Prédiction de couverture de champ radioélectrique pour les réseaux radiomobiles : L apport du Système d Information Géographique ArcInfo 8

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1 Prédiction de couverture de champ radioélectrique pour les réseaux radiomobiles : L apport du Système d Information Géographique ArcInfo 8 Christine TURCK 1 * et **, Christiane WEBER**, Dominique THOME* ** Laboratoire Image et Ville, Faculté de Géographie, Université Louis Pasteur, 3, rue de l Argonne, Strasbourg. * FTR&D/DMR/Laboratoire OIP, 6, avenue des usines, BP 382, Belfort. 1 - Contexte: Le développement des réseaux cellulaires en Télécommunication ces dernières années nécessite de la part des opérateurs de Télécommunication une prise en compte de plus en plus fine de la réalité du milieu de propagation des ondes radioélectriques. Il y a encore peu de temps les cartes topographiques, combinées à des photographies aériennes, suffisaient pour déployer un réseau cellulaire. Mais la localisation des antennes n était pas optimale, la qualité des transmissions non plus ce qui entraînait le mécontentement des abonnés. Ces cinq dernières années, de grandes avancées ont été effectuées en matière d acquisition et de traitement des données géographiques, notamment grâce aux progrès dans la Télédétection aérienne et spatiale (Images Haute Résolution) et de la Géomatique. La demande en communications radiomobiles étant surtout concentrée en milieux urbanisés, la localisation des antennes devient plus complexe du fait de l influence des formes urbaines et des types d occupation du sol associés. L importance des éléments géographiques, leur nature, leur agencement, ainsi que le rôle du niveau d observation qui leur est associé, est déterminante pour une utilisation optimum des modèles de propagation radioélectrique, c est-à-dire conciliant la précision des données géographiques, les traitements et le coût de ces opérations. L analyse spatiale et l intégration possible de données pertinentes dans ce contexte au sein du SIG ArcInfo 8 a permis d appréhender l influence des données géographiques sur la réalisation des modèles de propagation en ce qui concerne l occupation du sol (échelle, qualité, typologie, nature des éléments ) et d identifier les algorithmes de calcul de la couverture de champ radioélectrique les plus adaptés à une optimisation des traitements. 1 Christine TURCK est doctorante en Science de l'information Géographique au sein du Laboratoire Image et Ville de Strasbourg. Intitulé de sa Thèse (débutée en octobre 2000) : "Prédiction de couverture de champ radioélectrique pour les réseaux radiomobiles: l apport des Systèmes d Information Géographique. Application en milieu urbain", sous la direction de Christiane Weber.

2 D'un point de vue géographique différents niveaux d'analyse ont été pris en compte pour la réalisation du projet ArcInfo - Modèle de propagation d'ondes : - L'environnement "multi-trajets" du point de vue de la propagation du signal radio: Les trajets multiples sont causés par les obstacles rencontrés par l onde émise. En fonction de la nature de l impact, l onde subit des phénomènes de diffraction, de diffusion, de réflexion ou de transmission. Environnement multi-trajets Diffraction transmis Diffraction Réflex Diffus

3 - Les cellules du réseau radiomobiles : Un autre facteur important à prendre en compte du point de vue est la taille et la forme des cellules du réseau. Le réseau radiomobile est divisé en petites zones de couverture radio aux centre desquelles sont implantées les émetteurs (antennes relais). Ces zones ont la forme de cellules en nid d'abeille, dont la taille varie en fonction du trafic, du type d'antennes et du milieu géographique. Taille des cellules du réseau radiomobile Macro cellule Petite cellule Micro cellule Pico cellule Cellules en nid d abeille Avantage du SIG: Possibilité d utiliser le multi-échelle. - La nature du milieu géographique : La propagation des ondes varie considérablement selon le type de milieu géographique. En milieu urbain dense par exemple les ondes radio vont être fortement atténuées par la présence du bâti et de la végétation. De ce fait, FTR&D a développé toute une série de modèles différents selon le type de milieu géographique en présence. Dans le SIG ArcInfo, le type d'environnement a donc été inclus comme critère incontournable pour le calcul de la couverture radio. Les environnements géographiques pris en compte sont les suivants : milieu urbain dense, milieu urbain, milieu suburbain, milieu rural, milieu montagneux et zones côtières.

