Brevet FR2947690A1 — publié le 20110107

La présente innovation concerne un procédé qui permet d'envoyer à des terminaux sans fil qui fonctionnement dans les bandes VHF et UHF en l'absence d'émetteurs de télévision, leurs droits d'utilisation en fonction de leur positionnement géographique. Ce système fonctionne en mode diffusion et peut également être utilisé pour informer les stations de base du réseau. Les fréquences inutilisées dans certaines zones géographiques sont appelées � white space �. Les bandes VHF et UHF couvrent respectivement les fréquences de 174 à 223 MHz et de 470 à 860 MHz. La croissance des télécommunications sans fil nécessite d'exploiter au mieux toutes les ressources spectrales disponibles et de tirer bénéfice des innovations technologiques afin de maximiser le débit utile. Le développement récent du haut débit mobile montre le besoin croissant en ressources spectrales et même si les innovations technologiques vont permettre l'augmentation du débit sur la voie radio, il est intéressant de mettre en oeuvre d'autres concepts qui permettent une utilisation optimale du spectre avec des développements techniques limités. Aujourd'hui, les réseaux de téléphonie mobile sont basés sur des allocations exclusives de fréquences (systèmes avec licences). Ces systèmes visent une couverture géographique extensive ainsi qu'une qualité de service maximale et sont proposés aux utilisateurs sur la base d'abonnements ou de formules pré-payées. Le concept de � white space � (WSD = White Space Device) permet de ré-utiliser les bandes de fréquences allouées aux émetteurs de radio et de télévision dans les zones non couvertes par ces émetteurs. Il est illustré par la figure 1 où les émetteurs de télévision (1) et (2) desservent des zones géographiques respectives (3) et (4). Il est prévu que ce concept soit utilisé pour des dispositifs sans licence ce qui implique que les terminaux et les stations de base ne feront l'objet d'aucune autorisation spécifique mais d'une autorisation générale. La zone (5) correspond à une partie du territoire non couverte par les émetteurs de télévision et dans laquelle est installée une station de base (6) qui communique avec des terminaux WSD (7). Le canal de l'émetteur TV (2) peut, par exemple, être réutilisé par la station de base (6). Les bandes VHF et UHF actuellement utilisées pour la télévision analogique et numérique possèdent des caractéristiques de propagation très intéressantes car elles sont situées en dessous de 1 GHz. Elles assurent une bonne couverture à l'intérieur des bâtiments et peuvent atteindre une portée de 80 km avec des émetteurs puissants. Le principe décrit ici pourrait également s'appliquer à des bandes de fréquences moins larges comme celles utilisées par exemple par les réseaux radio privés destinés aux professionnels. Il est nécessaire de prévoir des procédés qui garantissent que les équipements WSD ne perturbent pas les utilisateurs actuels des bandes de fréquences UHF et VHF que sont les diffuseurs radio et télévision (autorisés dans le cadre de licences) ainsi que les autres utilisateurs autorisés comme les microphones sans fil par exemple (systèmes sans licences). Il est donc essentiel d'être en mesure de déterminer avec précision la disponibilité des canaux inutilisés dans une zone géographique donnée. Les techniques dans lesquelles le terminal WSD utilise une technique de type écoute avant émission ("listen before talk") ou détection et évitement ("detect and 40 avoid") ne permettent pas d'éviter tous les cas d'interférence en particulier dans le cas d'émissions transitoires ou dans le cas du � terminal caché � (terminal qui ne reçoit pas une émission autorisée à cause d'un obstacle physique tel qu'un immeuble ou une colline). Les techniques de détection de spectre à partir du terminal permettent d'éviter de brouiller les utilisateurs actuels dans la plupart des cas mais présentent une faille par rapport aux émetteurs intermittents comme les microphones sans fil. 45 La solution la plus sure consiste à coupler cette solution à l'utilisation d'une base de données centralisée et d'une géo-localisation précise dans le terminal. Parmi les procédés de ce type, il a été envisagé par la FCC aux Etats-Unis de demander aux diffuseurs de télévision d'intégrer un signal spécifique à destination des terminaux WSD. Il n'est pas certain que les principaux opposants aux WSD mettent de la bonne volonté à intégrer ces dispositifs d'émission dans leurs émetteurs TV. 50 Cet état de fait impose donc aux fabricants de terminaux WSD de trouver des dispositifs surs qui permettent d'éviter les interférences avec les utilisateurs actuels. Le dispositif selon l'invention évite d'avoir à déterminer à partir du terminal quels sont les canaux utilisables ce qui représente une source d'erreurs et donc d'interférences. 