WiMAX A L USAGE DES COMMUNICATIONS HAUT DEBIT WIMAX ET LA PMR. Par Philipe Mege EADS Secure Networks EADS Secure Networks

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1 WiMAX A L USAGE DES COMMUNICATIONS HAUT DEBIT WIMAX ET LA PMR Par Philipe Mege EADS Secure Networks EADS Secure Networks philippe.mege@eads.com Forum ATENA Janvier

2 LA PMR ET SES BESOINS LES RESEAUX BANDE ETROITE Professional Mobile Radiocommunications si la terminologie n est pas familière à tous, ces réseaux par contre le sont. Les réseaux PMR sont largement utilisés par les Services de Sécurité Publique et des Secours et aussi par bien d autres catégories d usagers (transports publics, aéroports, ports, sociétés d autoroutes). Ce sont des réseaux privés qui présentent un haut niveau de sécurité, tant en termes de confidentialité qu en termes de qualité de service. Ils sont basés sur des technologies analogiques (MPT 1327, APCO 16 ) et basculent aujourd hui de plus en plus vers le numérique (TETRA, TETRAPOL, APCO 25 ). Pour fixer les idées, nous citerons deux exemples bien français : le réseau RUBIS de la Gendarmerie Nationale et le réseau ACROPOL de la Police Nationale : tous deux réalisés en technologie TETRAPOL, ils couvrent la totalité du territoire français. Un réseau PMR doit satisfaire un certain nombre de contraintes dont : assurer la confidentialité et la sécurité des transactions garantir le service même, et surtout! en cas de crise quand souvent les réseaux publics sont saturés proposer des cellules de grande taille pour permettre une couverture nationale à un coût raisonnable offrir aux usagers des services de phonie et de données adaptés à leurs besoins. Les réseaux actuels, basés sur les technologies cités ci-dessus, sont des réseaux dits à bande étroite, caractérisés par une largeur canal de l ordre de la dizaine de khz. S ils offrent des services complets de phonie, ils ne proposent par contre que des services de transmission de données rudimentaires (de 1 à 10 kbits/s maximum), ceci à cause de leur faible largeur de bande. Les services de données se limitent donc à des applications peu coûteuses en bande passante : envoi de SMS et de status (information très courte d indication d état), interrogation de bases de données, transmission d alarmes, envoi de petits fichiers, géolocalisation LES NOUVEAUX BESOINS La montée du haut débit dans la vie courante incite les utilisateurs de la PMR à demander des applications plus évoluées et plus gourmandes en bande passante. Par exemple, la police demande de la vidéo en temps réel et de bonne définition pour le suivi des manifestations et l identification des casseurs, les services de secours médical d urgence demandent des services de télémédecine associés à de l imagerie haute définition afin de transmettre aux hôpitaux les photos des traumatismes, les pompiers demandent la transmission d informations cartographiques et de l imagerie pour suivre les contours de feu. On peut également citer la robotique, pour des interventions en zones contaminées. D une façon générale les professionnels de la sécurité et des secours ont besoin de suivre l évolution du très haut débit. Ils ne comprendraient pas, et personne ne comprendrait, qu ils n aient pas accès aux services que les citoyens ont déjà ou auront bientôt. Le très haut débit est pour eux un moyen d améliorer leur réactivité et leur efficacité pour le bénéfice des citoyens. 2

