L’optique sans fil dans les réseaux UMTS

4.4. L’optique sans fil dans les réseaux UMTS

Nous avons vu que l’architecture des réseaux UMTS ressemble fortement à celle des réseaux GMS, avec des unités mobiles, des stations fixes et des contrôleurs de stations fixes.

Pourtant, ces réseaux fonctionnent de manière totalement différente. L’UMTS n’utilise en effet pas la même interface radio que le GSM pour les communications entre les unités mobiles et les stations fixes. Il s’agit de l’interface radio UTRA (UMTS Terrestrial Radio Access). Nous avons vu que dans un réseau GSM, les fréquences sont réparties entre les cellules selon un canevas qui permet d’éviter les interférences.

Dans un réseau UMTS par contre, toutes les cellules utilisent les mêmes fréquences et les interférences sont évitées par une gestion minutieuse des puissances d’émission des stations mobiles et fixes. Ce système permet, entre autres, de modifier le périmètre des cellules en fonction de l’évolution de la demande97.

La principale évolution du standard UMTS par rapport au standard GSM est qu’il permet de véhiculer, outre la voix, des services de données à des bandes passantes pouvant atteindre 2 Mbps.

Cependant, cette bande passante maximale sera réservée à des endroits spécifiques et pour des vitesses de déplacement faibles. Dans la majorité des endroits, la bande passante maximale tournera plutôt autour de 384 Kbps98. Le tableau n°56 énumère quelques services types pouvant être offerts par UMTS et les bandes passantes associées.

Tableau n°56: Services UMTS et bandes passantes utiles associées

SERVICE BANDE PASSANTE
Voix 12 Kbps
Musique 128 Kbps
Données 144 Kbps
Vidéoconférence 384 Kbps

Source : Cisco Systems

Remarquons que pour obtenir la bande passante effectivement transmise sur le réseau entre la station fixe et le contrôleur de stations fixes, il faut tenir compte des données de gestion appelées overheads transitant sur cette connexion. Alors qu’ils sont négligeables dans les réseaux GSM, les overheads varient entre 10 et 50 % de la bande passante utile99. Cette différence est causée entre autres par la nature et la diversité des modes de transferts de données pouvant être supportés par le standard UMTS100.

97 Ce phénomène est appelé « Cell Breathing »

98 Federal Office For Communications (décembre 2000), « UMTS factsheet »

99 Tanguy Popeler, Proximus

100 Cisco Systems (2001), « Overview of GSM, GPRS, and UMTS », Chapter 2

L’interface UTRA prévoit deux modes de fonctionnement opérant sur des bandes de fréquences différentes. La figure n°33 illustre la répartition de ces fréquences entre les deux modes.

Figure n°33: Répartition des fréquences UMTS101

L'optique sans fil dans les réseaux UMTS

Source : Federal Office For communcaitons

Le mode FDD (Frequency Division Duplex) est opérationnel sur deux bandes de fréquence d’une part, entre 1920 et 1980 MHz et d’autre part, entre 2110 et 2170

MHz. La première bande est utilisée pour les communications montantes (de la station mobile à la station fixe) et la deuxième pour les communications descendantes (de la station fixe à la station mobile). Le FDD est plus approprié pour offrir des services symétriques102 à pleine mobilité et à couverture étendue et à des débits pouvant atteindre 384 kbps.

Le mode TDD (Time Division Duplex) fonctionne sur une bande de fréquence entre 1900 et 1920 MHz. Ce mode de transmission est plus approprié aux services asymétriques offerts à des usagers lents dans des zones restreintes et à des vitesses pouvant aller jusqu’à 2 Mbps.

A l’heure actuelle le mode FDD fait l’objet du plus grand nombre de développements industriels103.

Notons que l’intégralité des fréquences ne sera jamais attribuée à un seul opérateur. Les fréquences sont attribuées par canaux de 5 MHz.

101 Federal Office For Communications (décembre 2000), « UMTS factsheet »

102 où les bandes passantes envoyées et réçues sont équivalentes

103 IBPT (septembre 1999), « Synthèse des résultats de la consultation publique relative à l’évolution du marché de la téléphonie mobile vers la troisième génération en Belgique »

Ainsi, en Belgique, les opérateurs UMTS se sont chacun procurés deux fois104 3 canaux de 5 MHz dans la bande FDD et 1 canal de 5 MHz dans la bande TDD105, ce qui correspond à une capacité d’émission de 20 MHz par station fixe. Cependant, le forum UMTS a estimé qu’à l’horizon 2010, la largeur de la bande de fréquence requise par opérateur serait de l’ordre de 80 MHz106.

