critique et professionnelle

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1 LIVRE BLANC 4G critique et professionnelle Vers le Haut Débit Mobile En partenariat avec

2 Madame, Monsieur, Publier un livre blanc représente un effort conséquent dans une équipe de taille modeste comme la nôtre ; cela génère aussi une grande fierté et représente un jalon important qui pose notre vision de l avenir. Nous portons chez Hub One une tradition d innovation. Nous rêvons et imaginons parfois, mais surtout, nous testons très concrètement des technologies et des usages qui pourront améliorer le monde de demain. L environnement aéroportuaire dont nous sommes issus s avère un terrain d expérimentation très fertile, car il tire le niveau d exigence vers le haut. De fait, il devenait évident de mettre en œuvre le projet relaté dans ce livre blanc, car, au-delà des usages classiques de la 4G, nous devions évaluer le potentiel de cette technologie pour des usages critiques et professionnels. Nous puisons notre fierté dans une expérience aboutie et concluante, bien sûr. Nos équipes assistées de nos partenaires équipementiers et clients ont mis en œuvre des systèmes radio nouveaux dans un environnement complexe, souvent hostile à la propagation des ondes. Ils ont pu porter des cas d usages divers et révéler des potentialités inattendues. Notre vocation de service public et pour le grand nombre est inscrite dans nos gènes, aussi il nous a paru pertinent d en partager avec vous les principaux enseignements. Ce livre blanc est enfin une étape sur la route du haut débit mobile destiné aux usages critiques. Celui-ci est né d initiatives dans les instances de standardisation, mais attend encore d être déployé à l échelle réelle pour ses utilisateurs. Nous contribuons à la réflexion à travers cet ouvrage. Nous y évoquons des cas d usages pour les organismes et les entreprises utilisatrices ; nous y proposons aussi des règles d ingénierie adaptées et des modèles économiques mutualisés pour optimiser l usage du spectre hertzien, cette ressource rare. Nul doute que nous serons nombreux à écrire l avenir de la 4G / LTE critique. L engagement au quotidien dans le service des entreprises et de leurs clients, la proximité avec les besoins hors normes de milieux industriels requérant de l information critique en temps réel, l audace de lancer une expérimentation pour concrétiser la promesse du LTE critique : voilà les trois valeurs de Hub One dûment représentées à travers ce livre blanc. Les équipes de Hub One se joignent à moi pour vous souhaiter une excellente lecture. Patrice Bélie Directeur Général du Groupe Hub One 1

3 4G CRITIQUE ET PROFESSIONNELLE Les Auteurs Lui écrire Lui écrire Lui écrire Lui écrire Hub One Soline Olszanski Éric Pivot François Munerot Pierre Dufour Directeur Stratégie & Innovation Responsable Innovation Responsable Ingénierie Radio Ingénieur Radio Lui écrire IDATE Frédéric Pujol Directeur de la Business Unit Wireless Création graphique et réalisation : Clémence Knaébel. Photos Hub One sauf pp. 27 et 42 : captures Google Earth. Droits réservés (copyright) : Hub One 2014 «Il est interdit de reproduire intégralement ou partiellement sur quelque support que ce soit le présent ouvrage sans l autorisation de l auteur.» 2

4 Préface Si le très haut débit mobile connaît un décollage rapide pour le grand public et les entreprises avec la 4G/LTE, l écosystème est encore largement à développer. C est en particulier vrai pour les applications critiques telles que celles associées aux réseaux de sécurité (communications de terminal à terminal, fonction talkie-walkie, appels de groupe ). Il faut aussi prévoir des adaptations du standard LTE ainsi qu une implémentation spécifique pour atteindre les exigences de sécurisation en cas de crise. L examen de la situation internationale des réseaux critiques et professionnels montre différentes configurations techniques et économiques avec divers degrés de mutualisation d infrastructure, de spectre ou de location de capacité. Mais les expérimentations menées par Hub One sur la plate-forme de Roissy au début 2014 ont constitué une première en Europe avec des développements logiciels en avance sur la standardisation et une multiplicité de configurations testées. L ampleur de ces tests donne une idée d un «schéma cible» possible pour un réseau critique en France en permettant d appréhender la configuration de déploiement, la maturité des infrastructures et terminaux et d évaluer la question relative aux fréquences. Ce livre blanc propose un modèle de mutualisation d un réseau critique haut débit mobile entre plusieurs acteurs français qui permettrait d avancer rapidement, d optimiser l usage du spectre et d offrir une solution compatible avec les contraintes financières. Pour ces différentes raisons je me félicite de la collaboration entre Hub One et l IDATE pour la rédaction de ce livre blanc. J espère que vous y trouverez aussi un éclairage sur les développements en cours et une contribution utile dans le débat sur les réseaux critiques et professionnels. Yves Gassot Directeur général de l IDATE DigiWorld Institute 3

5 4G CRITIQUE ET PROFESSIONNELLE Sommaire INTRODUCTION 5 1. RÉSEAUX CRITIQUES ET PROFESSIONNELS 7 Les besoins et usages 8 Les principaux utilisateurs de la radio professionnelle en France 11 Les spécificités des réseaux critiques et professionnels VERS LE HAUT DÉBIT MOBILE 17 La 4G / LTE et les apports du haut débit mobile 18 Première contrainte : la question du spectre 19 Seconde contrainte : optimiser l équation économique EXPÉRIMENTATION HUB ONE 25 Contexte expérimental 26 Première en Europe : LTE PMR 31 Performance de la technologie 4G / LTE en milieu contraint 33 Applications professionnelles de sécurité 38 Applications professionnelles critiques QUELS MODÈLES D ÉVOLUTION? 47 Les fondamentaux des réseaux critiques et professionnels 48 Les modèles économiques 50 Vers un nouveau modèle de mutualisation 53 Une avance technologique pour l industrie française 58 CONCLUSION 59 ANNEXES 60 I État des déploiements des réseaux d urgence 61 II Le MIMO dans l expérimentation Hub One 64 REMERCIEMENTS 70 À PROPOS DE HUB ONE 71 ABBRÉVIATIONS 72 4