4 - Les bases de données utilisées: Les modèles de propagation développés à FTR&D utilisent en entrée différents types de base de données. Elles sont principalement de deux types : des bases de données radio et des bases de données géographiques. Les bases de données Géographiques : Les modèles de propagation sont fortement liés aux données géographiques. Prenons un exemple concret : un modèle de propagation urbain-périurbain utilisera des BD Géo comportant l altitude au sol, la hauteur du sursol (bâti, végétation, etc.), le type d occupation du sol, ainsi que l'emprise des bâtiments dans l'espace. D un point de vue géographique, cela correspond à: - un Modèle Numérique de Terrain (MNT), qui contient l altitude Z. - un Modèle Numérique de Surface (MNS), qui contient la hauteur du sursol (ZH pour le bâti, ZHb pour le bois, etc.. - un Clutter, qui correspond à une image raster comportant les différents types d occupation du sol, le nombre de thème pris en compte pouvant varier. - le Contour de Base du bâti et de la végétation (vectoriel). Les besoins en BD Géo pour ce modèle de propagation urbain-périurbain correspondent donc à ces quatre types de fichiers, en format raster et vectoriel, avec une résolution de 25 à 1 mètre et une précision de l ordre du mètre. Modèle Numérique de Terrain

5 Modèle Numérique de Surface Carte d occupation du sol Clutter 5 thèmes

6 Les Contours de Base : Bâti et végétation (bois) Sources des données géographiques ci-jointes: IGN, 1994, format de stockage ASCII. format propriétaire FTR&D. Visualisation sous ArcMap 8 et ArcScene 8.

7 Les bases de données radio : Elles sont composées de données sur les antennes (types d'antennes, localisation, diagrammes d'antennes, etc.), de données sur le trafic radio, de données sur la couverture radio (affaiblissement du signal, couverture de champ, etc.), ainsi que des mesures de terrain (campagnes de mesures de champ sur le terrain).

8 2 Problématique : Les problèmes actuels de la modélisation radioélectrique : Face à l augmentation très importante du trafic radiomobile, les unités d exploitation des réseaux radiomobiles Orange doivent accroître la capacité du réseau. Ceci s opère entre autres par une densification et donc un re-calcul de la couverture radioélectrique du réseau avec une bonne précision. Ces coûts trop importants en temps de calcul sont en particulier dus à l utilisation de données géographiques précises ce qui induit un problème essentiel : trouver un compromis acceptable entre la précision de la prédiction et la précision des données géographiques et des algorithmes associés. La problématique de cette thèse de doctorat est de rechercher de nouvelles approches algorithmiques du calcul de couverture de champ radioélectrique sur des secteurs géographiques autour des émetteurs et non en mode point à point réalisé actuellement. Cependant pour répondre à ces besoins, un approfondissement des apports de l analyse spatiale et des SIG est nécessaire. Ce domaine relativement peu développé s appuie sur des complémentarités nouvelles, qui ne peuvent que s accroître aux vues du développement des technologies sans fil (DECT, WAP, PAD, UMTS, ). Les apports d une analyse spatiale sous ArcInfo 8 : Trois domaines articulant SIG et Radiocommunications gagnent actuellement en importance : La modélisation du réseau (trafic et propagation du signal) : elle permet de générer les caractéristiques de fréquences (trafic et couverture de champ) et de propagation pour des modèles cellulaires. Des données géographiques précises et à jour sont nécessaires tels les Modèles Numériques de Terrain et de Surface, les Classifications d occupation du sol, les Contours de Base vectoriels (bâti et végétation), et les éléments linéaires (réseaux routiers, etc.). La sélection des sites (dimensionnement des antennes) : de nombreux critères sont pris en compte pour sélectionner la localisation des antennes relais. Des informations en structure vectorielle ou raster telles que les limites administratives, les obstructions verticales, les types d occupation du sol doivent être intégrées. La visualisation : la possibilité offerte de visualiser les réseaux en 2D, 3D et 4D est actuellement une ouverture en matière de complémentarité entre SIG et Télécommunications.