Comme nous avons vu que ce sont surtout les applications FDD qui seront utilisées, nous supposerons que les opérateurs utiliseront surtout les fréquences dans ce mode de fonctionnement et négligerons les canaux de 5 MHz qui leur ont été attribués pour les applications TDD. Par la suite, nous étudierons donc deux scénarii: celui où la demande de services UTMS est telle que 15 MHz (3 x 5) suffisent par opérateur et celui où l’augmentation de la demande nécessite une attribution de 60 MHz (12 x 5) par opérateur.

a) Calcul de la capacité d’une cellule UMTS

Afin d’estimer la distance entre deux stations fixes et les bandes passantes requises entre les stations fixes et les contrôleurs de stations fixes, nous devons avoir une idée de la capacité des cellules UMTS en unités de service simultanées107. Par rapport aux réseaux GSM, deux éléments vont compliquer nos calculs:

Le fait que toutes les cellules utilisent la même fréquence et que la capacité est déterminée par la gestion des interférences.

Le fait que plusieurs types de services, aux bandes passantes diverses, peuvent être rendus simultanément.

Dans son livre « UMTS, les origines, l’architecture, la norme », Pierre Lescuyer fournit une formule approximative permettant d’estimer la capacité d’une cellule (N) en supposant qu’un seul service est offert:



Les paramètres rentrant en compte dans cette formule sont les suivants:

– D: le débit utile du service offert (kbps)

– B: La largeur de la bande disponible (MHz)

– Eb/No: Le rapport signal à bruit. La réception correcte des informations transmises requiert un certain rapport entre l’énergie utile par bit d’information et le bruit ou le niveau d’interférence ambiant108. Ce rapport est différent pour les différents services offerts. Le Tableau n°57 Fournit des rapports Eb/No typiques pour certaines bandes passantes109.

104 Un pour les communications montantes et un autre pour les communications descendantes

105 IBPT (décembre 2000), « Projet d’Arrêté royal fixant le cahier des charges et la procédure relative à l’octroi d’autorisations pour les systèmes de télécommunications mobiles de troisième génération »

106 IBPT (septembre 1999), « Synthèse des résultats de la consultation publique relative à l’évolution du marché de la téléphonie mobile vers la troisième génération en Belgique »

107 En unité se service = en nombre de communications sumultanées, connexions internet simultanées,…

108 Lescuyer P. (juin 2002), « UMTS – les origines, l’architecture, la norme », Dunod

109 En réalité ce rapport ne dépend pas uniquement de la bande passante utilisée, mais aussi de la qualité requise de la connexion par exempleEn connaissance de ces paramètres, nous pouvons calculer la capacité approximative d’une cellule par canal de 5MHz en supposant qu’un seul service est offert. Le tableau n°57 Fournit également les résultats de ces calculs. Notons que lorsque des services de bandes passantes plus élevées sont offerts, la bande passante utile totale pouvant être véhiculée par cellule est plus importante.

Tableau n°57: Energie par bit utile/densité spectrale du bruit en fonction du débit utile110 et capacité des services exclusifs par canal de 5 MHz

Débit Utile du service Eb/No Capacité par cellule et par canal de 5 MHz Bande passante totale du débit utile
12 Kbps 5 dB 133 appels 12 x 133 = 1,6 Mbps
144 Kbps 1,5 dB 26 connexions 144 x 26 = 3,7 Mbps
384 Kbps 1 dB 11 connexions 384 x 11 = 4,2 Mbps

Des formules relativement complexes existent pour calculer la capacité d’une cellule en tenant compte d’un mélange donné de services. Cependant, afin de simplifier nos calculs, nous estimerons cette capacité par une méthode d’approximation. Cette méthode consiste à multiplier les capacités par cellule de chaque service lorsqu’il est exclusivement offert par les fractions de la capacité de la cellule que sont supposés occuper ces services.

Selon Tanguy Popeler, spécialiste du dimensionnement des réseaux UMTS, cette méthode d’approximation permet d’obtenir des ordres de grandeur réalistes. Pour calculer la capacité d’une cellule en unités de service, nous devrons donc poser des hypothèses sur les fractions de la capacité occupée par chaque service et donc sur le nombre de connexions à 144 et 384 kbps demandées par conversation vocale.

b) détermination du mélange de services

Pour simplifier nos calculs, nous réduirons le nombre de bandes passantes possibles à trois et supposerons que les rapports Eb/No sont identiques pour tous les services fonctionnant à la même bande passante :

  • * communications vocales à 12 Kbps
  • * Accès internet à 144 Kbps
  • * Vidéoconférence et vidéo à la demande à 384 Kbps

110 Tanguy Popeler, Proximus

Dans une simulation111 du trafic UMTS réalisée par UMTS Forum en 2003, on peut trouver une répartition du volume du trafic journalier (en Tbyte) en fonction de divers services.