6 Introduction Haut débit, voix, vidéo, capteurs : la technologie 4G / LTE transforme les usages et notre quotidien. Mais qu en est-il des réseaux critiques et professionnels? Quels apports pour leurs utilisateurs et la compétitivité de nos industries? Quelles possibilités de mutualisation et d économies peut-on envisager tout en garantissant la fiabilité et la sécurité des personnes? Quel rôle la France entend-elle jouer dans ce nouveau paradigme pour les Services de l État et ses industriels? La technologie 4G / LTE s impose comme le nouveau standard universel pour les échanges haut débit mobile. Ouvrant de nouvelles opportunités pour nos industries, cette rupture technologique soulève la question de son mode d application aux réseaux critiques et professionnels. Au-delà du seul enjeu technologique, garantir la disponibilité des services critiques en toutes circonstances nécessite de concevoir des modèles d ingénierie et d exploitation adaptés. Afin de contribuer à cette réflexion, Hub One a mené en 2014 une expérimentation de grande ampleur au cœur de l exploitation de l aéroport Roissy Charles-de-Gaulle. Cet ouvrage rapporte les principaux résultats et enseignements de ces travaux et propose un nouveau modèle de mutualisation des réseaux critiques et professionnels. 5

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8 1. RÉSEAUX CRITIQUES ET PROFESSIONNELS Quels enjeux? 7

9 4G CRITIQUE ET PROFESSIONNELLE La rupture technologique apportée par la 4G et les réseaux haut débit se traduit par une évolution majeure en termes d usage, de conception des réseaux, et d infrastructures. Ceci nécessite de repenser les principes de communication de façon globale pour la totalité des acteurs. Au cœur de ce nouveau paradigme, les réseaux critiques et de sécurité aujourd hui basés sur des infrastructures privées et bas débit doivent se réinventer afin d apporter à leurs utilisateurs des fonctionnalités nouvelles (haut débit, vidéo), des terminaux variés et évolutifs. Ceci tout en maintenant les exigences de sécurité et de fiabilité qui sont leur raison d être. Les besoins et usages Les réseaux de télécommunications critiques et professionnels regroupent différents types d usages et d utilisateurs. Ces derniers sont généralement répartis selon deux catégories : Les services dédiés aux forces de sécurité et de secours (dits PPDR, Public Protection & Disaster Relief), Les services destinés aux Opérateurs d Importance Vitale (OIV) et aux industriels (dits PMR, Professional Mobile Radio). Dans les deux cas, les utilisateurs disposent généralement de services et de solutions dédiés, caractérisés par des fonctionnalités spécifiques et une très forte fiabilité. Enfin, ces réseaux doivent être disponibles à tout moment et avoir la capacité de s adapter, en situation habituelle comme en période de crise. En mode nominal, les systèmes de communication permettent d assurer l exploitation des services de sécurité ou de répondre aux situations d urgence localisées. De même pour les professionnels auxquels les communications permettent d assurer la production de biens ou de services et de contribuer à travers cela à la compétitivité de l économie locale ou nationale. En situations de crise, et en particulier celles menaçant la sécurité et la protection des personnes, le système de communication devient crucial afin d être en mesure de piloter et d accompagner les situations d urgence sans aucun aléa. Or, il est important de noter que le basculement d une situation habituelle à une gestion de crise peut être extrêmement rapide et nécessite des outils et des procédures fiables et immédiatement opérationnels. 8

10 1. RÉSEAUX CRITIQUES ET PROFESSIONNELS Les usages peuvent alors être cartographiés en trois catégories : Les usages «métier» actuels Afin de répondre aux besoins et aux sollicitations des missions critiques et en particulier aux gestions de crises, les réseaux professionnels ont développé un certain nombre de fonctionnalités spécifiques. En premier lieu, il faut citer la fonction «Push to Talk» qui fournit un établissement de communication quasi instantané, évitant le temps de numérotation. L immédiateté des échanges est requise en situation critique car le temps est souvent déterminant pour le succès d une mission. Les «appels de groupes» répondent également à la complexité des situations mettant en œuvre des dispositifs de communication et de coordination entre équipes multidisciplinaires. Pour être efficace, différents domaines d expertises doivent se coordonner, ce qui peut nécessiter la synchronisation large des actions inter-équipe, ou des communications resserrées entre membres d une même équipe. La technologie permet dynamiquement de composer des groupes de communication en temps réel : un groupe vers un ensemble de groupes, ou vers tous les groupes. Par ailleurs, le renforcement de la sécurisation de la chaîne de communication a motivé le développement d un «mode direct». Cette fonctionnalité permet à plusieurs utilisateurs de communiquer entre eux, de poste à poste sans passer par une infrastructure centrale. Ainsi, les incidences d une panne de cœur de réseau pour des acteurs agissant dans une même zone sont minimisées. Afin de répondre aux spécificités métier, un certain nombre de fonctionnalités complémentaires a été développé telles que les appels d urgence, les appels généraux (à destination de tous les interlocuteurs), les fonctions d écoute discrète à distance ou encore la gestion de priorité des appels ou la préemption. Enfin, en complément des usages «voix», on peut citer les prémices «d échanges de données à faible volume» sur réseau dédié (via SDS) ou sur réseau commercial (via SMS). Le basculement d une situation habituelle à une gestion de crise peut être extrêmement rapide. Les besoins émergents Le partage de données - Avec l évolution des technologies, de nombreuses applications permettent de faciliter l intervention des forces 9

