Brevet FR2820568A1 — publié le 20020809

La présente invention concerne un dispositif de radio transmission bidirectionnel dans un tunnel qui utilise des sections de câble rayonnant raccordés à des stations de base radio. Ce dispositif est particulièrement adapté aux systèmes de radio transmission numériques en permettant de réduire le nombre de stations de base et/ou en diminuant le nombre de changements de cellules (roaming). Un agencement du dispositif permet de sécuriser le procédé par répartition des stations de base en des endroits distincts (ex : aux deux extrémités d'un tunnel). CONTEXTE ET PRESENTATION GENERALE Les radio transmissions en milieu souterrain (Fig. 1 et 2) Les radio transmissions en milieu souterrain permettent à des mobiles (stations radio mobiles ou portatives) de communiquer entre eux et/ou de communiquer avec des postes centraux ou des réseaux extérieurs. Les conditions de propagation des ondes radio dans ce milieu sont très spécifiques et il convient de disposer de plusieurs systèmes antennaires pour assurer la couverture totale. Le système antennaire comprend donc soit plusieurs antennes judicieusement réparties, soit des sections de câble rayonnant ; par la suite, il ne sera fait mention que de sections de câbles rayonnant, le procédé s'applique de manière identique avec des antennes ponctuelles. La portée d'une section de câble rayonnant est limitée de par les pertes et atténuations de transmission dans le câble et dans le couplage entre ce câble et les antennes des stations mobiles ; typiquement, une section de câble assure une couverture sur une longueur d'un kilomètre ; en général, chaque section de câble est raccordée en son milieu au reste du réseau. Afin d'assurer les deux sens de transmission, il est possible soit d'utiliser (Fig. 1) des sections de câble (1) séparées pour l'émission (5) et la réception (6) (ou des antennes séparées) 'soit d'utiliser (Fig. 2) des sections de câble communes (2) avec des coupleurs (3) (type duplexer ou hybride) à chaque point de raccordement. (Emission (5), Réception (6)) Plusieurs méthodes permettent de constituer un réseau à partir des différentes sections de câble. Méthodes utilisant des répéteurs (Fig. 3) Un seul émetteur-récepteur (5-6) est utilisé en extrémité d'installation, dans la station de base (7) ; il est raccordé aux sections de câbles selon une architecture'linéaire'faisant intervenir des conduits parallèles au câble rayonnant et des équipements identiques comportant : 'dans le sens infrastructure vers mobile (l) : des distributeurs (3) permettent d'acheminer une partie du signal transmis par l'émetteur vers une section de câble 'dans le sens mobile vers infrastructure (2) : des répéteurs (4) assurant la sommation des signaux reçus sur une section de câble avec le reste des signaux reçus sur les sections situées en amont Ces deux types de dispositif intègrent des amplificateurs compensant les pertes d'affaiblissement dans les conduits. Les conduits peuvent être soit électriques soit optiques, dans ce dernier cas, les fibres optiques sont utilisées dans la zone linéaire, avec des transducteurs électriques/optiques et optiques/électriques. Cette méthode est utilisable dans des cas plus complexes où plusieurs bandes radio sont multiplexes sur le câble ; le principe reste identique mais les répéteurs utilisent soit des dispositifs large bande, soit des dispositifs à bande étroite placés en parallèle ; le conduit peut ou non être multiplex. Cette architecture présente une limitation essentielle dans le sens mobiles vers infrastructure : les bruits reçus, dans la bande utile de transmission s'ajoutent à chaque répéteur et le rapport signal sur bruit à l'entrée du récepteur se dégrade au fur et à mesure que le nombre de sections de câble augmente. Méthodes utilisant plusieurs récepteurs (Fig. 4 et 5) Plusieurs récepteurs (1) Fig. 4 et 5, sont utilisés, chacun d'entre eux étant relié à une section de câble (3). De cette manière le rapport signal sur bruit à l'entrée de chaque récepteur (1) n'est pas dégradé et c'est le système de gestion de la voie radio qui assure la continuité de la transmission lorsqu'un mobile se déplace dans le tunnel. Les récepteurs (l) sont physiquement localisés, dans les stations de base (5) soit prés de la section de câble (3) qu'ils contrôlent (Fig 5), soit regroupés en extrémité de tunnel (Fig. 4) ; dans le premier cas, le réseau de conduits (4) en étoile véhicule les signaux démodulés, dans le second les signaux de la bande radio. Dans tous les cas, ces conduits (4) sont électriques ou optiques, multiplexés ou dédiés. Les récepteurs (1) travaillent chacun sur une porteuse radio distincte et les mobiles se déplaçant dans le tunnel doivent changer de cellule à chaque changement de section de câble (roaming) (8). Dans le sens infrastructure vers mobile, on utilise soit un seul émetteur (2) attaquant l'ensemble des sections de câbles (3) avec des équipements identiques à ceux décrit au paragraphe précédent, soit un émetteur (2) par section de câble avec une architecture réciproque de celle utilisée pour le sens mobile vers infrastructure. En général, les porteuses radio émission et réception étant couplées (écart duplex constant), il faut utiliser autant d'émetteurs (2) que de récepteurs (1). Méthode mixte (Fig. 6) L'inconvénient majeur de la méthode à plusieurs récepteurs réside dans le nombre élevé de roaming nécessaire à réaliser lorsqu'un mobile se déplace. Afin de minimiser ce nombre, il est possible de mélanger les deux méthodes précédemment décrites en associant, pour chaque récepteur (1), le nombre maximal de sections de câble compatible avec une dégradation acceptable du rapport signal sur bruit. Ainsi dans le cas de la figure 6, un seul point de roaming (6) existe. Les autres sections de câbles (3) étant reliées respectivement à une même station de base (4), les points de ruptures physiques (5) entre ces sections de câbles ne sont plus des points de roaming. On retrouve comme précédemment les émetteurs (2) et les stations de base (4) déjà décrites. EXPOSE DE L'INVENTION L'invention repose sur l'utilisation de la technique de diversité de réception dans les stations de base ; cette méthode a pour but d'utiliser plusieurs antennes sur un même site radio pour améliorer la portée de ce site dans le sens mobile vers infrastructure ; elle fonctionne de la manière suivante (Fig. 7) : la station de base (1) possède plusieurs récepteurs (2) montés en parallèle et elle sélectionne le meilleur signal issu de ces récepteurs. 'pour des systèmes radio analogiques, le critère de sélection du meilleur signal est soit le niveau du signal radio reçu par chacun des récepteurs, soit le meilleur rapport signal sur bruit. 'pour un système radio numérique, le critère de sélection du meilleur signal est le minimum de taux d'erreur, les taux d'erreur étant évalués sur des bit consécutifs ou sur l'ensemble d'un paquet. Le gain procuré par la technique de diversité tient au fait principal que les phénomènes d'atténuation affectant les signaux reçus par les différentes antennes ne sont pas corrélés si ces antennes sont suffisamment distantes les unes des autres par rapport à la longueur d'onde du signal utile. Un gain complémentaire est obtenu par l'utilisation d'antennes directives à gain sectorisant l'espace total couvert par un site radio. En utilisant une entrée diversité (6) par section de câble rayonnant (3), une station de base (1) peut prendre en charge plusieurs sections de câble (3) entre lesquelles il n'y a pas de roaming, c'est à dire en restant sur une même infrastructure. De plus, à capacité égale, on utilise ainsi moins de stations de base (à plusieurs voies diversité) plutôt qu'un plus grand nombre de stations de base à entrée unique. Par ailleurs, le système reste compatible avec la technique de regroupement de plusieurs sections de câble jusqu'à dégradation acceptable du rapport signal sur bruit. On retrouve les autres éléments constitutifs d'un tel réseau radio électrique : Emetteur (4), Conduits électriques ou optiques (5) et