Brevet FR2833799A1 — publié le 20030620

La présente invention concerne les techniques relatives aux réseaux de communication cellulaire couvrant les voies de communication terrestres (routières, ferroviaires,...) dans un environnement dégagé ou semi-dégagé. Elle s'applique notamment aux réseaux GSM, GSM-R (acronyme de l'expression anglo-saxonne GSM-Railways ) ou analogues couvrant les voies de chemin de fer. L'opérateur d'un réseau de communication dispose de fréquences allouées par un organisme de réglementation. A un endroit donné du territoire couvert par ce réseau, l'opérateur a la possibilité d'utiliser une même fréquence aussi loin que les lois de la propagation radioélectrique et les particularités du relief le permettent. Le territoire couvert par un réseau de télécommunications est donc divisé en petites portions, appelées cellules. Dans ces cellules, l'opérateur du réseau utilise une partie des fréquences qui lui sont allouées. Chaque cellule est desservie par une et une seule station de base (cependant une station de base peut desservir plusieurs cellules). Les stations de base sont aussi appelées BTS (acronyme issu de l'expression anglo-saxonne Base Transceiver Station ) ou relais radioélectriques. Une station de base est une station émettrice et réceptrice qui gère les transmissions radioélectriques avec une ou plusieurs stations mobiles. Chaque station de base est commandée par un et un seul contrôleur de station de base (appelé aussi BSC, acronyme de l'expression anglo-saxonne Base Station Contrôler ). Un contrôleur de station de base commande plusieurs stations de base. Le contrôleur de station de base organise notamment la supervision, l'allocation et la relâche des canaux radio. Les stations mobiles peuvent être par exemple des stations montées en véhicule, c'est à dire des équipements montés dans un véhicule (une rame de train ou une automobile par exemple) dont l'antenne est à l'extérieur. Les stations mobiles peuvent être aussi des portatifs, c'est à dire des équipements légers portables par une personne, dont l'antenne fait partie du bloc émetteur-récepteur. Cette personne peut être à l'intérieure d'un véhicule se déplaçant sur une voie de communication terrestre. Dans le domaine d'application de l'invention, le territoire couvert (les voies de communications terrestres) s'étend essentiellement longitudinalement sur des distances très longues. L'environnement est dégagé ou semi-dégagé, généralement rural. L'ingénierie radio consiste à définir l'infrastructure physique d'un réseau de communication cellulaire, c'est à dire la constitution et la position des entités physiques du réseau la plus adaptée à l'environnement considéré. Dans les techniques classiques d'ingénierie radio, on cherche à minimiser le nombre de stations de base afin de couvrir ces voies de manière efficace. A cet effet, on positionne judicieusement les stations de base. Il apparaît deux contraintes antagonistes : l'une est de rapprocher les stations de base des voies pour réduire les pertes liées à la propagation en espace libre, l'autre est de les éloigner des voies pour limiter les pertes liées à l'angle d'incidence sur les véhicules. On trouve selon les environnements (forêts, collines, plaines,...) une position optimale à une distance de l'ordre de 1000 mètres des voies. L'invention apporte une solution d'ingénierie radio plus adaptée à la couverture des voies de communications terrestres. La Demanderesse a mis en évidence que chercher à minimiser les pertes n'est pas la meilleure approche. Selon l'invention, une station de base destinée à couvrir un tronçon d'au moins une voie de communication terrestre dans un environnement dégagé ou semi-dégagé, est caractérisée en ce qu'elle comprend au moins deux éléments rayonnants installés le long du tronçon, au moins un élément rayonnant étant déporté du reste de la station. Selon un mode de réalisation avantageux, les éléments rayonnants déportés sont reliés au reste de la station par un répéteur sur fibre optique. Selon un mode de réalisation avantageux, au moins deux éléments rayonnants consécutifs couvrent une même cellule. Selon un mode de réalisation avantageux, tous les éléments rayonnants couvrent