11 4G CRITIQUE ET PROFESSIONNELLE de sécurité ou de secours. En cas de situation critique, quel que soit le contexte, les actions prises lors des premières minutes vont conditionner le résultat final. Pour ce faire, le réseau de télécommunications permet alors de connaître rapidement les plans détaillés des lieux, de rassembler les informations permettant d assister les personnes, de disposer des manuels complets de fonctionnement d un système technique Ceci permet également de faire remonter un certain nombre d informations provenant du terrain (images haute définition, mesures de capteurs sur site) permettant de constater et d accompagner l évolution de la situation. La fiabilité du réseau même fréquemment sollicité entre les entités est déterminante. Le monde qui nous entoure est largement automatisé. Nous vivons les prémices d un environnement qui va s appuyer sur la technologie pour de nombreuses tâches ponctuant notre quotidien, dans des missions de production ou de sécurisation de notre environnement. Les forces de sécurité et de nombreux industriels utilisent des engins télécommandés pour mener à bien leurs missions (production optimisée, sécurisation d un site accrue). L ensemble de ces aides passe par la mise en place de systèmes de contrôles et d acquisitions de données (SCADA). Ces systèmes de télégestion ont pour caractéristique de couvrir un grand nombre d éléments et de pouvoir interagir avec ceux-ci de façon instantanée. Pour cela, le réseau de télécommunications sous-jacent doit offrir une couverture géographique large, tant en terme de surface que de densité et proposer des interfaces standards largement répandues apportant ainsi des économies d échelle. Enfin, la démocratisation de la vidéo a permis d augmenter la performance de nombreux secteurs d activité. La vidéo surveillance est devenue un outil crucial pour la sécurité et la protection des personnes dans des lieux à forte fréquentation (aéroports, centres commerciaux) ou les zones isolées. La vidéo embarquée appuie la prise en compte d un incident ou d une situation de crise en aidant les équipes d intervention à comprendre l environnement du sinistre. Depuis le centre de commande, les mesures et actions d urgence peuvent être prises avec une connaissance globale de la situation. De plus, face à une situation complexe, la vidéo permet de transmettre un support ciblé grâce à une expertise à distance et ce pour chaque type d intervention sur les lieux de secours. Pour les équipes sur les lieux du sinistre, les échanges de vidéo entre les différentes brigades d intervention apportent une connaissance complète de la situation prévenant et réduisant les effets collatéraux de certaines mesures. L efficacité de la vidéo est donc désormais améliorée par l intégration de caméras dans les équipements des forces d intervention ou sur des appareils miniaturisés et mobiles tels que les robots terrestres ou 10

12 1. RÉSEAUX CRITIQUES ET PROFESSIONNELS volants comme des drones. Ce dispositif permet d avoir un compterendu factuel de la situation et de son évolution. La vidéo apporte un gain important d efficacité au quotidien comme lors de situations exceptionnelles. Le réseau doit offrir pour ce type de service une bande passante large et un temps de réponse immédiat. Les besoins futurs L avènement des «smart technologies» ouvre un vaste champ d outils pour mieux appréhender les situations professionnelles ou de sécurité. Parmi les domaines prometteurs, nous relevons particulièrement : Les senseurs intelligents (Internet des objets), Les cartographies dynamiques de ressources, Les algorithmes prédictifs de situations complexes. Les principaux utilisateurs de la radio professionnelle en France Avec près d un million de terminaux sur le territoire national, les services de l État demeurent les premiers utilisateurs des réseaux critiques et professionnels. Ces services assurent la sécurité, le secours et la protection des personnes à travers la Police, la Gendarmerie, les Douanes, les Pompiers, le Samu Ils disposent aujourd hui de réseaux dédiés sécurisés. Toutefois leur solution fonctionnelle demeure très limitée du fait de technologies bas débit. En second lieu, les collectivités et les Opérateurs d Importance Vitale (OIV) utilisent considérablement les réseaux de communication de type TETRA ou PMR pour assurer leurs missions au quotidien. L Association des Grands Utilisateurs de Réseaux Radio (AGURRE) regroupe les grandes entreprises françaises et OIV dont l activité s appuie sur un réseau radio. Rassemblant les principaux acteurs du transport (Aéroports de Paris, Air France, RATP, SANEF, SNCF), de l énergie (EDF) ou de l industrie (PSA), les membres de l AGURRE étudient les modèles permettant de faire évoluer les réseaux radio critiques et professionnels indispensables à leur activité. Enfin, les milieux industriels et professionnels disposent de très nombreux réseaux radio privés mettant en œuvre des usages et des infrastructures radio très variés. 11

13 4G CRITIQUE ET PROFESSIONNELLE Au global, le marché français des réseaux critiques et professionnels est estimé à plusieurs centaines de millions d euros par an, apportant d importantes retombées pour les fournisseurs d infrastructures, de terminaux et d applicatifs. Les spécificités des réseaux critiques et professionnels Face à ces enjeux, les infrastructures de communication des réseaux professionnels et critiques doivent proposer, en complément des services grand public, des services spécifiques afin de garantir des dispositifs de sécurité particulièrement élevés. Fiabilité et robustesse des réseaux critiques et professionnels Les réseaux critiques et professionnels sont conçus pour apporter une fiabilité maximale et reposent sur plusieurs fondamentaux : Couverture totale et dense des zones concernées. Sécurisation et redondance des infrastructures réseau. Doublement des infrastructures, des liens de transmission, des alimentations électriques, des locaux. Réseau privé. Nombre d utilisateurs connu et maîtrisé. Fréquence dédiée assurant la disponibilité du service. Support et exploitation 7 j/7, 24 h/24. Ces différents principes permettent aux réseaux critiques et professionnels de disposer d une très haute disponibilité de service. Le fait de reposer sur des réseaux spécifiques dédiés demeure un critère fondamental permettant de garantir la disponibilité du service en toutes circonstances. En cas de crise majeure, le réseau radio professionnel ne sera pas submergé de communications grand public, le prémunissant ainsi d un effondrement dû à un pic de trafic exceptionnel. 12