9 - Le SIG développé dans le cadre de la thèse : Les différents composants du SIG ArcInfo 8- Radio : Source : Christine TURCK, juin Laboratoire Image et Ville, Strasbourg.

10 3 Les résultats : Les résultats radio obtenus sous ArcInfo 8 : - Diagrammes d antenne - Calcul de couvertures - Analyse de trafic - Profil de visibilité Diagramme d antennes

11 Modèle de propagation Urbain-Périurbain sous ArcInfo 8 : Calcul de couvertures radio Utilisation des données MNT (résolution 50m), MNS (résolution 25m), et Clutter (14 classes) Zone de calcul maillé à 1mètre autour d une station fictive (région de Strasbourg) avec une antenne 3D

12 Modèle de propagation de HATA en 3D sous ArcScene

13 Carte de Trafic sous ArcMap

14 L'affaiblissement radioélectrique peut également être représenté en mode profil. ArcInfo 8 dispose d'une fonction sous 3D Analyst, qui permet d'obtenir automatiquement le profil de visibilité d'une grille. En rajoutant une couche d'information comportant la position de l'antenne et du mobile et en interfacant le calcul de propagation avec cette option, on peut alors visualiser l'affaiblissement radio en mode profil. Le Profil de visibilité sol réel (relief) LRTSE LMSD LRTSM E M

15 4 Conclusion : L'application développée sous le SIG ArcInfo 8 s'est avérée d'un grand intérêt pour France Télécom Recherche et Développement dans le cadre de ses recherches en propagation du signal radio. On peut résumer l'intérêt du SIG dans cette application, en cinq points essentiels: 1. Un outil de traitement d'images : ArcInfo 8 interfacé avec le logiciel ER-Mapper a permis de faire de la classification d'images satellites, afin de constituer des cartes caractérisant le type de milieu géographique, puis de les réutiliser dans les modèles de propagation. 2. Un outil de géotraitement : Parmi les nombreux traitements proposés en standards dans ArcInfo 8, les calculs de "chemin le plus court", les overlays, etc. ont été très utiles pour la comparaison des résultats des calculs avec les mesures de terrain, et la constitution de rapports statistiques. 3. Un outil d'ingénierie télécom : Le SIG a été customisé, afin d'être une véritable plate-forme de calcul radio : En interfacant ArcInfo 8 avec le logiciel Visual C++, les modèles de propagation s'exécutent directement depuis ArcInfo et les résultats (couvertures de champ, profil, diagrammes d'antennes, rapports statistiques, etc.) s'affichent directement sous ArcMap et ArcScene. 4. Un outil d'aide à la décision : Les traitements effectués sous le SIG permettent de définir l'emplacement optimal des antennes relais (le dimensionnement). Le dimensionnement des relais s'effectue grâce aux données radioélectriques (couverture, trafic, type d'antennes, etc.) mais également en fonction de données socio-économiques pouvant être facilement intégrées dans le SIG : les coûts financiers selon le site géographique, le nombre d'abonnés par zones, les dispositions juridiques spécifiques quand à l'implantation d'antennes selon les zones (les bâtiments à proximité desquels les relais ne peuvent s'implanter, comme par exemple les écoles ou les hôpitaux). 5. Un outil de visualisation et de cartographie : ArcInfo 8 permet de cartographier les résultats des modèles de propagation et ceci aussi bien en 2D qu'en 3D. Les imports/exports des données sous de nombreux formats sont facilités grâce à ArcToolbox.