coupleurs (7) Les coupleurs (7) représentés sont décrits par les Fig. 8 et 9. Ils peuvent être soit à liens électriques (Fig. 8) soit à liens optiques (Fig. 9) ce sont des ensembles regroupant : un sommateur (l) dans le sens réception (2), 'un diffuseur (3) dans le sens émission (4), un circuit duplexeur ou hybride (5) en mélange dans le cas où le câble est commun pour l'émission et la réception, les transducteurs électrique/optique (6) dans le cas de conduits par fibre, les amplificateurs (8) compensant l'atténuation des conduits des accessoires tels que filtres, alimentation... Dans les fig. 8 et 9, les parties électriques sont hachurées en biais, les parties optiques sont remplies en pointillés. Sécurisation par redondance (Fig. 10 et 11) La sécurité des transmissions en milieu souterrain fait appel à la redondance des circuits essentiels. L'invention peut être adaptée à cette exigence avec doublement des stations de base. Dans le cas d'un tunnel, les stations de base redondantes peuvent être placées à l'autre extrémité afin d'améliorer la sécurité d'ensemble. La mise en place de cette redondance fait appel à des coupleurs (6) Fig. 10, associant, de manière symétrique, deux coupleurs conformes à ceux précédemment décrit. Le sens émission (mobile vers infrastructure) étant positionné dans la partie haute du schéma (4) et le sens réception (Infrastructure vers mobile étant représenté dans la partie basse (2) du schéma. On retrouve les composants déjà décrits : sommateurs (1), diffuseurs (3), circuits duplexeurs ou hybrides (5). Le procédé préconisé, appliqué avec redondance devient conforme au schéma de la figure 11 qui montre un exemple de disposition pour 9 sections de câble rayonnant (3). Seule l'une des deux stations de base (1) émet simultanément sur la même porteuse (en revanche, elles reçoivent simultanément)-le basculement ainsi que l'aiguillage des signaux issus des stations de base (1) est utilement assuré par un lien (8) reliant les deux stations de base distantes (1). La sécurisation d'ensemble est également assurée en cas de destruction totale des équipements en tunnel à un endroit déterminé (coupure du câble rayonnant (3) et coupure des liens (5) électriques ou optiques reliant les coupleurs) ; dans ce cas, les stations de base distantes (1) sont activées simultanément : les stations de base représentées à droite de la figure assurent la couverture radioélectrique de toutes les sections situées à droite par rapport à la coupure tandis que les stations représentées à gauche assurent celle pour les sections situées à gauche de cette coupure. On retrouve tous les autres éléments déjà décrits précédemment : Emetteurs (4), récepteurs (2), coupleurs (7), entrées diversité des stations de base (6). Utilisation de plusieurs porteuses radio (Fig. 12) Dans les précédents paragraphes, le fonctionnement est décrit avec une seule porteuse radio (une porteuse pouvant véhiculer plusieurs canaux de communication, exemple 4 canaux avec le système TETRA). L'invention décrite est également applicable dans le cas de l'utilisation de plusieurs porteuses radio multiplexées sur le câble rayonnant (3) et sur les liens reliant les coupleurs. La mise en oeuvre fait intervenir le couplage de plusieurs stations de base (1) avec un sommateur (6) pour la partie émission (4) et des préamplificateurs distributeurs (7) pour la partie réception (2). Sécurisation avec plusieurs porteuses radio (Fig. 13 et 14) La sécurisation par redondance des stations de base est obtenue en disposant de stations de base identiques distantes, utilisant les mêmes porteuses radio avec une seule station de base active à la fois pour chacune des porteuses. La même disposition matérielle (Fig. 13) peut être utilisée en faisant travailler les stations de base situées à une extrémité (1) et (2) sur des porteuses radio distinctes de celles utilisées par les stations de base situées à l'autre extrémité (3) et (4). Ce mode de fonctionnement est particulièrement intéressant si les porteuses radio sont banalisées