14 1. RÉSEAUX CRITIQUES ET PROFESSIONNELS Applications spécifiques : confidentialité et intégrité des données Tout service de communication professionnel doit intrinsèquement permettre : Un haut niveau de confidentialité dans les communications, L intégrité des données transmises jusqu au destinataire, L identification des interlocuteurs pour chaque communication, La gestion dynamique des profils des utilisateurs. Synthèse des principales technologies radio existantes Le terme «PMR» (Professional Mobile Radio) demeure communément utilisé afin de désigner la totalité des réseaux professionnels privés, indépendamment de la technologie mise en œuvre. Afin de garantir les différentes fonctionnalités, les réseaux critiques et PMR ont développé un certain nombre de technologies parmi lesquelles nous comptons : Les technologies dites conventionnelles, 3RP (Réseau Radioélectrique à Ressources Partagées) ou Trunk Ces technologies analogiques sont anciennes mais comprennent toutes les fonctions de base. Le mode analogique comporte des faiblesses d efficacité spectrale et de confidentialité qui ont conduit un grand nombre d acteurs à se tourner vers des technologies numériques. Les technologies DMR (Digital Mobile Radiocommunication) et dpmr (digital Private Mobile Radio) Ces technologies numériques sont toutes deux normalisées par l ETSI. Elles ont pour vocation de remplacer progressivement les anciens réseaux privés de taille plus modeste. Elles proposent différents niveaux d architectures et de fonctionnalités, du réseau simple au réseau à ressources partagées plus étendu. La technologie TETRA (TErrestrial Trunked RAdio) Datant du milieu des années 90, ce système numérique européen permet des communications phoniques mobiles bidirectionnelles, établies via une infrastructure centralisée ou de terminal à terminal. Cette technologie a été élaborée pour les forces de sûreté, de sécurité, d urgence, ou encore pour la gestion d infrastructures étendues (transport public). En particulier, le cryptage des communications de bout en bout est natif en TETRA. 13

15 4G CRITIQUE ET PROFESSIONNELLE Les services TETRA forment la synthèse de toutes les fonctionnalités fondamentales des réseaux professionnels. La normalisation par l ETSI a permis notamment d interfacer les réseaux TETRA aux réseaux téléphoniques publics tout en conservant une indépendance sur son architecture. Les réseaux TETRA fonctionnent en Europe sur des fréquences basses (400 MHz) ce qui permet de disposer d une bonne propagation radio. L usage de la technologie TETRA est largement répandu dans le monde mais le marché spécialisé qu elle adresse rend les équipements relativement onéreux. La technologie TETRAPOL Relativement proche de la technologie TETRA, cette autre solution numérique est utilisée principalement par les forces de sécurité nationales. Diffusée principalement par un constructeur, elle est largement répandue en France et dans le monde depuis Différences majeures avec les réseaux grand public * Mécanisme permettant de différencier les flux de communication de chaque utilisateur et à travers cela de mettre en œuvre une gestion des priorités. Les opérateurs mobiles grand public disposent de missions et de modèles économiques différents. Leur principe consiste à déployer des réseaux sur un vaste territoire générant des revenus à partir de la vente d abonnements. L importance des investissements requis par ce modèle les incite aujourd hui à mutualiser certaines infrastructures et à limiter fortement la couverture de zones privées. Sur un certain nombre de zones professionnelles ou industrielles telles que les aéroports, les opérateurs mobiles assureront demain comme hier la fourniture du service à destination du grand public. Toutefois, certains types de clientèles et d usages nécessiteront des niveaux de garantie ou de qualité de service plus élevés. Avec le développement de la 4G, l introduction de mécanismes de Classes de Services* (COS) pourra permettre d améliorer ce modèle en apportant la gestion de priorités entre les clients des réseaux grand public. Ceci suppose que les réseaux grand public ne soient pas saturés ou effondrés, et que les utilisateurs prioritaires parviennent effectivement à se raccorder au réseau. 14

16 1. RÉSEAUX CRITIQUES ET PROFESSIONNELS Ces différences fondamentales en termes de mission et de modèle économique ont mené jusqu à présent les responsables de réseaux de sécurité ou professionnels à opter pour des infrastructures dédiées à leurs usages propres. En fonction de la particularité de chaque entité, de nombreux types de réseaux ont été déployés afin de disposer de la couverture géographique requise, de la robustesse et de la richesse fonctionnelle attendues. L évolution des réseaux haut débit mobile (4G) nous amène à nous interroger sur l apport que pourraient avoir ces technologies pour les réseaux critiques et professionnels en termes d usages et de coûts. Comment ces technologies très haut débit pourraient-elles renouveler les services professionnels? Comment concevoir l ingénierie des réseaux critiques et professionnels de demain afin qu ils répondent à leurs exigences spécifiques? Quels modèles économiques mettre en œuvre? 15

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18 2. VERS LE HAUT DÉBIT MOBILE Quelles opportunités? 17

19 4G CRITIQUE ET PROFESSIONNELLE l inverse de la 3G qui a tardé à tenir ses promesses, la 4G / LTE À «Long Term Evolution» connait une adoption massive à travers le monde et s impose comme le standard unique pour le très haut débit mobile. Ce constat se traduit par une technologie mature, un vaste écosystème et l intégration prochaine de fonctionnalités spécifiques aux réseaux critiques. La 4G / LTE et les apports du haut débit mobile Les gains technologiques apportés par la 4G provoquent une réflexion de fond sur les schémas opérationnels entre réseaux professionnels dédiés et réseaux commerciaux. Comment les réseaux critiques et professionnels peuvent-ils bénéficier de ces avancées technologiques? Comment opérer la mutation des réseaux historiques et sécurisés sans remettre en question la fiabilité et la disponibilité des réseaux critiques en toutes circonstances? Quel modèle économique adopter afin de disposer de réseaux modernes et denses à l échelle régionale ou nationale? À travers la 4G, les réseaux cellulaires commerciaux disposent d une nouvelle génération d infrastructures améliorant la bande passante, la propagation, l efficacité spectrale et permettant la mise en place de mécanismes de priorités. Une technologie universelle La 4G / LTE est la technologie universelle pour les services voix, data et vidéo : Réseau IP natif Efficacité spectrale 3 à 4 fois supérieure à la 3G+ Large bande passante Faible latence Classes de Services (gestion de priorités) Optimisation de la couverture radio en mobilité 18