55 A cet effet, ce procédé a pour objectif de fournir des informations sur le droit ou non d'utiliser un équipement WSD à un endroit et à un moment donné. Ce droit est déterminé par l'agence de gestion du spectre de chaque pays qui peut gérer directement la base de données associée ou la déléguer à un gestionnaire du spectre par exemple. Les droits sont déterminés pour chaque zone géographique et peuvent être ajustés en quasi-temps réel. 60 Un canal balise est mis en place afin d'indiquer les canaux (UHF et autres bandes) à utiliser en fonction de la localisation géographique du terminal. Ceci permet dans une large mesure de réduire le problème du terminal caché et d'affecter rapidement de la ressource spectrale sans risque d'interférence à un utilisateur en fonction de sa localisation géographique. Le système peut également être utilisé pour informer les stations de base qui peuvent alors 65 ajuster automatiquement leurs zones de couverture avec des sites d'émission multi-sectoriels et des systèmes d'antennes paramétrables. Plusieurs options peuvent être retenues pour la bande de fréquence utilisée pour le canal balise : la plus simple est sans doute celle d'un canal satellite dans la bande L. Cette bande est en effet inutilisée en Europe à l'heure actuelle, ouverte à tous types de services et présente des caractéristiques 70 intéressantes du fait de sa proximité avec la bande UHF (bande L = 1.5 GHz) et des faibles pertes par rapport aux bandes de fréquences plus élevées (bande Ka et Ku notamment). Il serait également envisageable d'utiliser un canal de télévision numérique par satellite, une sous-porteuse dans le canal de télévision numérique, une sous-porteuse dans le canal de radio numérique ou un canal d'un réseau satellite LEO. 75 Le canal balise et la base de données ont pour vocation d'être exploités et/ou supervisés par l'agence du spectre du pays concerné ou par un sous-traitant qui aurait la responsabilité de la mise en place de la base de données et de la mise à jour des données sur les zones autorisées pour l'émission/réception des WSD. Le service offert a vocation à être exploité par un opérateur qui met en place un réseau de 80 stations de base reliées à l'Internet et qui offre un service sur la base d'un abonnement. Les dessins annexés illustrent l'invention : La figure 1 présente le principe des � white spaces � ou fréquences utilisables dans les bandes VHF et UHF 85 La figure 2 illustre le principe de découpage en zones géographiques pour l'envoi du signal d'information à destination des terminaux La figure 3 présente le schéma de principe d'un terminal WSD (White Space Device) La figure 4 présente la trame envoyée sur le canal d'information (DVB-GSE) La figure 5 présente la trame d'information pour le canal balise 90 En référence à ces dessins, la figure 1 présente le principe des white spaces ou fréquences inoccupées par les émetteurs de télévision dans les bandes VHF et UHF. Les émetteurs de télévision (1) et (2) couvre des zones géographiques marquées respectivement (3) et (4). L'émetteur (2) utilise une fréquence qui n'est pas reçue dans la zone (5) où un terminal (7) peut communiquer avec la station de base (6) pour fournir par exemple un service d'accès à Internet dans la zone (5). 95 Sur la figure 2, le canal balise est transmis par le satellite (10) sur une fréquence dédiée ou un canal de télévision et couvre l'ensemble des zones géographiques d'un pays (15) avec un seul émetteur. Sur la figure 2 sont représentées des zones autorisées (11) et interdites (12). Le terminal (13), situé dans une zone autorisée peut alors communiquer avec la station de base (14). Celle-ci est reliée aux réseaux fixes de télécommunications et permet en particulier l'accès à Internet et aux réseaux de 100 téléphonie. Les informations diffusées par le canal balise sont fournies par la base de données (16) à travers une liaison montante vers le satellite. Il est également possible de prévoir une mise à jour des autorisations du terminal par un accès à Internet. Dans ce cas, on perd la souplesse de la mise à jour périodique et automatique par le canal satellite et on impose la contrainte d'accéder à un accès fixe à Internet. Cependant, cette fonction peut 105 être à considérer pour les lieux de vente des terminaux WSD ce qui permet de paramétrer le terminal pour une démonstration et une première utilisation. La dimension des zones géographiques