au sein d'un système complet (système radio à canaux banalisés tels que TETRA). Les avantages de la méthode sont alors les suivants : - par rapport au système à redondance sur les mêmes porteuses, l'ensemble présente une capacité double d'acheminement de trafic à nombre égal de stations de base, - la sécurisation en cas de destruction des équipements sur une section de tunnel reste entière puisque, dans ce cas, les mobiles situés en amont de la coupure travaillent sur l'ensemble des porteuses correspondant aux stations de base situées du même coté par rapport à la coupure tandis que les mobiles situées de l'autre coté travaillent sur les porteuses correspondant aux autres stations de base. - à nombre total de porteuses égal, chaque lien (5) et (6) reliant les différentes sections du tunnel véhicule deux fois moins de porteuses que dans le cas où toutes les stations de base sont situées au même endroit-ce qui est favorable compte tenu des problèmes de linéarité (intermodulation et intramodulation). - Les liens (5) supportent les porteuses correspondant aux stations de base situées à gauche (1) et (2). - Les liens (6) supportent les porteuses correspondant aux stations de base situées à droite (3) et (4). Les figures 13 et 14 représentent deux systèmes de capacité totale équivalente (capacité de trafic), avec le même nombre de stations de base ; celui représenté sur la figure 14 n'est pas sécurisé contrairement à celui représenté sur la figure 13. On constate aisément que les liens (5) de la figure 14 supportent toutes les porteuses utilisées issues de chaque stations de base (1), (2), (3) et (4). REVENDICATIONS 1-Procédé de couplage d'une station de base ou d'un ensemble de stations de base radioélectriques et d'un système de rayonnement des ondes radioélectriques constitué par plusieurs sections de câble rayonnant ou plusieurs antennes ponctuelles permettant d'assurer la couverture radioélectrique d'un milieu souterrain caractérisé en ce que les stations de base disposent d'un système de diversité avec plusieurs accès d'entrée et que chacun de ces accès est relié à l'une des sections du câble ou à un ensemble de ces sections ou à l'une des antennes du système de rayonnement. 2-Procédé selon la revendication 1 utilisant des liens électriques ou optiques entre les différentes sections de câble rayonnant ou antennes ponctuelles permettant de déporter les stations de base par rapport aux différentes sections de câble ou aux différentes antennes caractérisé en ce que chacune des entrées réception diversifiée de ces stations de base reçoit le signal radioélectrique recueilli par l'une des sections du câble ou à un ensemble de ces sections ou à l'une des antennes du système de rayonnement. 3-Procédé selon les revendications 1 et 2 permettant l'utilisation de stations de base redondantes et distantes caractérisé en ce que les entrées réception diversifiées homologues des stations de base reçoivent des signaux identiques recueillis par les mêmes sections de câble rayonnant ou les mêmes ensembles de ces sections ou les mêmes antennes ponctuelles. 4-Procédé selon les revendications 1 et 2 permettant de coupler plusieurs stations de base travaillant sur des porteuses distinctes regroupées en un endroit et un système de rayonnement en milieu souterrain caractérisé en ce que les entrées diversité homologues de chacune des stations de base reçoivent des signaux identiques recueillis par les mêmes sections de câble rayonnant ou les mêmes ensemble de ces sections ou les mêmes antennes ponctuelles. 5-Procédé selon les revendications 1 et 2 permettant de coupler plusieurs stations de base radioélectriques travaillant sur des e porteuses distinctes et réparties à deux endroits distincts en offrant une sécurisation du réseau caractérisé en ce que les entrées homologues de chacune des stations de base situées en un même endroit reçoivent des signaux identiques recueillis par les mêmes sections de câble rayonnant ou les mêmes ensemble de ces sections ou les mêmes antennes ponctuelles.