En classant le volume de trafic de ces services dans les catégories de bandes passantes précédemment définies, on obtient des fractions du trafic de 35, 40 et 25 % respectivement pour les services à 12, 144 et 384 Kbps. Nous supposerons112 que ces pourcentages correspondent à la fraction de la capacité d’une cellule qu’utilisent ces trois catégories de services dans le scénario « 15 MHz ».

Le scénario « 60 MHz » est basé sur une forte augmentation de la demande de service UMTS. Or, il est peu probable que, dans cette situation, la demande de services vocaux augmente autant que les autres services, étant donné que le marché des conversations vocales est beaucoup plus mâture.

Nous redistribuerons donc la répartition de la capacité de la cellule en faveur des services de bande passante plus élevée en attribuant respectivement 10, 55 et 35 % aux services à 12, 144 et 384 Kbps. Ces hypothèses sont résumées dans le tableau n°58.

Tableau n°58: Hypothèses posées concernant la fraction de la capacité d’une cellule occupée par les services de bandes passantes différentes

DEBIT UTILE 15 MHz 60 MHz
12 Kbps 35 % 10 %
144 Kbps 40 % 55 %
384 Kbps 25 % 35 %

Source : estimations personnelles à partir d’informations de l’UMTS FORUM

Multiplions maintenant les capacités par cellule de chaque service lorsqu’il est exclusivement offert par les fractions de la capacité de la cellule que sont supposés occuper ces services. Nous obtenons ainsi la capacité, en unité de service, d’une cellule fournissant le mélange de services supposé ci-dessus. Par la suite, nous supposerons que les rapports entre les densités de la demande des différents services sont conformes aux rapports entres les capacités par cellule des différents services décrits dans le tableau n°59113.

111 UMTS forum (novembre 2003), « 3G offered traffic characteristics, final report », page 31

112 Nous estimerons donc la répartition de la capacité d’une cellule en unités de services par sa répartition en volume de trafic, ce qui entraine un biais vu que les services à plus haute bande passante utilisent moins de capacité en unités de services par Kbps offert

113 Par exemple, dans le scénario « 15 MHz », Il y aura toujours 10 connexions à 144 Kbps demandées par 46 communications vocales demandées.

Tableau n°59: Capacité par canal et par cellule selon les hypothèses posées

DEBIT UTILE Capacité par canal

(scenario « 15 MHz »)

Capacité par canal

(scenario « 60 MHz »)

Capacité par cellule (15 MHz) Capacité par cellule (60 MHz)
12 Kbps 133 x 0,35 = 46 133 x 0,10 = 13 139 159
144 Kbps 26 x 0,40 = 10 26 x 0,55 = 14 30 168
384 Kbps 11 x 0,25 = 3 11 x 0,35 = 4 8 47

Souce : calculs personnels

c) Bande passante requise par cellule

Pour trouver la bande passante requise par cellule, nous multiplions le nombre de services pouvant être offerts simultanément par leur bande passante utile et additionnons le tout. Il faut encore y ajouter les overheads pour obtenir la bande passante transitant effectivement entre la station fixe et le contrôleur de stations fixes.

Nous avons vu précédemment que ces overheads engendraient un trafic équivalent à 10 à 50 % du débit utile. Nous supposerons une valeur intermédiaire de 30%. Le tableau n°60 montre les résultats obtenus.

Tableau n°60: Bande passante requise par cellule selon les hypothèses posées

15 MHz 60 Mhz
12 Kbps 2,17 Mbps (139 x 12 x 1,3) 2,49 Mbps = (159 x 12 x 1,3)
144 Kbps 5,75 Mbps = (30 x 144 x 1,3) 31,61 Mbps = (168 x 144 x 1,3)
384 Kbps 4,25 Mbps = (8 x 384 x 1,3) 23,78 Mbps = (47 x 384 x 1,3)
TOTAL 12,17 Mbps 57,87 Mbps

Source : calculs personnels

d) Calcul du nombre de cellules par boucle

Comme pour les réseaux GSM, nous supposerons que nous utiliserons des boucles de liens optiques de capacités identiques, sauf lorsque la capacité d’un dispositif ne lui permet pas de transporter le trafic de plusieurs cellules. Dans ce cas, nous supposerons une disposition en étoile.