une même cellule. Selon un mode de réalisation avantageux, la voie de communication étant une voie de chemin de fer, au moins un élément rayonnant est placé sur le portique d'un support de caténaire. Avantageusement, les éléments rayonnants sont agencés de sorte que les ondes radio pénètrent sensiblement par le dessus des rames L'invention concerne aussi une installation caractérisée en ce qu'elle comprend des stations de base selon l'invention, destinées à couvrir un tronçon, la couverture étant redondante. Selon un mode de réalisation avantageux, les stations de base sont agencées en alternance de chaque côté de la voie. Selon un mode de réalisation avantageux, les éléments rayonnants des stations de base ne sont jamais en face les uns des autres. L'invention présente de nombreux avantages. La couverture d'une station de base n'étant plus limitée par les contraintes de propagation dans l'air, l'invention permet d'en réduire le nombre. Ceci permet de réduire le coût des équipements à installer. En outre, les éléments rayonnants étant placés près des voies, ils sont à faible hauteur (moins de 1 Om) par rapport au sol, ce qui limite leur impact visuel sur l'environnement. En outre, les stations de base sont rapides et simples à installer, car à cette distance des voies il n'est pas nécessaire d'adapter leurs dispositions aux particularités du relief. Ceci permet de simplifier l'ingénierie (fixations standards, éléments rayonnants standards) et de maîtriser le temps de déploiement. Les terrains nécessaires à l'installation des éléments rayonnants appartiennent à un seul propriétaire, généralement l'exploitant des voies de communications terrestres, ce qui rend plus simple l'acquisition ou la location des terrains sur lesquels pour installer les stations de base. L'invention sera maintenant décrite de manière plus détaillée dans le cadre d'un exemple particulier de réalisation pratique. Dans le cours de cette description, on fera référence aux figures des dessins annexés, parmi lesquelles : - la figure 1, représente un exemple d'ingénierie radio de l'art antérieur ; - la figure 2, représente un exemple de station de base selon l'invention ; - la figure 3, un détail de la figure 2, représente un élément rayonnant placé près d'une voie ferrée ; - les figures 4 et 5, représentent un exemple avantageux de mise en oeuvre de l'invention, dans lequel les stations de bases sont placées de part et d'autre des voies ferrées ; - la figure 6, un schéma fonctionnel, représente un exemple d'équipements RF placés dans le local d'une station de base selon l'invention ; - la figure 7, un schéma fonctionnel, représente un exemple d'équipements RF placés au bord de la voie ; - la figure 8, un schéma fonctionnel, représente une variante de réalisation par rapport à la figure 7. On se réfère maintenant à la figure 1. En ingénierie radio, les équipements sont dimensionnés en fonctions des contraintes les plus fortes. On dimensionne donc la station de base pour les stations mobiles avec lesquelles la transmission radio est la plus difficile. Dans cette application, ce sont les portatifs situés à l'intérieur des véhicules. En effet, les portatifs sont des équipements de faible puissance (classes 4 et 5 de la norme GSM par exemple), et, les ondes radio sont atténuées lorsqu'elles traversent le véhicule (voiture ou train par exemple) dans le sens montant (de la station mobile vers la station de base) ou descendant (de la station de base vers la station mobile). Dans les techniques classiques, pour trouver une position judicieuse de la station de base par rapport aux voies de communication terrestre, on cherche la position de la station de base qui permet de couvrir le plus grand tronçon de la voie possible. La somme des pertes doit être inférieure ou égale à un seuil déterminé pour que la station mobile puisse établir une communication. Ces pertes sont : - les pertes de pénétration (lorsque les ondes radio traversent le véhicule) d'une part, - les pertes de propagation, appelées affaiblissement (lorsque les ondes radio se propagent dans l'air) d'autre part. Pour pouvoir établir une communication, la somme de la PIRE (puissance isotrope rayonnée équivalente) de l'émetteur