20 2. VERS LE HAUT DÉBIT MOBILE La 4G, une modulation adaptative Comparaison des performances des différentes générations de technologies cellulaires Débit (en bits/s/hz) Limite théorique de Shannon QPSK 1/2 QPSK 3/4 16 QAM 1/2 16 QAM 3/4 64 QAM 2/3 64 QAM 3/4 2G 4G 3G Rapport signal/bruit (en db) La technologie 4G / LTE est fortement adaptative et reprend le meilleur des technologies. Elle permet d obtenir une performance supérieure grâce à la conjugaison de nombreux mécanismes. Source : Interne Hub One. Néanmoins, la mise en place de la technologie 4G / LTE pour les réseaux critiques et professionnels se heurte aux contraintes d attribution de spectre et à l optimisation de l équation économique. Première contrainte : la question du spectre Bandes de fréquence avec ou sans licence Les réseaux mobiles apportent des fonctionnalités avancées qui requièrent des besoins en bande de fréquence radio toujours plus importants. Les organismes réglementaires de chaque pays, l ARCEP ou l ANFR en France, tentent de gérer la rareté du spectre radio sous la forme d un droit d usage, appelé licence, qui se caractérise principalement par : Sa fréquence : pour les communications mobiles intérieures et extérieures, les fréquences en «Or» sont celles situées entre 300 MHz et 1 GHz. Elles offrent les meilleures caractéristiques physiques de propagation et de pénétration, notamment 19

21 4G CRITIQUE ET PROFESSIONNELLE à l intérieur des bâtiments, et donc les conditions les plus favorables aux problématiques technico-économiques des grands réseaux. La largeur de bande qui détermine le débit effectif disponible pour les transmissions. La zone d émission : nationale, régionale, locale. Ainsi, l ensemble du spectre radio est découpé en bandes, plus ou moins larges, affectées à des usagers dans un lieu donné. Il est à noter que certaines portions de cette bande sont dites «libre d usage», l organisme réglementaire jugeant la bande libre suffisamment large au regard des usages. Par exemple dans le cas du Wifi, des bandes de fréquences globales sont attribuées sans déterminer quels seront les utilisateurs. Si les bandes libres stimulent le développement de nombreux acteurs, elles ne permettent pas de garantir l accès aux ressources radio. Or, dans le cas des réseaux professionnels et de secours, la disponibilité et la confidentialité du réseau sont des besoins fondamentaux. En conséquence, un spectre avec licence est indispensable pour constituer un premier niveau de garantie dans la chaîne de communication. Ressources nécessaires aux réseaux critiques et professionnels En France métropolitaine, la bande de fréquence utilisée aujourd hui par les réseaux PMR (Private Mobile Radio) s étend des fréquences Une nouvelle bande disponible? Occupation des bandes de fréquence entre 350 MHz et 1 GHz. Diffusion audiovisuelle PMR Services Mobiles Bande 400 MHz : usage PPDR actuel Bande 700 MHz : disponibilité pour le PPDR à statuer au WRC2015 (World Radiocommunication Conferences 2015) VHF UHF GSM 100 MHz GHz IMT Source : IDATE. 20

22 2. VERS LE HAUT DÉBIT MOBILE 410 à 470 MHz. Elle offre des moyens de radiocommunication de courte distance essentiellement utilisés pour des usages téléphoniques et de très faibles échanges de données. Pour les réseaux TETRAPOL utilisés par les services régaliens, les bandes de fréquences utilisées sont : MHz. Suite à de nombreuses études, il apparaît que le spectre alloué à ce jour répond tout juste aux Le besoin minimal est de 2 x 10 MHz en dessous de 1 GHz. usages fondamentaux (téléphonie et courts messages) et interdit toute évolution vers des applications faisant intervenir des échanges haut débit, des images ou des vidéos. Un rapport de l ECC a conclu à un besoin minimal de 2 x 10 MHz en dessous de 1 GHz pour les différentes organisations PPDR, afin de couvrir les besoins en transmission de données dans les pays Européens. Vers un second dividende numérique Des ateliers relatifs à l attribution de fréquences pour les services de sécurité et de sûreté (dits PPDR) sont actuellement organisés au sein de l ITU (International Telecommunication Union). Dans le cadre de ces travaux, il apparaît qu un espace conséquent pourrait se libérer en Europe à la faveur de la migration de la diffusion audiovisuelle vers d autres Schéma d attribution des fréquences Scénario d attribution des bandes de fréquences aux usages critiques et professionnels («PPDR» et «PMR»). Diffusion audiovisuelle UL DL 2 x 30 MHz sont alloués aux opérateurs Grand Public, les utilisations PMR et PPDR seraient majoritairement positionnées sur les bandes adjacentes. PMR PPDR Opérateurs Grand Public PMR PPDR Opérateurs Grand Public Fréquences en MHz 21

23 4G CRITIQUE ET PROFESSIONNELLE technologies. Cette proposition portée par l Agence Nationale Française des Fréquences (ANFR) a été suivie par 8 pays Européens. Cette libération de bande, dite «Second Dividende Numérique», dans la bande des 700 MHz ( MHz) ouvre de nouvelles perspectives pour les usages commerciaux et régaliens. Afin de tirer les bénéfices de l harmonisation internationale et d un large éco système d équi pe ments, l Europe a choisi de structurer la bande 700 MHz à travers un plan compatible avec celui de la zone Asie Pacifique, qui s impose actuellement dans le monde. Un premier arbitrage devrait être réalisé par les instances de régulations lors du World Radio Communication Conference en Puis chaque état statuera définitivement quant aux modalités d usages des fréquences dans la bande 700 MHz. Reste à savoir comment ce spectre sera affecté aux utilisateurs commerciaux, aux différentes entités régaliennes ou aux organismes d importance vitale (OIV), ainsi que les modes de mutualisation du spectre qui pourraient être envisagés afin d optimiser cette ressource rare. Les critères de choix de cet arbitrage seront de disposer pour les services critiques et professionnels de spectre en quantité suffisante dans une bande de fréquence favorable afin de bénéficier d un vaste écosystème de terminaux. Un scénario envisageable en 700 MHz consisterait à exploiter les bandes de fréquences adjacentes à celles allouées aux opérateurs grand public. Possibilité de complément en agrégation de fréquences La technologie 4G / LTE permettant d agréger les bandes de fréquences non contiguës, nous pourrions imaginer compléter le spectre disponible en bande 700 MHz. La recherche de fréquences pour construire de nouveaux réseaux de sécurité pourrait également conduire à une réorganisation du spectre alloué aux réseaux exis tants en 400 MHz. Toute fois, le morcellement des fréquences dans la bande 400 MHz imposera un réaménagement long et complexe afin de dégager des espaces suffisants à l intérêt de l agrégation. L apport d un complément de fréquences dans la bande 400 MHz est envisageable. Il offrirait une ressource additionnelle précieuse, bien que la bande 400 MHz propose un écosystème restreint. 22

