GeRoFan : une architecture et un plan de contrôle basés sur la radio-sur-fibre

La convergence fixe-mobile et l’ubiquité des services large-bande constituent deux défis majeurs pour les opérateurs télécoms. L’émergence de nouvelles applications trés consommatrices de débits et accessibles via les terminaux mobiles de nouvelle génération met d’ores et déjà en évidence les limites de capacité des réseaux radio mobiles actuels (UMTS). Le développement des réseaux alternatifs 4G confirme cette insuffisance. Une telle technique impose l’utilisation de fréquences porteuses plus élevées, supérieures, voire très supérieures à 3 GHz pour des réseaux UWB (autour de 60 GHz) et/ou une réduction drastique de la taille des cellules (désignées par Node-B en UMTS) pour offrir un plus grand débit par unité géographique. L’architecture actuelle des réseaux d’accès radio (Radio Access Network ou RAN) fédérant plusieurs Node-Bs sur un même contrôleur central (ou RNC) n’est pas adaptée à une telle évolution, et ce pour deux raisons. La première, de type CAPEX, a trait au coût intrinsèque de l’infrastructure à mettre en place. La montée en débit du trafic transporté dans les futurs réseaux cellulaires ne pourra pas être satisfaite par les paires de cuivre actuellement utilisés dans le RAN. La multiplication des équipements radio inhérente à l’accroissement de la densité de Node-Bs pose le problème de l’investissement à réaliser par les opérateurs pour la mise en place de leur infrastructure. La seconde, de type OPEX, a trait aux coûts d’exploitation et de maintenance élevés en raison du grand nombre et de la dispersion géographique des équipements radio à superviser. La gestion du soft-handover, la minimisation des interférences ou le contrôle dynamique de gain des antennes dans le cas de pico-cellules d’une centaine de mètres demande une réactivité beaucoup plus grande du RAN .

Nous proposons dans cette thèse deux approches complémentaires pour répondre à ce challenge. La première consiste à atteindre la réactivité requise au moyen d’une topologie RAN simplifiée, faisant appel à des technologies optiques transparentes avancées telles que le multiplexage en longueurs d’onde (WDM), la modulation par sous-porteuse (SCM), le routage optique, la transmission par la technologie radio sur-fibre (RoF) et les modulateurs optiques réflexifs. La seconde approche consiste en une gestion centralisée de l’intelligence nécessaire pour l’allocation dynamique des ressources radio, cette centralisation ayant lieu plus en amont que dans les réseaux actuels. L’originalité de ces deux approches est de viser une mutualisation multi-opérateurs, multi-technologies de l’infrastructure RAN à une échelle métropolitaine. L’architecture RAN proposée et le plan contrôle qui sera développé doivent permettre une transition sans rupture dans le développement des différentes technologies envisagées pour les réseaux de 4ème génération (4G).