et la sensibilité du récepteur doit compenser les pertes. Le seuil des pertes correspond selon les cas au sens montant ou descendant. Exemple : PIRE (dBm) Sensibilité (dBm) Station de base +53-110 Portatif+33-100 Dans le sens descendant, les pertes sont au plus égales à- 153dBm. Dans le sens montant, elles sont au plus égales à -143dBm. On a donc un seuil de pertes de-143dBm, ce seuil correspondant au sens montant. On peut mesurer les pertes de pénétration. Ces pertes sont minimales pour une incidence normale à la surface du véhicule, et augmentent lorsque l'angle d'incidence A par rapport au véhicule T diminue. Les pertes de pénétration sont maximales pour une incidence rasante. Exemple : Pour un train T, on mesure les pertes de pénétration et on en déduit l'affaiblissement maximum pour un seuil de-143dBm : A (deg) 90 75 60 45 30 20 10 5 0 Pertes de-19-21-24-25-27-30-35-37-42 pénétration (dBm) Affaiblissement-124-122-119-118-116-113-108-106-101 maximum (dBm) Cet affaiblissement maximum correspond à une distance maximale D2. On en déduit la distance D3 entre deux stations de base, qui est égale à longueur du tronçon de voie couvert par une station de base : D3 = 2 x D2 x COS (A) Par exemple, pour un environnement rural semi-dégagé, en utilisant le modèle de HATA, on trouve les distances suivantes en fonction de l'angle A : A (deg) 90 75 60 45 30 20 10 5 0 D2 (km) 3,98 3, 50 2,87 2, 68 2,35 1,94 1, 40 1,23 0,90 D3 (km) 0 1,81 2,87 3,79 4,07 3,65 2, 76 2,45 1,76 La position optimale est celle pour laquelle la distance D3 est maximale, ce qui correspond dans cet exemple à un angle d'incidence de 30 . La distance 01 par rapport aux voies est alors de 1175m. En pratique, à une telle distance des voies il est nécessaire d'utiliser des éléments rayonnants à environ 30m du sol pour diminuer l'effet de masque causé par les particularités du relief (collines, pentes,...) et les obstacles accidentels divers (arbres, maisons, immeubles...). On se réfère maintenant aux figures 2 et 3. L'ingénierie radio selon l'invention repose sur la mise en place d'éléments rayonnants ER le long de la voie V. L'angle d'incidence correspondant à la distance maximale est compris entre 0 et 50. Cette incidence correspond aux valeurs des pertes de pénétration les plus élevées. Une station de base BO selon l'invention comprend au moins deux éléments rayonnant ER. Ces éléments rayonnants sont répartis le long d'un tronçon de la voie à couvrir. Au moins un élément rayonnant est déporté du reste ST de la station de base. Par exemple, la station de base BO comprend 4 éléments rayonnants ER, ces 4 éléments rayonnants étant déportés du reste ST de la station. Le reste ST de la station peut être placé dans un abri à proximité de la voie V. Comme illustré sur la figure 3, le diagramme d'émission réception d'un élément rayonnant ER comprend avantageusement deux lobes ayant sensiblement la même direction que la voie et des sens U1, U2 opposés. Ceci peut être réalisé avec deux antennes directionnelles positionnées dos à dos. En prenant le tableau de l'exemple précédent, un élément rayonnant ER couvre entre 900 et 1200 mètres dans chaque sens U 1, U2. En d'autres termes, l'élément rayonnant ER a une couverture comprise entre 1,8 et 2,4km sur la voie. Avantageusement, la station de base BO comprend des éléments rayonnants ER semblables, couvrant une même longueur D5 de voie. Ces éléments rayonnants peuvent être régulièrement répartis, espacés d'une même distance D4. Cet espacement D4 peut être inférieur ou égal à D5 pour éviter des trous de couverture. Une station de base BO selon l'invention couvre donc sur la voie une zone de longueur D6, cette longueur étant donnée par la relation suivante lorsque les éléments rayonnants sont semblables et régulièrement espacés : où N est le nombre d'éléments rayonnants de la station BO. Une station de base BO comprend : - des moyens de gestion de la communication - des moyens pour transmettre des informations sur l'interface radio (appelée Um dans la norme GSM). Les moyens de gestion de la communication peuvent être placés dans l'abri. Ils comprennent des ressources logicielles et matérielles. Ces ressources permettent par exemple de : - contrôler la