24 2. VERS LE HAUT DÉBIT MOBILE International : les premières réponses et orientations Face aux enjeux portés par les réseaux critiques et professionnels, certains pays ont choisi de leur attribuer des fréquences dédiées afin de répondre aux besoins actuels et futurs de ces activités. Parmi les arbitrages majeurs on note que les États-Unis prévoient d investir 7 milliards de dollars pour la construction d un réseau de sécurité dédié 4G / LTE dans la bande des 700 MHz (2 x 10 MHz avec un plan de canalisation spécifique). De même, le gouvernement australien a également décidé d allouer des fréquences dédiées, et un certain nombre de pays d Asie sont proches d un arbitrage (ex. : Corée du Sud). Un état du déploiement des réseaux d urgences est détaillé en Annexe I (p. 61). Seconde contrainte : optimiser l équation économique La transition vers le haut débit mobile offre de très belles perspectives pour les utilisateurs, tout en posant un grand nombre de questions en particulier sur le plan économique. Pour être pertinent, un réseau de communication critique dédié à l échelle régionale ou nationale doit disposer d une couverture spécifique et d une architecture fortement redondée. Ceci pose la question de l équation économique d un tel réseau s il était réservé à l usage d un acteur unique. La meilleure façon de procéder consiste donc à repartir d infrastructures 4G / LTE standards, matures et éprouvées, ainsi qu à adapter l ingénierie et les applications associées aux besoins spécifiques des réseaux professionnels et de sécurité. Les applications professionnelles comme les terminaux doivent donc fortement évoluer afin d être en mesure de s interfacer avec des infrastructures dérivées des opérateurs commerciaux, tout en conservant leur richesse fonctionnelle (Push to Talk, Appel Prioritaire) et un parc de terminaux adaptés (durcissement, bouton secours, scanner). Cette vision est partagée par les organes de normalisation internationale qui prennent en compte ces spécifications dans les prochaines versions du LTE. Ainsi, les versions 12 et 13 du consortium 3GPP proposent un cadre homogène pour les applications de radio professionnelles au niveau mondial et en collaboration avec le groupe TCCA issu de la normalisation TETRA. 23

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26 3. EXPÉRIMENTATION HUB ONE Au cœur de l exploitation aéroportuaire 25

27 4G CRITIQUE ET PROFESSIONNELLE Avec 90 millions de passagers par an et plus de 2 millions de tonnes de fret, Aéroports de Paris est le second groupe aéroportuaire européen. Aéroports de Paris est également un Organisme d Importance Vitale (OIV), en partie détenu par l État, qui contribue à la sécurité et à la sûreté de la nation (sécurité incendie, équipes de secours ). Mission spécifique de Hub One Filiale à 100 % d Aéroports de Paris, Hub One assure une double mission : Garantir le fonctionnement des réseaux des aéroports parisiens à travers la gestion d un réseau sécurisé et indépendant, apportant un niveau de couverture et de fiabilité adapté aux exigences de l aéroport. Rentabiliser les infrastructures mises en place en les mutualisant avec certains usages privés, contribuant ainsi à la performance des acteurs privés de l aéroport. À ce titre, Hub One assure un rôle central au sein des aéroports parisiens permettant la continuité de service, la sécurité des personnes et la performance économique des plateformes aéroportuaires parisiennes, tout en permettant la mutualisation des ressources télécom du groupe avec d autres acteurs des aéroports parisiens. Contexte expérimental Les avancées de l expérimentation Entre décembre 2013 et avril 2014, Hub One a réalisé une expérimentation 4G / LTE sur l aéroport de Roissy sur la base de licences provisoires en 400 MHz et 700 MHz (bandes 13 et 28) en coordination avec Air France et Aéroports de Paris. Ce projet a permis de valider la promesse technologique du LTE en termes d efficacité spectrale, d interférences, de débits et les cas d usages des utilisateurs, en particulier la gestion de la priorité pour des réseaux critiques. Les travaux entrepris ont également apporté des précisions sur les modalités de déploiement et de migration d un réseau radio très haut débit au cœur d un environnement industriel tel qu un aéroport, et en particulier de : Valider l adéquation de la technologie 4G / LTE aux environnements professionnels, 26

28 3. EXPÉRIMENTATION HUB ONE Étudier les problématiques de migration des réseaux existants (TETRA, Voix, Wifi), Démontrer la compatibilité des réseaux d antennes existants. Enfin, l expérimentation a conduit à formaliser les besoins en matière de bandes de fréquence et à étudier les conditions de la mutualisation d activités critiques et non critiques afin d optimiser la gestion du spectre et le modèle économique de ces réseaux. Périmètre de l expérimentation L expérimentation a été menée au sein de l aéro port de Roissy, au cœur des opérations aéroportuaires entre les aérogares 2E et 2F. Elle a mis en œuvre les solutions et les cas d usages adaptés aux besoins aéroportuaires à travers le LTE PMR ainsi que des applications opérationnelles d Aéroports de Paris et d Air France. Cas d usages testés L ensemble des fonctions PMR (Voix / Data) Des échanges Vidéo sur des terminaux professionnels et smartphones Des applications professionnelles et de sécurité Des communications à haut débit entre l avion au parking et le sol Zone d expérimentation NLoS Apron LoS Apron Outdoor Radio Site F1 F2 Outdoor 2F Terminal Indoor Radio Site Indoor S3 Satellite S4 Satellite Deep Indoor Radio Site Deep Indoor 27