3 LES RESEAUX LARGE BANDE Certaines technologies comme TETRA ont évolué vers de plus hauts débits (TEDS : TETRA Enhanced Data System) en large bande avec des débits de l ordre de quelques centaines de kbits/s. Cette augmentation importante de débit, comparée aux systèmes bande étroite, ne permet toutefois que certaines nouvelles applications de type , accès Internet/Intranet, vidéo faible résolution, contrôle de process L avancée significative apportée par les technologies large bande est cependant insuffisante pour satisfaire l évolution des besoins cités ci-dessus des utilisateurs de la sécurité publique et des secours. LE CHOIX DE WiMAX LES POINTS FORTS La technologie WiMAX est la plus prometteuse. Elle s impose face à cette demande. La technologie WIMAX utilise une technique de transmission OFDM/OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiplex / Orthogonal Frequency Division Multiple Access) qui permet une mise en œuvre simple et efficace pour la transmission de débits élevés sur la voie radio. WIMAX met aussi en œuvre une transmission par paquet alliant souplesse et efficacité pour la transmission de débits très variés (en effet le très haut débit peut être l agrégation d un très grand nombre de communications à bas ou moyen débit les petits ruisseaux font les grandes rivières! ) et offrant divers niveaux de qualité de service (QoS) garantis. Pour les applications des services de sécurité publique et des secours, on estime un besoin de l ordre de 15 à 20 Mbits/s en débit cumulé par cellule et en situation mobile à des vitesses qui sont celles des moyens de transports terrestres, soit de 0 à 250 km/h. Les échanges d informations se font essentiellement du terrain vers les centres de commandement et on a donc un débit montant important souvent plus grand que le débit descendant, contrairement aux réseaux publics où les débits descendants sont prédominants (téléchargement de bases de données, de fichiers, diffusion, ). La réservation de la QoS tout le long du chemin pour les applications est cruciale pour les réseaux des services de sécurité et de secours. En effet la disponibilité permanente du réseau est un élément fondamental, tout comme la gestion des priorités. Il n est pas question de perdre, même faire attendre, une information importante! La PMR se tourne plus particulièrement vers la version 2.0 du WiMAX, m, attendue en 2009, mieux adaptée aux applications phonie et streaming que e. Il reste néanmoins à résoudre un problème de taille qui est celui de la couverture. 3

4 LES ADAPTATIONS BANDE DE FREQUENCES Si on applique strictement le standard, WiMAX utilise des fréquences dans la bande 3 GHZ et avec les débits annoncés, ne couvre que quelques kilomètres, bien moins que les réseaux PMR actuels. Pour obtenir la couverture voulue, il est nécessaire de descendre en fréquence en dessous de 1 GHz, dans la sous bande UHF MHz, où se trouvent déjà les fréquences allouées à la PMR. Il s agit de fréquences duplex dans lesquelles WiMAX devrait fonctionner préférentiellement en mode FDD. Aux États-Unis, la bande 700 MHz est utilisable. Ce sera peut-être le cas aussi en Europe grâce aux fréquences libérées par le passage au numérique de la télévision. LARGEUR DU CANAL WiMAX utilise couramment des canaux de 20 MHz. Cette taille de canal n est pas adaptée à la PMR, en premier lieu pour des problèmes de disponibilité de spectre dans la bande UHF et en second lieu pour des questions de portée. La portée d un émetteur est définie par l énergie transportée par bit. A puissance transmise égale, l énergie transportée par bit augmente quand la largeur de canal diminue. Mais, lorsque la largeur canal diminue, le débit diminue. Un compromis reste à trouver entre portée et débit. On remarque également qu en milieu perturbé (urbain), l élargissement du canal a peu d impact sur la portée, la perte étant compensée par un effet de diversité. En pratique on adoptera une largeur canal entre 1,25 et 5 MHz. REUTILISATION DES SITES EXISTANTS La plupart des utilisateurs PMR va chercher à réutiliser les sites des ses réseaux PMR existants grâce à l extension de portée de la cellule WiMAX et à réutiliser les fréquences du réseau bande étroite, ou des fréquences proches, grâce à la transposition en UHF. L augmentation de puissance de la station de base permet d accroître la taille de la cellule tout en conservant un débit élevé, du moins dans le sens descendant. Par contre ceci n est pas possible pour les terminaux, contraints à des puissances limitées pour des raisons de taille et d autonomie. Les terminaux doivent alors se contenter d une couverture haut débit plus petite que celle de la station de base, ou bien d une couverture identique mais à plus faible débit. Or, nous l avons vu, la PMR nécessite également des hauts débits dans le sens montant. Une solution consiste à adjoindre à la station de base des récepteurs simples qui restent à portée des terminaux pour garantir le débit. Ces stations réceptrices, de faible coût et de faible encombrement, ne nécessitent pas d infrastructure lourde et peuvent s installer aisément sur du mobilier urbain existant. Les flux captés par ces récepteurs sont remontés au commutateur radio via l infrastructure. 4

