilisation de l’écosystème pour combler l’absence de connectivité Internet dans les zones à faible densité de population, en particulier les zones rurales des pays émergents.

Une couverture extrême, c’est-à-dire l’augmentation du rayon des cellules, permet aux opérateurs de réseau mobile de réduire considérablement le nombre de sites nécessaires pour élargir leur couverture, car les principaux coûts d’un réseau résident dans le déploiement et l’exploitation de sites d’accès (tour, énergie, maintenance). Typiquement, un rayon de cellule de 45 km, voire de 60 km dans des zones à faible densité, peut être atteint en combinant les solutions suivantes : augmentation du nombre de secteurs par gNodeB (stations de base 5G), mécanismes logiciels de répétition du signal, rehaussement des antennes ou intégration dans des plateformes aériennes…

Orange, qui a initié les exigences de couverture extrême dès le début des discussions sur la 5G, mène un projet sur les réseaux mobiles de nouvelle génération intitulé « Communications à très longue portée pour une couverture en zone rurale profonde », afin de créer un élan pour faire développer des solutions économiquement viables pour adresser les marchés émergents.


Article complet

La dynamique autour de la 5G constitue une véritable opportunité de mobilisation de l’écosystème des télécommunications pour combler le fossé existant et assurer une connectivité Internet dans les zones blanches qui sont généralement les régions rurales des pays émergents.

Selon l’Union internationale des télécommunications (UIT), les chiffres de juin 2018 sur la pénétration d’Internet révèlent que plus de 4 milliards de personnes, soit 45 % de la population mondiale, ne sont pas connectées à Internet. En Afrique notamment, 74,6 % de la population ne bénéficie toujours pas d’un accès de base à Internet. Bien qu’une partie de la population vivant dans les régions densément peuplées puisse déjà accéder à Internet par le biais des réseaux 3G et 4G, la majorité vit dans des zones rurales faiblement peuplées. Cela implique qu’il existe encore de nombreuses opportunités dont les opérateurs de télécommunications pourraient tirer profit en proposant des services Internet de base aux personnes non connectées qui vivent dans ces zones.

L’extension de la couverture demeure un enjeu majeur pour les opérateurs de réseau mobile

Bien que l’extension de la couverture constitue un enjeu majeur pour les opérateurs de réseau mobile, les modèles de marché cellulaire et les solutions technologiques favorisés par les économies matures ne sont pas appropriés ni suffisamment adaptés pour cerner le potentiel de ces marchés non desservis. La tendance actuelle est au déploiement de cellules de petite taille dans un boîtier unique (par exemple, le projet Open Cellular) avec l’objectif de réduire le coût de l’infrastructure passive (location du site, pylône/antenne, consommation énergétique), mais cela nécessite de déployer autant de sites qu’il y a de villages non desservis.

Le processus de standardisation de la 5G a été l’occasion de repenser les technologies et les modèles d’exploitation du réseau dans le but de relever au mieux les défis inhérents aux marchés émergents et de mettre au point des solutions rentables permettant d’offrir un accès à Internet à ces populations. L’extension de la couverture constitue également un enjeu majeur dans un grand nombre de zones difficiles dans le monde, telles que les espaces souterrains (par exemple, les parkings), les zones maritimes qui bordent les côtes, les routes isolées et bien d’autres.

La couverture étendue (Figure 1), c’est-à-dire la communication longue portée, permet aux opérateurs mobiles d’étendre l’empreinte de leur couverture puisque les principaux coûts d’un réseau résident dans le déploiement et l’exploitation des sites d’accès (pylône, puissance énergétique, déplacement pour maintenance).

Figure 1 : illustration de la couverture étendue en bleu et de la couverture existante en rouge.

L’accroissement de la portée du rayon cellulaire permet de réduire de manière significative le nombre de sites. Prenons par exemple le cas du Niger, où nous évaluons à 2 746 820 le nombre de personnes vivant dans des villages non desservis de plus de 300 habitants. La figure 2 montre l’impact des rayons cellulaires sur l’extension de la couverture, en prenant en compte le critère de rentabilité pour le déploiement d’une nouvelle cellule selon lequel cette dernière doit couvrir au moins 3 000 habitants. Dans le cas d’un déploiement classique, 119 sites devraient théoriquement être déployés pour atteindre un taux de couverture de 60 % des villages non desservis de plus de 300 habitants. Si l’amélioration des technologies radio permet d’atteindre un rayon cellulaire de 45 km, un nombre réduit de sites (45) serait alors nécessaire pour couvrir plus de villages (71 %) étant donné que le critère de rentabilité (> 3 000 habitants) peut être rempli grâce à la couverture étendue de chaque cellule. Pour un rayon cellulaire de 60 km, le déploiement de 33 nouveaux sites permettrait de couvrir 79 % des villages de plus de 300 habitants et 82 % de la population vivant dans les zones blanches.

Figure 2 : illustration de l’extension de la couverture à l’échelle nationale (au Niger).