29 4G CRITIQUE ET PROFESSIONNELLE Trois Environnements représentatifs des environnements industriels et professionnels «Outdoor» Routes et pistes En environnement extérieur, la zone Outdoor sélectionnée couvre les zones de parking avion (moyens et gros porteurs) et le taxiway. Les tests réalisés sont effectués sur des points fixes, mais également en situation de mobilité afin de refléter les différentes conditions d exploitation des aéroports. «Indoor» Aérogares L environnement Indoor testé correspond à la liaison IFU reliant les terminaux E et F, et mettant en œuvre de grands espaces ouverts, avec de fortes évolutions de densité de population et donc de terminaux. L environnement Deep Indoor de l aéroport Cet environnement est similaire aux environnements industriels denses. 28

30 3. EXPÉRIMENTATION HUB ONE «Deep Indoor» Trieur Bagage Est Les tests Deep Indoor ont été réalisés au cœur du Trieur Bagage d Aéroports de Paris. Il s agit d un environnement industriel confiné mettant en œuvre de très importantes masses métalliques, rendant très complexes les phénomènes de propagation radio. Le Trieur Bagage est représentatif de milieux industriels extrêmes au cœur desquels seuls les systèmes de radio robustes (type TETRA) sont aujourd hui disponibles. Au-delà des spécificités du monde aéroportuaire, l expérimentation menée est représentative de nombreux milieux industriels, disposant d une grande variété de dispositifs radio et soumis à de fortes contraintes de sécurité. Architecture et Interopérabilité Radio LTE L infrastructure de test Schéma synoptique Le réseau expérimental LTE a été interconnecté à différents réseaux existants. EPC FTP Applicatifs ADP Réseau TETRA Réseau Données Applicatifs Voix Air Applicatifs 29

31 4G CRITIQUE ET PROFESSIONNELLE Un autre enjeu crucial de l expérimentation résidait dans l interopérabilité du futur réseau LTE avec les réseaux existants ou à venir. En d autres termes, les équipes d ingénierie et projet ont cherché à valider l interopérabilité d un réseau LTE avec un réseau voix grand public, un réseau voix type TETRA, un réseau de données ouvert comme Internet et les réseaux de données privés des partenaires Air France et Aéroports de Paris (voir schéma page précédente). Deux configurations de test Afin d être le plus représentatif possible, Hub One a choisi de tester les deux bandes de fréquences probables pour les futurs usages professionnels et critiques (400 MHz et 700 MHz), ainsi que deux constructeurs reflétant deux approches du marché différentes. Configuration 1 : «standard 3GPP» Solution suivant le standard 3GPP : Cœur de réseau LTE - version 9 du standard LTE, Smartphones «sur étagère», Intégration d applications PMR au cœur de réseau et sur les terminaux. Configuration 2 : «standard anticipé» Solution anticipant les versions 12 et 13 du standard LTE : Solution globale intégrée, conçue en prévision des releases 12 et 13 spécifiant le portage des fonctions PMR / PPDR sur LTE, Cœur de réseau LTE, Terminaux durcis, Intégration d applications PMR au cœur de réseau et sur les terminaux. 30

32 3. EXPÉRIMENTATION HUB ONE Première en Europe : LTE PMR La radio professionnelle sur un réseau 4G C est une première en Europe : porter les fonctionnalités de radio professionnelle (dite PMR Private Mobile Radio) sur un réseau 4G / LTE. Avec ses partenaires, et en anticipation de la release 12 (3GPP) qui normalisera les premières fonctionnalités LTE PMR fin 2014, Hub One a mis en place une solution de Radio Professionnelle sur la base de la technologie 4G / LTE comprenant un cœur de réseau, une application de Radio Professionnelle, ainsi que des terminaux durcis et des smartphones du marché. L objectif de ce dispositif est de pérenniser les fonctionnalités utilisées dans le cadre des réseaux radio professionnels (appels de groupe, Push to Talk) sur un réseau 4G / LTE de dernière génération apportant de nouveaux usages à travers les applications haut débit ou la vidéo. Hub One est la première société européenne à avoir testé avec succès sur un même réseau la coexistence de fonctionnalités de radio professionnelle, de téléphonie, d échanges de données et de vidéo ; étant entendu que tous ces services sont disponibles sur un terminal unique, qui en fonction des usages sera un smartphone du marché ou un terminal durci. Des services de Radio PMR traditionnels, des applications haut débit et de la vidéo peuvent être offerts sur un même terminal. La mise en place sur un même terminal durci ou grand public de services de Radio PMR traditionnels, mais également d applications haut débit et de vidéo constitue un avantage concurrentiel significatif pour l industrie. Solution de radio professionnelle sur réseau 4G / LTE Hub One a testé de façon satisfaisante les usages PMR en environnement aéroportuaire en reprenant les fonctionnalités simples et avancées (appel de groupe, appel prioritaire, appel d urgence, écoute silencieuse, Push to Talk). Les services ont été testés sur les deux infrastructures («standard 3GPP» et «standard anticipé»), les deux types de terminaux (durcis et grand public), sur deux bandes de fréquences 400 et 700 MHz en environnement Outdoor, Indoor et Deep Indoor. 31

33 4G CRITIQUE ET PROFESSIONNELLE Ces travaux ont permis de valider les fonctionnalités PMR, mais également les échanges de données haut débit et la vidéo sur les deux types de terminaux, y compris au sein du Trieur Bagage qui n est couvert à ce jour que par les réseaux TETRA traditionnels. Résultats significatifs obtenus lors de l expérimentation Fonctionnalité Appel de groupes Push to Talk Temps d établissement du 1 er appel Temps d établissement des appels suivants Appel prioritaire Appel d urgence Qualité auditive Échange de données Écoute / Vidéo passive Visioconférence Vidéo Résultats obtenus Mise en œuvre d appels de groupes. Mise en œuvre du Push to Talk grâce à des temps d établissement d appels très courts. Téléphone spécialisé : < 300ms Smartphone Android : < 500ms Téléphone spécialisé : < 20ms Smartphone Android : < 500ms Réalisation d appels prioritaires «prenant la priorité» sur les appels standards. Réalisation d appels d urgence «prenant la main» par-dessus les appels standards. Identique à celle constatée pour un appel standard. Echange de données et surf sur internet (60 Mbps) avec l application centrale, mais également de poste à poste. Déclenchement du micro du terminal et/ou de la caméra à distance. Possibilité d entendre et de visualiser un agent en situation de danger à partir de son propre terminal. Réalisation d une conférence téléphonique associant la voix et l image. Transfert de fichiers vidéo entre le terminal et l application centrale dans les deux sens, mais également de poste à poste. Source : interne Hub One. Sur le même terminal, la «Vidéo en Plus» L installation d une solution LTE de dernière génération combinant sur un même terminal de la téléphonie PMR, des échanges de données et de la vidéo constitue un avantage compétitif significatif pour tous les professionnels et industriels dont une grande partie des besoins est similaire. De nombreux cas d usages émergent pour la sécurité, l exploitation ou la maintenance aéroportuaire à travers l échange de fichiers haut débit, de photos ou de vidéos permettant une meilleure appréhension des situations. 32