puissance d'émission de la station mobile (et le cas échéant de la station de base) en fonction des pertes, pour limiter les interférences entre les stations mobiles voisines ; - mesurer la qualité de la transmission sur la voie montante (de la station mobile vers la station de base) ; - déterminer le temps de retard nécessaire pour synchroniser entre elles les stations mobiles émettant sur une même trame (appelé Timing advance dans la littérature anglo-saxonne) ; - apporter régulièrement au contrôleur de station de base des informations sur les canaux inoccupés (niveau d'interférence,...) - détecter l'arrivée dans une cellule desservie l'une station mobile venant d'effectuer un transfert intercellulaire (appelé Handhover dans la littérature anglo-saxonne). Les moyens pour transmettre des informations sur l'interface radio comprennent : - des moyens de codage/décodage, qui sont numériques pour le GSM, - des moyens d'émission/réception, appelés encore TRX, - des éléments rayonnants. Pour transmettre des informations (voix, données) dans le sens descendant, les moyens de codage/décodage codent un signal, les moyens d'émission/réception modulent ce signal pour former un signal électromagnétique, et les éléments rayonnants font rayonner ce signal. Dans le sens montant, la station de base réalise les opérations inverses : réception du rayonnement électromagnétique par les éléments rayonnants, démodulation du signal par les moyens d'émission/réception, décodage par les moyens de codage/décodage. L'interface radio du GSM utilise l'Accès Multiple à Répartition dans le Temps (AMRT). Plusieurs intervalles de temps sont multiplexés sur une porteuse radio. Chaque intervalle de temps d'une porteuse radio constitue un canal logique. Ces canaux peuvent être utilisés pour transmettre de la voix ou des données (canaux de trafic), ou des informations de signalisation (canaux de signalisation). Le multiplexage sur une porteuse est assuré par les TRX. Le codage des informations numériques selon le protocole de communication utilisé est assuré par les moyens de codage/décodage. Selon un premier mode de réalisation, des TRX sont déportés du reste de la station ST sont placés à proximité des éléments rayonnants ER. Un ou plusieurs TRX peut être associé à chaque élément rayonnant ER. Les données numériques échangées entre les moyens de codage/décodage et les TRX peuvent être acheminées sur une fibre optique par exemple. Selon un mode de réalisation avantageux, les TRX sont placés avec le reste de la station ST. Les signaux électromagnétiques échangés entre les TRX et les éléments rayonnants peuvent être acheminés par un répéteur sur fibre optique. Un répéteur sur fibre optique est un élément qui comprend deux transcodeurs optique-radio permettant de convertir le signal électromagnétique en signal optique et réciproquement, le signal optique étant alors acheminé la fibre optique. Avantageusement, plusieurs éléments rayonnants consécutifs couvrent une même cellule. Ceci permet de limiter le nombre de transferts intercellulaires car les cellules ainsi formées sont plus grandes. Avantageusement, tous les éléments rayonnants couvrent une même cellule. On forme ainsi des cellules très grandes. La taille de ces cellules n'est plus limitées par les contraintes de propagations, mais par le retard maximum lié à la propagation du signal ( timing advance ). Exemple : On utilise 16 répéteurs optiques, les TRX restant dans l'abri où est le reste ST de la station de base. Chaque répéteur optique est relié à un élément rayonnant ER déporté. Les éléments rayonnants couvrent chacun D5 = 2km. Ils sont régulièrement espacés d'une distance D4 = 2km. Le reste ST de la station est au milieu des éléments rayonnants ER, ce qui fait que le plus long répéteur optique achemine un signal sur 15km. Cette distance de 15km correspond à une limite pratique du retard lié à la propagation ( timing advance ). La limite théorique pour le GSM est de l'ordre de 20km. On génère ainsi des cellules de 32km de long, les stations de bases étant séparées de 30km. On a donc un recouvrement de 1km pour réaliser un transfert intercellulaire. Avantageusement, les éléments rayonnants sont placés sur des supports