sera fonction des interdictions et de l'occupation des sols : typiquement de grandes zones là où les émissions sont interdites aux terminaux WSD et de petites zones en environnement urbain. De cette façon, il est possible d'optimiser la quantité 110 d'informations à transmettre sur le canal balise et de cette façon de raccourcir le délai me mise à jour des informations d'autorisation. Le terminal WSD représenté dans la figure 3 comprend un récepteur GPS (20) qui est intégré au terminal WSD de façon à disposer d'informations de localisation précises. Le terminal WSD déchiffre les informations reçues (24) sur le canal balise (21) et stocke dans sa mémoire (25) l'information reçue 115 du canal balise qui correspond à sa zone géographique du moment ainsi qu'à toutes les zones géographiques adjacentes. Le terminal WSD n'émet que lorsqu'il a reçu du canal balise l'autorisation d'émettre (25) qui correspond à se localisation géographique du moment relevée par le GPS. Dès que le terminal WSD bouge de sa position de plus de X m (cette valeur est déterminée par l'exploitant de la base de 120 données), l'autorisation d'émettre n'est plus valide. L'émission/réception est réalisée à l'aide des modules (22) et (23) qui correspondent chacun à une bande de fréquence spécifique (par exemple UHF et VHF). Description de la trame et de l'encapsulation dans la trame DTV : le mode DVB-GSE (DVB Generic Stream Encapsulation) permet de transporter des données sur des supports physiques DVB 125 utilisés pour la télévision numérique (par satellite en particulier). Tous les standards DVB de seconde génération comme DVB-S2 ou DVB-T2 par exemple permettent l'usage du transport MPEG classique ou du DVB-GSE. DVB-GSE a été publié par l'ETSI comme standard TS 102 606 en octobre 2007. La trame DVB-GSE représentée à la figure 4 est composée d'une couche physique (36) DVB (33), d'une couche d'encapsulation et de fragmentation (35) appelée GSE (32) et de la couche réseau 130 (34) en mode IP (31). Les informations spécifiques au canal balise constituent la couche information (30). Au niveau physique, la trame bande de base (45) est constituée d'un en-tête (40) et du corps (42). Au niveau d'encapsulation et de fragmentation (35), les paquets GSE (41) sont constitués d'un en-tête (39), du corps du message (38) et d'un code correcteur d'erreur CRC (43). Au niveau de la couche réseau (34), les informations sont transportées dans les champs (37). 135 Description des � cellules � terrestres : le territoire à couvrir est découpé en carrés de 2 km de côté en moyenne. Les carrés sont plus grands dans les zones rurales et plus petits dans les zones urbaines susceptibles d'accueillir des sites � sensibles � comme les salles de spectacle. Le canal balise diffuse en continu les informations relatives à une zone qui est définie par les coordonnées géographiques de son centre et son côté exprimé en km. 140 Description du signal diffusé I Informations transmises sur le canal balise : la figure 5 représente la trame d'information du canal balise (67). Les informations relatives aux zones géographiques 1 (68), 2 (69), 3 (70) sont transmises séquentiellement jusqu'à la fin du cycle lorsque toutes les zones géographiques ont été couvertes. Les informations de la dernière zone (71) sont envoyées, puis le canal diffuse les informations relatives à la zone 1 (72) qui ont pu être ré-actualisées entre-temps. 145 La taille (57) et le contenu (58) des paquets d'information sont les suivants : • en-tête (63), 1 octet (59) • coordonnées géographiques du centre de la zone (55), 2 octets (60) • dimensions (côté) de la zone (56), 2 octets (60) • canaux autorisés (51), 10 octets (61) 150 • puissance autorisée (52), 10 octets (61) ^ plages horaires autorisées ou durée d'autorisation (53), 10 octets (61) • informations complémentaires (66) ; pour usage futur, 2 octets (62) La base de données (16) d'informations géographiques (zones interdites, salles de spectacle ...) est diffusée en continu sur un canal satellite afin de fournir aux terminaux WSD l'information 155 d'autorisation pour l'endroit où ils se trouvent. L'information est rafraichie selon une périodicité déterminée par le gestionnaire de la base de données. Les informations répertoriées dans la base de données et qui permettent de déterminer les emplacements et canaux autorisés pour les WSD pourront être les suivants : • emplacement, canaux utilisés et puissance des émetteurs de télévision et de radio 160 • salles de spectacles et studios de radio & télévision susceptibles d'utiliser des microphones sans fil • zones d'interdictions aux usages civils • têtes