34 3. EXPÉRIMENTATION HUB ONE La «Vidéo en Plus» Test des différentes solutions vidéo en HD. Des applicatifs centralisent les prises de vue des différents terminaux. Solution standard Solution anticipant les versions 12/13 Vidéo standard (640 x 380, h264, 8 fps) < 2 Mbps Vidéo haute definition (1 920 x 720) > 2 Mbps Vidéo standard (qcif) : 300 kbps Vidéo haute definition (720 x 480, 28 fps) : 1 Mbps La «Vidéo en Plus», c est la possibilité de suivre une action à distance à travers une vidéo retransmise en temps réel au centre de commandement ou vers n importe quel autre site ou autre poste mobile de la flotte. Au final, une meilleure coordination des acteurs dans tous les domaines (maintenance, diagnostics, situation de crise) permet de contribuer fortement à la performance collective. Performance de la technologie 4G / LTE en milieu contraint Propagation en milieu industriel Conformément à la norme, la technologie 4G / LTE permet de limiter les interférences et de maximiser la propagation des ondes, y compris en milieu contraint. Les tests ont été réalisés dans un trieur à bagages, un environnement Indoor extrêmement métallique avec de nombreux caillebotis. Dans cet environnement, les techniques de modulation des ondes du LTE ont permis de maintenir une haute qualité de service sur une distance de 80 mètres, contrairement à un service TETRA qui se trouve dégradé. 33

35 4G CRITIQUE ET PROFESSIONNELLE Ceci signifie également qu un service data haut débit de qualité pourra être apporté avec un nombre de points d émission relativement limité. En Outdoor, autour des avions, les mécanismes adaptatifs du LTE compensent les dégradations du signal du fait de l environnement (masse métallique de l aéronef et présence de nombreux véhicules opérationnels). Pour ce type d usages, elle apporte ainsi un gain de performance par rapport au Wifi qui est utilisé actuellement. La technologie 4G / LTE permet une excellente propagation, y compris en milieu industriel, assurant une continuité de service optimale. La compatibilité de la technologie 4G avec des réseaux d antennes déjà déployés est démontrée. Évolutivité des infrastructures existantes : DAS et câble rayonnant Compte tenu de la complexité des bâtiments, la majorité des installations radioélectriques d intérieur utilisent des réseaux d antennes distribuées (DAS, Distributed Antenna Systems). Les DAS sont constitués de câbles rayonnants qui ont la particularité de diffuser le signal tout le long de leur parcours, ainsi que d antennes à relativement faible émission. Cette technologie permet d irriguer le signal dans de vastes zones, en offrant une couverture optimale avec des niveaux d émission faibles et répartis de manière uniforme. Ce type d infrastructures est très adapté aux architectures de bâtiments complexes, notamment en aérogares. Durant l expérimentation, les tests ont été notamment menés sur une infrastructure DAS existante et ont permis de démontrer la compatibilité de la technologie 4G avec des réseaux d antennes déjà déployés. Cette validation est particulièrement importante étant donné que de nombreux espaces aéroportuaires ou industriels sont aujourd hui dotés de ce type d infrastructures. Les réseaux d antennes distribués déjà déployés peuvent être réutilisés de façon efficace, limitant significativement les investissements de couverture à réaliser. Lors d une migration, la nouvelle architecture sera constituée de réseaux hétérogènes comprenant une reprise des réseaux existants et l ajout ponctuel de nouveaux points d émission (DAS hybride) ou de small-cells. 34

36 3. EXPÉRIMENTATION HUB ONE Mise en œuvre du MIMO sur le câble rayonnant : doublement des débits Ces travaux sont extrêmement novateurs puisqu il s agit de mettre en œuvre les mécanismes de doublement des débits (dits MIMO) sur du câble rayonnant conçu pour des technologies plus anciennes. Ceci a été réalisé avec une ingénierie adaptée afin de montrer la possible mise en œuvre du MIMO sur les câbles existants des aérogares dans différentes dispositions et sans modification majeure. Les services LTE et TETRA coexistent sur un même réseau d antennes. Le MIMO peut être mis en place sur le câble rayonnant existant quelle que soit la configuration adoptée (câbles parallèles, perpendiculaires), permettant un doublement des débits. Mutualisation de technologies sur une même infrastructure antennaire Les tests réalisés par Hub One ont permis de démontrer la compatibilité électromagnétique de différentes technologies sur une même infrastructure antennaire. Durant l expérimentation en 400 MHz, nous sommes parvenus à faire coexister les services LTE et TETRA sur un même réseau d antennes avec une bande de garde de moins de 1 MHz à l aide d un système de filtrage spécifique. Ce résultat expérimental peut être encore amélioré. De même, en 700 MHz, les meilleures performances ont été obtenues sur tous les éléments du réseau d antennes distribué, c est-à-dire sur le câble rayonnant comme sur les antennes multi-bandes. La mutualisation de plusieurs réseaux mettant en œuvre des technologies différentes est possible sur une même infrastructure antennaire. Mutualisation des services et priorité de flux La mutualisation et la priorisation de flux ont été testées au sein de l aéro port avec différentes configurations de Classes de Services, selon les mécanismes présents dans la norme LTE. 35