Le tableau n°61 montre le nombre de cellules pouvant être desservies par boucle en fonction de la bande passante des liens qui la composent. Les chiffres en gras correspondent à des situations où le nombre de cellules par boucle a légèrement été arrondi vers le haut.

En effet, nous supposons que les dispositifs à 10 et 50 Mbps peuvent transporter le trafic d’un seule cellule dans les scénarios « 15 MHz » et ‘ »60 MHz » respectivement, comme les besoins de capacité maximaux respectifs sont de 12 et 58 Mbps. Cette légère sur-capacité est acceptable114.

114 Beaucoup de constructeurs OSF offrent également des dispositifs à 55 Mbps

Tableau n°61: Cellules desservies par boucle en fonction de la bande passante des dispositifs OSF (technologie Optique Sans Fil) utilisés dans cette boucle.

Bande passante 15 MHz 60 MHz
10 Mbps 1 0
50 Mbps 4 1
155 Mbps 12 3
622 Mbps 51 10
1250 Mbps 102 21
2500 Mbps 205 43

Source : calculs personnels

Nous pouvons faire les observations suivantes:

  • * Le dispositif à 10 Mbps ne peut être utilisé que dans le scenario « 15 MHz » et dans une configuration en étoile.
  • * Le dispositif à 50 Mbps doit être utilisé dans une configuration en étoile dans le scénario « 60 MHz ».
  • * En supposant que le nombre de stations fixes par contrôleur de stations fixes ne peut pas dépasser 64, les dispositifs à 1250 et 2500 Mbps ne peuvent pas être utilisés dans le scénario « 15 MHz »

e) Condition de densité de la demande suffisante sur une superficie suffisamment grande.

Nous avons supposé que les rapports entre les densités de demandes des différents services sont constants et qu’ils correspondent à la répartition de la capacité des cellules supposée. Dans ce cas, si la capacité d’une cellule pour un certain service est suffisante pour satisfaire les besoins de ce service dans un certain périmètre, ce sera également le cas pour les autres services.

Nous pourrons donc comparer la capacité de cellules en conversations vocales à la densité de la demande de conversations pour estimer le rayon requis des cellules. Nous travaillerons donc de la même manière que nous l’avons fait pour les réseaux GSM et utiliserons les mêmes statistiques de répartition géographique de densité de la demande.

Vérifions maintenant s’il est possible de trouver des endroits dont la densité de la demande est suffisamment grande pour que la portée requise du lien soit inférieure à la distance compétitive. La figure n°34 Illustre la relation entre la densité de la demande et la portée requise du lien. En comparant cette relation aux portées compétitives des liens OSF (technologie Optique Sans Fil), nous pouvons déterminer la densité de la demande minimale requise pour chaque lien.

Figure n°34: Relation entre la densité de la demande et la portée requise du lien
Relation entre la densité de la demande et la portée requise du lien

Cet exercice est effectué dans le tableau n°62. Remarquons que la portée d’une antenne UMTS est d’environ 2 km115. Or, la distance compétitive des liens OSF (technologie Optique Sans Fil) est de 4 km. Comme les dispositifs OSF sont ici utilisés pour relier entre elles deux cellules, le fait de respecter la portée compétitive de ces dispositifs implique de respecter la portée maximale des antennes UMTS.

115 Federal Office For Communications (décembre 2000), « UMTS factsheet »

Tableau n°62: Densité d’utilisateurs minimale pour l’implémentation de liens OSF dans des conditions de compétitivité par rapport aux faisceaux hertziens.

Bande passante Distance compétitive 15 MHz 60 MHz
10 Mbps 4000 m 9 Erlang/km² (Bande passante insuffisante)
50 Mbps 2500 m 23 Erlang/km² 27 Erlang/km²
155 Mbps 2000 m 36 Erlang/km² 42 Erlang/km²
662 Mbps 2300 m 28 Erlang/km² 32 Erlang/km²
1250 Mbps 1500 m (trop de cellules par boucle) 75 Erlang/km²
2500 Mbps 800 m (trop de cellules par boucle) 265 Erlang/km²

Source : Calculs personnels

Vérifions à présent s’il est possible de trouver une surface présentant cette densité de demande minimale, suffisamment grande pour accueillir toutes les cellules d’une boucle.