Cet aspect est particulièrement intéressant dans un contexte où les exigences capacitaires peuvent être réduites, ce qui est généralement le cas des régions faiblement peuplées (c’est-à-dire avec moins de 5 habitants/km²) en phase avec les normes 3GPP sur la couverture étendue issues de l’étude SMARTER (Rapport technique 22.863) menée par le 3GPP [1]. L’objectif en matière de rayon cellulaire retenu dans cette étude est de 100 km par rapport à la valeur maximale d’avance temporelle du LTE (utilisée comme référence), tandis que le rayon des cellules rurales GSM 2G est de 15 km, voire éventuellement de 30 km grâce à l’utilisation de codecs à taux réduit de moitié. En pratique, un rayon cellulaire de 45 km, et même de 60 km dans les zones très faiblement peuplées, peut être obtenu par la combinaison des solutions suivantes.

Les normes 3GPP existantes constituent une première étape dans l’extension de la couverture à des coûts réduits

Il est bien connu que l’augmentation du nombre de secteurs par gNodeB (station de base de la 5G) accroît la capacité et améliore légèrement la portée de la cellule bien qu’elle représente un coût supplémentaire. Malheureusement, cela n’améliore pas suffisamment la situation pour la liaison montante (informations envoyées par l’appareil de l’utilisateur final vers la station de base) lorsqu’un équipement utilisateur (généralement un smartphone) standardisé est utilisé.

L’une des approches les moins coûteuses pour accroître la portée du rayon cellulaire consiste à réutiliser les mécanismes du logiciel de répétition du signal initialement définis pour les communications de type machine (MTC) [2], telles que l’Internet des objets à bande étroite (NB-IoT) et la technologie d’évolution à long terme des communications de type machine (LTE-M), dans la version 13 du 3GPP et à les adapter à la connectivité Internet.

Le mode d’extension de la couverture (EC) décrit dans cette version fonctionne dans une bande étroite de 1,4 MHz sur 6 blocs de ressources physiques (PRB) d’une fréquence porteuse LTE avec un débit de pointe de 1 Mbit/s. L’augmentation de la densité spectrale de puissance et les répétitions sont utilisées pour atteindre les appareils qui se trouvent dans des zones faiblement desservies. En outre, les signaux de contrôle et de données peuvent être répétés dans le domaine temporel et transmis (croisement des secteurs de trame) pour parvenir aux extensions nécessaires de la couverture. Le LTE-M utilise un canal de commande spécialement conçu pour contrôler la programmation de la couche 1. Cette technologie peut transmettre des informations de façon répétée grâce à la couche 1 qui peut être configurée pour émettre jusqu’à 2 000 répétitions. Ainsi, ces canaux sont décodables même dans des conditions radio difficiles où la puissance/qualité du signal est très faible.

Dans la version 14 du 3GPP, l’eMTC introduit des fonctionnalités qui se révèlent intéressantes pour l’extension de la couverture des données : une bande passante de 5 MHz avec un débit de pointe en liaison montante et descendante de 4 Mbit/s ainsi qu’un support pour la voix sur LTE (VoLTE), mais cette technologie n’est pas encore totalement appropriée pour les applications Internet/vidéo.

Selon la version 16 du 3GPP, ces mécanismes EC devraient être réutilisés, adaptés et fusionnés avec la 5G NR (nouvelle interface radio) pour permettre l’extension de la couverture et une latence adaptée aux applications Internet. Les répétitions peuvent être activées et leur nombre adapté en fonction de l’affaiblissement de la propagation vers chaque équipement utilisateur.

Les smartphones devraient prendre en charge les mécanismes de répétition du signal similaires aux gNodeB afin d’échanger avec elles. Le 3GPP ne limite pas le mode EC aux équipements utilisateurs MTC tels que le Cat M1 et le Cat M2 afin que les équipements utilisateurs de type smartphone (Cat 1, 4, 6, etc.) puissent bénéficier du mode EC puisqu’ils sont soumis à moins de restrictions en matière d’énergie que les appareils MTC. Les équipements utilisateurs dotés de la 5G devraient prendre en charge la liaison descendante MIMO 2 x 2 (multi-entrées multi-sorties pour parvenir à la formation de faisceaux) qui fonctionne avec le mode EC, les améliorations de la mobilité et une puissance de transmission plus élevée que celle des équipements utilisateurs MTC.

Les avancées en matière de plateformes aériennes constituent également un moteur clé pour les cellules longue portée

Un autre paramètre ayant un impact majeur sur la portée du rayon cellulaire est l’altitude des antennes. Toutefois, la construction de pylônes de très grande hauteur représente un coût considérable. Selon les auteurs de l’article “Designing and Implementing Future Aerial Communication Networks” (Concevoir et mettre en œuvre les réseaux de communication aériens de demain, en anglais uniquement) [3], les plateformes aériennes sont aujourd’hui suffisamment matures pour envisager de les doter d’antennes et de gNodeB embarquées. Deux options sont alors envisageables : les plateformes à haute altitude ou les plateformes à basse altitude telles que les ballons captifs ou les drones.