5 Couverture montante par stations réceptrices APPLICATION DU RESEAU WiMAX A LA PMR DEPLOIEMENT Deux cas sont à considérer selon que l utilisateur dispose ou non d un réseau PMR bande étroite. L utilisateur a déjà un réseau PMR bande étroite de type TETRA ou TETRAPOL. Le réseau WiMAX est déployé en réutilisant les sites de ce réseau pour installer les émetteurs. Le réseau bande étroite est en général conservé pour les applications de phonie et SMS, déjà parfaitement gérées par l ancien réseau, pour consacrer le réseau WiMAX aux applications large bande. L inconvénient est que l usager doit alors disposer de deux terminaux : un terminal PMR classique et un terminal WiMAX. En réalité, ceci est faux inconvénient car, sur le terrain, tous les usagers n ont pas besoin d applications haut débit. On pourrait ainsi envisager que lors d une intervention de secours, les usagers soient équipés de terminaux PMR bande étroite portatifs pour les applications de base (essentiellement la phonie), les terminaux WiMAX se trouvant à bord des véhicules pour l échange des images, l accès Internet. et autres applications haut débit. L utilisateur n a encore aucun réseau PMR La tentation est grande de n avoir qu un seul réseau haut débit avec de la phonie en VoIP. Toutefois, à l heure actuelle en e, et compte tenu de l étroitesse du canal radio 5

6 résultant des adaptations radio décrites ci-dessus, les performances chutent très rapidement quand le nombre de communications augmente. Des études portent actuellement sur la définition d un mode phonie optimisé, à commencer par la réduction des enrobages protocolaires qui introduisent un overhead considérable. Un autre axe d amélioration porte sur le codage. En VoIP tous les bits du signal initial sont codés de manière identique (rappelons que le codage vise à étendre le signal initial en introduisant de la redondance, afin qu une perte partielle de transmission soit «récupérable»). Il serait préférable d introduire un codage non uniforme, à l instar des technologies PMR bande étroite. On remarque en effet qu en sortie du vocodeur, tous les bits n ont pas la même importance. Si certains sont indispensables à la reconstitution du signal vocal, d autres le sont moins, voire sont pratiquement inutiles. La technique de codage non uniforme consiste alors à coder chaque bit avec un niveau de redondance proportionnel à son intérêt, ce qui conduit globalement à une réduction drastique de la taille de la trame codée en regard de la même codée de manière uniforme. Des améliorations sont attendues avec la future version m qui devrait alors permettre la réalisation de réseaux PMR multimédia avec de bonnes performances. LE MODE DIRECT Il s agit d un mode de fonctionnement cher à la PMR et jugé indispensable par la quasitotalité des utilisateurs. Le mode direct, encore appelé mode talkie-walkie, est l ultime «roue de secours» qui permet aux usagers de communiquer grâce aux capacités radio intrinsèques de leurs terminaux, sans faire appel à une quelconque infrastructure. Il est notamment utilisé lorsque des usagers sont amenés à intervenir hors couverture ou encore en cas de panne totale d un relais. En WiMAX, le mode direct peut être remplacé par un mode ad hoc, beaucoup plus riche, qui est par ailleurs prévu dans le standard. Contrairement au mode direct PMR qui ne permet de communiquer qu avec des terminaux à portée, le mode ad hoc autorise une couverture beaucoup plus large : chaque terminal ayant également des capacités de routage, il est possible ainsi de faire communiquer en mode ad hoc des terminaux non à portée en faisant relayer la communication de proche ne proche par d autres terminaux. GLOSSAIRE APCO COTS PMR TETRA TETRAPOL UHF VoIP WiMAX Association of Public Safety Communications Officials forum américain d utilisateurs sécurité publique à l origine de standards PMR Commercial Off The Shelf Professional Mobile Radiocommunication TErrestrial Trunked Radio technologie PMR numérique Technologie PMR numérique Ultra High Frequency - bande de fréquences MHz Voice over IP Worldwide Interoperability for Microwave Access 6

7 Copyright ATENA 2009 Collection ATENA Les idées émises dans cet article n engagent que la responsabilité de son auteur et pas celle de forum ATENA. La reproduction et/ou la représentation de ce document sur tous supports est autorisée à la condition d'en citer la source comme suit : Copyright Forum ATENA 2009 WiMAX à l usage des communications haut débit. L'utilisation à but lucratif ou commercial, la traduction et l'adaptation de ce document sous quelque support que ce soit sont interdites sans la permission écrite de Forum ATENA. 7

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