La superficie requise pour une boucle peut être trouvée en multipliant le nombre de cellules par boucle, tel que déterminé dans le tableau n°61, par la superficie des cellules calculée en fonction de la densité de la demande. Les tableaux n°63, 64, 65 et 66 ont été calculés de cette manière. Les cases grises correspondent à des situations où l’OSF (technologie Optique Sans Fil) est exclu car la densité de la demande définie dans le tableau n°62 n’est pas atteinte. Comparons ces résultats à la figure n°35.

Tableau n°63: Superficie requise pour une boucle de liens OSF (technologie Optique Sans Fil) à 50 Mbps en fonction de la densité de la demande.

MHz disponibles Stations fixes 10

Erlang/km²

20

Erlang/km²

40

Erlang/km²

60

Erlang/km²

120

Erlang/km²

200

Erlang/km²

15 4 25 km² 12 km² 8 km² 4 km² 3 km²

Tableau n°64: Superficie requise pour une boucle de liens OSF à 155 Mbps en fonction de la densité de la demande et de la largeur de la bande de fréquence disponible.

MHz disponibles Stations fixes 10

Erlang/km²

20

Erlang/km²

40

Erlang/km²

60

Erlang/km²

120

Erlang/km²

200

Erlang/km²

15 12 37 km² 25 km² 12 km² 7 km²
60 3 11 km² 7 km² 4 km² 2 km²

Tableau n°65: Superficie requise pour une boucle de liens OSF (technologie Optique Sans Fil) à 622 Mbps en fonction de la densité de la demande.

MHz disponibles Stations fixes 10

Erlang/km²

20

Erlang/km²

30

Erlang/km²

60

Erlang/km²

120

Erlang/km²

200

Erlang/km²

15 51 212 km² 106 km² 53 km² 31 km²
60 10 48 km² 24 km² 12 km² 7 km²

Tableau n°66 Superficie requise pour une boucle de liens OSF à 1250 Mbps en fonction de la densité de la demande.

MHz disponibles Stations fixes 10

Erlang/km²

20

Erlang/km²

40

Erlang/km²

75

Erlang/km²

120

Erlang/km²

200

Erlang/km²

60 21 41 km² 25 km² 15 km²

Figure n°35: Densité de la demande autour de la ville de Bruxelles (Erlang/km²).

Densité de la demande autour de la ville de Bruxelles (Erlang/km²).

Les liens à 10 Mbps peuvent uniquement être utilisés dans le scénario « 15 MHz » et dans une configuration en étoile. Comme ils ne requièrent qu’une densité de la demande de 9 Erlang/km², leur utilisation est possible dans toutes les zones de la carte.

Les liens à 50 Mbps nécessitent une densité de la demande minimale de 23

Erlang/km² dans le scénario « 15 MHz » et 27 Erlang/km² dans le scénario « 60 MHz », ce qui les empêche d’être utilisés à la campagne. Par contre, à partir de la périphérie, les densités de la demande deviennent suffisantes et les conditions de superficie suffisante sont respectées dans le scénario « 60 MHz »

Les liens à 155 Mbps nécessitent une densité de la demande d’au moins une 40aine d’Erlang/km², aussi bien dans le scénario « 15 MHz » que dans le scénario « 60 MHz », ce qui rend leur utilisation possible à partir de la ville. Les conditions de des superficie suffisante y sont remplies

Les liens à 622 Mbps ne pourraient pas être utilisés dans le scénario « 15 MHz », comme ils requièrent de densités d’utilisateurs trop élevées sur des surfaces trop importantes. Cette utilisation serait par contre envisageable dans le scénario « 60 MHz ». Ils requièrent alors une densité de la demande minimale de 32 Erlangs sur une superficie d’environ 48 km². Ces conditions sont remplies à partir de la périphérie.

Les liens à 1250 Mbps requièrent une densité de la demande d’au moins 75

Erlang/km² sur une superficie de 41 km², ce qui correspond tout juste aux propriétés de la ville. L’utilisation d’une boucle de liens à 1250 Mbps supposerait donc de l’implémenter sur l’entièreté d’une ville, ce qui est contestable pour des raisons de fiabilité.

Les liens à 2500 Mbps ne peuvent jamais être utilisés, comme la bande passante requise est beaucoup trop importante.

Tableau n°67: Synthèse des résultats

10 Mbps 50 Mbps 155 Mbps 622 Mbps 1250 Mbps 2500 Mbps
Campagne a(15 MHz) r r r r r
Périphérie a(15 MHz) a r a(60 MHz) r r
Ville a(15 MHz) a a a(60 MHz) ? (60 MHz) r
Centre ville a(15 MHz) a a a(60 MHz) ? (60 MHz) r
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