de réseaux câblés de télédiffusion • autres zones à protéger de toute interférence 165 De cette façon, les informations d'autorisation relatives à une zone géographique donnée sont diffusées toutes les T (mn) à un terminal WSD en écoute sur le canal satellite. Des l'information correspondant à sa localisation donnée par le module GPS intégré et les informations d'autorisation (canaux, puissance, plages horaires...) sont stockées dans la mémoire du terminal WSD. 170 Avantages du procédé présenté : il permet de couvrir instantanément un pays ou une région et d'offrir une grande précision dans la détermination des zones géographiques à protéger grâce à la souplesse de définition de ces zones. II permet de gérer en quasi-temps réel une base d'autorisation et ainsi de répondre aux 175 demandes des organisateurs de spectacles qui ont des besoins temporaires d'utilisation d'équipements tels que les microphones sans fil dans une partie de la bande UHF par exemple. Il garantit la protection des sites référencés par l'agence du spectre (émetteurs TV locaux, salles de spectacle, spectacle temporaires...) : les terminaux WSD arrêtent d'émettre dès que leurs autorisations ne sont plus renouvelées. 180 Il permet également d'alimenter en information les stations de base d'un réseau. Dans la forme de réalisation de la figure 2, l'invention permet d'optimiser l'usage du spectre dans des bandes de fréquences comme les bandes VHF et UHF afin de permettre à des systèmes sans licence d'accéder à des services de type accès à Internet, accès mails, transmission de données de 185 machine à machine... Une forme d'application implique la mise en place de stations de base qui assureront la liaison avec les terminaux WSD pour leur fournir des services de télécommunications. Ces stations de base sont reliées aux réseaux terrestres de télécommunications pour assurer les services de téléphonie, de transmission de données et d'accès à Internet. Dans une autre application, les stations de base 190 fonctionnent en mode maillé et ne sont pas toutes reliées au réseau Internet. Chacune relaie la totalité des transmissions mais seules certaines stations sont utilisées pour l'acheminement au réseau fixe. La portée des systèmes qui s'appuient sur ce type d'utilisation est réduite, de l'ordre de quelques km, car la puissance autorisée est obligatoirement faible, de façon à ne pas générer d'interférences aux utilisateurs existants de ces bandes de fréquences et à permettre une utilisation 195 dans un cadre d'autorisation sans licence. Le coût de mise en oeuvre de tels réseaux est relativement faible car le coût du spectre est nul. Il s'agit d'un bon exemple d'optimisation de ressources rares que sont les fréquences en dessous de 1 GHz. Ce système qui fonctionne dans des bandes de fréquences sans exclusivité ne permet pas de 200 garantir la qualité de service et est particulièrement destiné à offrir un service d'accès à Internet dans la mesure où la qualité de service est moins critique pour ce type d'application. Il peut permettre d'offrir ce service dans des zones déjà couvertes par d'autres réseaux mais à un coût moindre ou offrir une solution pour des zones non couvertes. Revendications1) Système de gestion d'autorisations géographiques pour terminaux sans licence opérant dans les bandes VHF et UHF caractérisé en ce qu'il comprend une base de données, un système de diffusion par satellite d'un canal balise, des stations de base terrestres et des terminaux. 210 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le canal balise est diffusé par satellite pour l'envoi d'autorisations directement aux terminaux sans fil 3) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le découpage géographique d'un pays ou territoire en cellules de taille constante pour l'envoi des autorisations correspondantes qui permet de définir des zones géographiques de taille variable en fonction des besoins de protection de 215 zones géographiques précises 4) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la trame d'information destinée à être émise sur le canal balise comporte les données d'autorisation pour les terminaux selon un découpage géographique du territoire à couvrir et permet d'allouer des autorisations contrôlables dans le temps, dans l'espace et au niveau des caractéristiques de 220 transmission (fréquence et puissance notamment) 5) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, où le système est utilisé pour alimenter en information d'autorisations géographiques les stations de base d'un réseau de télécommunications opérant dans des bandes sans licence ou dans les bandes UHF ou VHF