Les plateformes à haute altitude, par exemple le projet Loon de Google, l’avion sans pilote Zephyr, ou encore le dirigeable Stratobus, ont l’avantage de ne pas être présentes au sol mais elles posent encore des défis pour le déploiement permanent de la connectivité sur le marché de masse (réglementation sur les fréquences, durabilité, commande autonome, taille de la charge utile, coûts). Leur positionnement entre 17 et 22 km au-dessus du sol est adapté à une couverture vaste (généralement avec une portée de rayon de 60 km), en particulier lorsqu’elles prennent en charge plusieurs faisceaux, mais elles sont limitées en matière de liaison montante avec les équipements utilisateurs classiques. Les coûts pourraient être réduits à condition que d’autres marchés lucratifs se révèlent propices à une production en masse (par exemple, l’imagerie pour la surveillance). Les solutions pour que la 5G NR prenne en charge les réseaux non terrestres sont abordées dans la version 16 du 3GPP qui a pour but d’étudier les propositions qui respectent les exigences définies dans la spécification technique 22.261.

Les plateformes à basse altitude fonctionnent de quelques dizaines à plusieurs centaines de mètres au-dessus du sol. Des essais ont été réalisés pour des cas d’usage provisoires, notamment une reprise après sinistre ou des événements temporaires. Le lancement et l’atterrissage pouvant être effectués en toute autonomie, les plateformes aériennes captives sont de véritables candidats pour la couverture étendue grâce au fractionnement fonctionnel de la 5G qui permet de réduire la nécessité d’une charge utile embarquée : les antennes intégrées à la plateforme peuvent être connectées aux unités de traitement restées au sol par le biais d’une fibre attachée le long du câble (Figure 3).

Figure 3 : démonstration de la connectivité s’appuyant sur une plateforme à basse altitude lors de l’examen final du projet IST FP7 Absolute.

Les activités de recherche d’Orange sont encourageantes pour les étapes à venir

Une interface radio ouverte est actuellement mise en œuvre et un essai sur site est prévu d’ici le mois de novembre pour réaliser des mesures en conditions réelles sur le terrain (un pylône culminant à 70 mètres).

La 5G constitue une véritable opportunité qui permettrait de résoudre d’autres problèmes majeurs auxquels les zones rurales faiblement peuplées des pays émergents sont confrontées. De manière générale, les techniques de raccordement sans fil à la 5G mentionnées dans la version 15 du 3GPP sont de bons candidats pour les cellules de raccordement longue portée étant donné que le déploiement des fibres est coûteux et que les liaisons micro-ondes nécessitent des pylônes de très grande hauteur pour atteindre les propriétés du champ de visibilité en tenant compte de la zone de Fresnel. En plus de cela, les propriétés de flexibilité et d’extensibilité des architectures 5G se sont révélées prometteuses en ce qui concerne la réduction des coûts opérationnels grâce à la virtualisation de la fonction de réseau, notamment dans le cas de configurations réduites nécessaires pour débuter avec peu de clients.

Orange joue un rôle actif dans la standardisation afin de mobiliser l’écosystème des télécommunications. L’opérateur a notamment instauré les exigences en matière de couverture étendue dès le début des discussions autour de la 5G. Ces exigences ont été soutenues par des partenaires intéressés par une couverture large dans les territoires vastes de faible densité (territoires étendus en Australie, routes isolées aux États-Unis) ainsi que dans les cas d’usage en milieu maritime. Orange mène actuellement un projet dans le domaine des réseaux mobiles de nouvelle génération (NGMN) intitulé “Extreme Long Range Communications for Deep Rural Coverage” (Les communications ultra longue portée pour une couverture étendue aux zones rurales profondes, en anglais uniquement) avec pour objectif d’influencer l’écosystème des télécommunications et de créer une dynamique en faveur du développement des solutions de communication longue portée nécessaires pour appréhender les marchés émergents non desservis.

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Blog de la recherche

Cet article vient du Blog de la Recherche

Auteurs :

  • Laurent Reynaud, Ingénieur de Recherche sur les nouvelles architecture des réseaux sans fil
  • Patrice Desmoulin, Ingénieur sur les architectures Wman Wlan Wpan
  • Sébastien Jeux, Ingénieur chargé d’études
  • Yvon Gourhant, Chef de projet sur les architectures réseaux

Références :

[1] 3GPP TR 22.863 (SA1 WG) FS_SMARTER – enhanced Mobile Broadband:Feasibility study on new services and markets technology enablers for enhanced mobile broadband
[2] M. Wang et al., « Cellular machine-type communications: physical challenges and solutions, » in IEEE Wireless Communications, vol. 23, no. 2, pp. 126-135, April 2016.
[3] David Grace and all, “Designing and Implementing Future Aerial Communication Networks.”, in Ieee communications magazine, Vol. 54, No. 5, 05.2016, p. 26-34.(https://ieeexplore.ieee.org/document/7470932)
[4] R. Favraud, N. Nikaein, « Wireless Mesh Backhauling for LTE/LTE-A Networks, » IEEE MILCOM 2015, pp. 695-700, Oct. 2015
[5] B. Debaillie, C. Desset and F. Louagie, « A Flexible and Future-Proof Power Model for Cellular Base Stations, »2015 IEEE 81st Vehicular Technology Conference (VTC Spring), Glasgow, 2015, pp. 1-7.