Il y a une quinzaine d’années, la faisabilité du transport point-à-point de fréquences radio par le biais de porteuses laser a été démontrée. Une telle technique connue sous le nom de radio-sur-fibre (RoF) permet de déporter les équipements de traitement du signal radio traditionnellement situés au pied de chaque antenne vers l’autre extrémité de la fibre. L’insensibilité de la fibre optique aux perturbations électromagnétiques extérieures, sa faible atténuation et sa très grande bande passante autorisent un déport de plusieurs dizaines de kilomètres entre les équipements radio et l’antenne elle-même. Des études récentes ont démontré les avantages tirés des technologies RoF lorsque celle-ci est appliquée à des réseaux radio organisés sous forme de bus, par exemple le long d’une ligne de TGV. Cette approche linéaire a été généralisée au milieu des années 2000 au cas d’architectures maillées point-à-multipoint incluant une fonction de routage optique. Très vite, l’intérêt de pouvoir mutualiser les équipements radio, hormis les antennes, en un point unique est apparu comme un avantage majeur de la RoF pour les opérateurs. Le fait que tous les équipements de traitement du signal radio puissent être co-localisés chez l’opérateur autorise la mutualisation d’un certains nombre d’équipements tels que les oscillateurs radio à la fréquence intermédiaire ou/et à la fréquence radio. Aujourd’hui, deux usages de la technique RoF doivent être distingués : indoor et outdoor. Le RoF indoor consiste en une nouvelle génération de réseaux locaux sans fil à très haut débit, par exemple utilisant l’Ultra Wideband (UWB) opérant à des fréquences de plusieurs dizaines de GHZ pour du Gbps par usager. Le RoF outdoor vise quant à lui à fédérer des antennes de type de celles utilisées dans les réseaux radio-cellulaires. En matière de RoF outdoor, plusieurs projets (USA, Hollande, UK, Portugal, Espagne etc.) ont été réalisés ou sont en cours, souvent avec la réalisation de maquettes opérationnelles. Toutefois ces investigations restent très focalisées sur la faisabilité de ces architectures au niveau de la couche physique. Pour beaucoup de ces projets, la façon de distribuer les ressources radio aux stations de base fait l’hypothèse a priori de la conception d’une nouvelle technique d’accès multiple à l’intérieur des cellules. En ce cens, ces propositions se substituent aux techniques d’accès radio développées pour les systèmes cellulaires. L’une des originalités de la démarche retenue dans cette thèse pour la conception du plan contrôle et du canal de signalisation est de ne pas remettre en cause les standards d’accès radio existants. Pour cela, le plan contrôle ne prend en compte que l’allocation de ressources à l’échelle de la durée de vie des connexions d’usager vis-à-vis de la capacité globale d’une cellule, voire à l’échelle des fluctuations macroscopiques de la charge offerte à des cellules géographiquement proches. L’accès au niveau paquet qui est l’apanage du protocole MAC ne fait pas partie du plan contrôle et est supposé rester inchangé .

Suivant le type de modulation RoF retenue, soit l’oscillateur à la fréquence intermédiaire (IF) seul, soit cet oscillateur et l’oscillateur à la fréquence radio (RF) peuvent être déportés du site où se trouvent les antennes vers le nIJud où est centralisée l’intelligence du plan contrôle. Selon la modulation adoptée, le niveau de mutualisation des équipements peut varier. Dans les deux cas, la nouvelle architecture RAN retenue conduit à des économies en matière d’investissement matériel (CapEx) comme en matière d’exploitation et maintenance (OpEx), les Node-B ne requérant pratiquement plus d’équipements sensibles sur le terrain.

En résumé, la motivation d’origine de cette thèse part d’un constat simple. La fourniture de services mobiles large-bande ubiquistes est un objectif clé des réseaux cellulaires de nouvelle génération. A l’évidence, les usagers ne sont pas ubiquistes dans la mesure où ils se trouvent à un seul endroit à la fois. Ainsi, plutôt que de dupliquer les ressources radio (les Node-B) dans leur totalité pour couvrir le territoire comme cela est fait dans les réseaux actuels, il nous parait plus judicieux de ne garder que la partie strictement indispensable de ces Node-B sur le terrain, à savoir les antennes et les démodulateurs RoF. Toute la portion  » noble  » du Node-B, à savoir les équipements de traitement du signal radio, les multiplexeurs/démultiplexeurs et les modems nécessaires à la conception du multiplex à la fréquence intermédiaire et à sa transposition dans le domaine radio-fréquence sont déportés à la tête du réseau où ils peuvent être mutualisés.

La federation des stations de base (BS) des réseaux d’accès radio mobile peut se faire par l’intermédiaire de plusieurs technologies . Aux Etats-Unis par exemple et selon une étude réalisée par Yankee Group [110], la féderation des BS par la paire de cuivre (T1/E1) en mode TDM et en utilisant la technologie PDH représente pres de 90% de l’ensemble du panorama des solutions techniques, suivi par les faisceaux hertziens (FH) point à point ou point à multi-point avec 6% et enfin la fibre optique. Cependant, d’autres technologies peuvent etre utilisées pour la féderation des BS incluant des solutions filaires comme les liaisons louées T1/E1 ou la fibre optique, ou des solutions sans-fil comme les faisceaux hertziens, la communication satellitaire, la technologie FSO (transmission par des ondes millimétriques à haute capacité avec des lasers directifs), les technologies WiFi et WiMAX.