préexistant. Si la voie de communication est une voie de chemin de fer, un ou plusieurs éléments rayonnants peuvent être placés sur le portique d'un support de caténaire, ou sur des pylônets de signalisation ferroviaire. En effet, les éléments rayonnants étant proches des voies, il n'est pas nécessaire de les placer plus haut. Avantageusement, les éléments rayonnants sont agencés de sorte que les ondes radio pénètrent sensiblement par le dessus des rames. La Demanderesse a mis en évidence lors d'expérimentation que les vitres des rames atténuent plus fortement les ondes radio que la partie supérieure de la structure des rames. Ainsi, avec cette position avantageuse des éléments rayonnants, on diminue les pertes de pénétration. Il est à noter qu'une ingénierie classique ne permet pas de positionner les éléments rayonnants ainsi car il faudrait des pylônes de 1 km de hauteur. On se réfère maintenant aux figures 4 et 5. L'invention permet de couvrir une ou plusieurs voies de communication terrestre parallèles, par exemple deux voies de communication V1, V2. Ces voies V1, V2 peuvent être des voies ferrées sur lesquelles les trains circulent en sens opposé. Pour couvrir ces voies, on dispose plusieurs stations de base selon l'invention à la suite. On peut par exemple les disposer le long de l'une des deux voies, par exemple V2. Les zones couvertes par deux stations de bases consécutives se recoupent pour permettre de réaliser un transfert intercellulaire. Par exemple, une première station de base B2 selon l'invention comprend des éléments rayonnants E4, E6, E8, E10, E12, E14,.... Ces éléments rayonnants sont séparés d'une distance D4. Chaque élément rayonnant couvre un tronçon de voie de longueur D4. Une seconde station de base BO selon l'invention, placée du même côté de la voie, précède cette première station de base B2. Le dernier élément rayonnant E2 de la seconde station de base BO précède le premier élément rayonnant E4 de la première station de base B2. Ces deux éléments rayonnants sont séparés d'une distance D7. Avantageusement, la distance D7 est inférieure à la longueur D4 couverte par un élément rayonnant. Ceci permet de réaliser un transfert intercellulaire entre les cellules desservies par la première et la seconde station de base. En effet, ces deux cellules se recoupent sur une distance D4 - D7. Par exemple, si la distance D4 est 2km, la distance D7 peut être égale à 1 km. On peut réaliser le transfert intercellulaire sur 2km-1 km soit 1 km. La distance minimale nécessaire pour réaliser un transfert intercellulaire dépend de la vitesse de circulation des trains. Si cette distance est supérieure à la longueur D4 couverte par un élément rayonnant, on peut utiliser plusieurs éléments rayonnants pour réaliser le transfert intercellulaire. Avantageusement, on réalise une couverture redondante, par exemple en doublant le nombre de stations de base. Des premières stations de base, par exemple B 1, B3, peuvent être placées d'un côté des voies V1, v2. Ces premières stations de base permettent de couvrir les voies V1, V2. Des secondes stations de base, par exemple BO, B2, peuvent être placées de l'autre côté. Ces secondes stations de base permettent, indépendamment des premières stations de base, de couvrir les mêmes voies V1, V2. Ainsi, en cas de déraillement d'un train, si les stations de base d'un côté de la voie sont détruites ou endommagées, les stations de base de l'autre côté peuvent assurer la couverture. Avantageusement, les stations de base de chaque côté sont disposées de sorte que la distance D9 séparant deux stations de base B1, B2 de chaque côté soit sensiblement égale à la moitié de la distance D8 séparant deux stations de base B1, B3 d'un même côté. En d'autres termes, les stations de base sont disposées en alternance de chaque côté des voies V1, V2. Ainsi, dans les situations extrêmes (vitesse de circulation très élevée), il est possible de réaliser un transfert intercellulaire HV entre une cellule desservie par une station de base B 1 d'un côté, et une autre cellule desservie par une station de base B2 de l'autre côté. Le temps disponible pour réaliser le transfert intercellulaire est ainsi maximum. En outre, les abris des stations de base sont éloignés au maximum, ce qui permet de limiter les risques d'endommager deux stations de bases à la fois en cas d'accident. Avantageusement, les éléments rayonnants des stations de base ne sont jamais en face les uns des autres. Aucun des éléments rayonnants E2, E4, E6,..., E14 placés d'un côté n'est en face d'un des éléments rayonnants E1, E3, E5,..., 13 placés de l'autre côté. Ceci permet d'éviter de détériorer deux éléments rayonnants si un incident ou un accident localisé intervient (foudre, avalanche). On se réfère maintenant à la figure 6. Un abri d'une station de base comprend par exemple : - des émetteurs-récepteurs TX, - un module DV, qui permet de diviser le signal électromagnétique généré par les émetteurs-récepteurs TX, - des transcodeurs optique-radio TC, reliés aux sorties du module DV, - le début des fibres optiques FO sur lesquelles sont acheminés les signaux hyperfréquence entre les éléments rayonnants et les émetteurs-récepteurs. On se réfère maintenant à la figure 7. Au niveau d'un élément rayonnant ER, on trouve la fin d'une des fibres optiques FO. Cette fibre optique est reliée à un transcodeur optique-radio TC. Ce transcodeur peut être relié à un duplexeur DX pour acheminer le signal vers l'élément rayonnant ER, et le cas échéant à un amplificateur (non représenté). On se réfère maintenant à la figure 8 sur laquelle est illustrée une variante de réalisation. Tous les éléments rayonnant d'une même station de base peuvent être relié à une même ligne de transmission BC (fibres optiques par exemple) par l'intermédiaire d'un noeud HB. Ce noeud HB peut être un noeud concentrateur (connu sous le nom de hub dans la littérature anglo-saxonne) possédant une adresse IP (acronyme issu de l'expression anglo-saxonne Internet Protocol ). Les autres éléments rayonnants peuvent avoir une constitution similaire. Ceci permet d'adresser les signaux provenant des émetteurs-récepteurs à des groupes d'éléments rayonnants particulier. On peut ainsi générer plusieurs cellules avec une station de base, la taille de ces cellules étant modifiable en fonction du trafic. Quoi qu'il en soit, pour être particulièrement avantageux, les modes de réalisation particuliers décrits n'en sont pas moins non limitatif, et diverses variantes, concernant notamment les détails qui ont été indiqués en exemples, resteront dans le cadre de l'invention objet du brevet. REVENDICATIONS 1. Station de base (BO) destinée à couvrir un tronçon d'au moins une voie de communication terrestre (V1) dans un environnement dégagé ou semidégagé, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins deux éléments rayonnants (ER) installés le long du tronçon, au moins un élément rayonnant étant déporté du reste (ST) de la station. 2. Station de base selon la revendication 1, caractérisée en ce que les éléments rayonnants déportés sont reliés au reste de la station par un répéteur sur fibre optique. 3. Station de base selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'au moins deux éléments rayonnants consécutifs couvrent une même cellule. 4. Station de base selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que tous les éléments rayonnants couvrent une même cellule. 5. Station de base selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la voie de communication étant une voie de chemin de fer, au moins un élément rayonnant est placé sur le portique d'un support de caténaire. 6. Station de base selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la voie de communication étant une voie de chemin de fer, les éléments rayonnants sont agencés de sorte que les ondes radio pénètrent sensiblement par le dessus des rames. 7. Installation caractérisée en ce qu'elle comprend des stations de base (BO, B1, B2, B3) selon l'une quelconque des revendications précédentes, destinées à couvrir un tronçon, la couverture étant redondante. 8. Installation selon la revendication 7, caractérisée en ce que les stations de base sont agencées en alternance de chaque côté de la voie. 9. Installation selon la revendication 7 ou 8, caractérisée en ce que les éléments rayonnants des stations de base ne sont jamais en face les uns (E1, E3, E5,.., E13) des autres (E2, E4,..., E14).