Brevet FR2977416A1 — publié le 20130104

STATIONS DE TELECOMMUNICATIONS A LARGE ZONE DE COUVERTURE L'invention se rapporte au domaine des télécommunications. Plus particulièrement, l'invention concerne l'élargissement de la zone de couverture de stations, qui peuvent être des stations émettrices seulement, réceptrices seulement ou émettrices/réceptrices, dans le domaine radiofréquences (par exemple réseaux sans-fil, diffusion radio ou télévision) ou dans un autre domaine de fréquences (par exemple l'infrarouge). L'invention concerne notamment la problématique du « déchargement » (« off-loading » en anglais), dans laquelle des stations radio, dites « de déchargement », traitent une partie du trafic de communications de manière à décharger des stations voisines et réduire la congestion dans les zones de forte charge, particulièrement aux moments de la journée où le trafic de communications est élevé. L'invention est compatible en particulier avec toutes les technologies d'accès radio connues (TDMA, COMA, W-CDMA, OFDMA, et ainsi de suite). Elle s'applique notamment aux réseaux cellulaires utilisant la technologie GSM/GPRS, telle que définie dans la version 97 et les versions ultérieures de la norme GSM, ou la technologie UMTS (« Universal Mobile Telecommunications System »), telle que définie notamment dans les normes 23.002, 23.003 et 29.060 du projet 3GPP (« Third-Generation Partnership Project »), la norme LTE (« Long Term Evolution »), ou encore la norme HSPA (« High Speed PacketAccess »). On rappelle que, alors que le GSM utilise un support de transmission de données par commutation en mode circuit (« circuitswitched » en anglais), le GPRS y ajoute un nouveau support de transmission de données par commutation en mode paquets (« packet- 2 switched » en anglais), qui permet de fournir à une station mobile une connectivité IP (« Internet Protocol ») disponible en permanence, mais dans laquelle les ressources radio sont allouées uniquement quand des données doivent être transférées. Les abonnés d'un opérateur mobile peuvent ainsi accéder à des services utilisant le protocole IP, tels que la messagerie électronique, le téléchargement de fichiers, la consultation de sites Web ou WAP. L'UMTS utilise la commutation en mode circuit et la commutation en mode paquets. L'UMTS utilise la technologie W-CDMA, normalisée par le 3GPP, et constitue la mise en oeuvre européenne des spécifications IMT-2000 de I'UIT (« Union Internationale des Communications ») pour les systèmes radio cellulaires 3G. L'UMTS permet d'échanger des données contenues dans des paquets IP avec des serveurs appartenant à un réseau extérieur au réseau UMTS, tel que le réseau Internet. La norme LTE fait partie de la norme UMTS, mais y incorpore de nombreuses modifications et améliorations, notamment l'utilisation de la modulation OFDM pour la liaison descendante et de SC-FDMA pour la liaison montante (au lieu de W-CDMA pour ('UMTS). Le LTE nécessite une couverture radio dédiée, distincte de la couverture UMTS. Le HSPA est la combinaison des protocoles HSDPA (« High Speed Downlink Packet Access ») pour la voie descendante, et HSUPA (« High Speed Uplink Packet Access ») pour la voie montante. Comme indiqué ci-dessus, l'invention concerne notamment les moyens dont dispose un opérateur pour augmenter la capacité de son réseau, notamment dans les zones de trafic élevé. Pour ce faire, on utilise dans les réseaux mobiles cellulaires des cellules de taille relativement faible ou très faible en plus des cellules « macro » de taille classique. On appelle généralement « microcellule » une cellule couvrant une zone présentant une largeur de moins de deux kilomètres, « picocellule » une cellule couvrant une zone de l'ordre de 200 mètres, et « femtocellule » une cellule couvrant une zone de l'ordre de 10 mètres. La zone de couverture de chaque station peut être limitée en contrôlant sa puissance. En effet, la souplesse en termes de taille cellulaire est une caractéristique de la technologie mobile 2G et des technologies suivantes, et représente un facteur significatif de l'accroissement de capacité des réseaux. Les contrôles de puissance mis en oeuvre dans les réseaux mobiles font qu'il est plus facile de réduire les interférences entre cellules voisines utilisant les mêmes fréquences. En subdivisant des cellules et en créant plus de cellules (on parle de densification du réseau) pour pouvoir desservir des zones à haute densité, un opérateur de réseau cellulaire peut optimiser l'utilisation du spectre et faire en sorte que la capacité puisse augmenter. On peut ainsi, au moyen d'une station de base de faible puissance, couvrir une zone limitée. Cela permet d'augmenter la capacité d'un réseau dans des zones d'accès difficile ou coûteux dans l'approche « macrocellulaire » classique. Plus précisément, une microcellule peut couvrir une zone comme un centre commercial, un hôtel, ou un centre de transport. Les microcellules sont souvent déployées temporairement pendant des événements sportifs et d'autres occasions dans lesquelles on sait à l'avance que l'on aura besoin d'une capacité supplémentaire à un emplacement spécifique. Une picocellule couvre généralement une zone de petite taille, par exemple à l'intérieur d'un bâtiment (bureaux, centres commerciaux), ou, plus récemment, à l'intérieur d'un avion. Les picocellules sont généralement utilisées pour étendre la couverture aux zones intérieures, c'est-à-dire là où les signaux extérieurs ne pénètrent pas bien, ou pour augmenter la capacité de réseau dans des zones à haute densité d'utilisation du téléphone, comme dans les gares de train. Une station de base de picocellule est généralement une unité à bas prix, de petite taille, et relativement simple. On trouve des picocellules pour la plupart des technologies cellulaires telles que le GSM/GPRS, l'UMTS et le LTE. Dans les réseaux GSM/GPRS, en particulier, chaque station de base de picocellule est connectée à un BSC (initiales des mots anglais « Base Station Controller » signifiant « Contrôleur de Stations de Base »). En fait, de nombreuses picocellules sont connectées à chaque BSC ; le BSC assure la gestion des ressources radio et des fonctions de « handover » (migration d'un terminal mobile d'une cellule à une cellule voisine), et agrège des données aux fins de transmission vers le Centre de Commutation Mobile (en anglais, « Mobile Switching Center », ou MSC) et/ou le Noeud de Support de Passerelle GPRS (en anglais, « Gateway GPRS Support Node », ou GGSN). La connectivité entre les unités de picocellule et le BSC est généralement réalisée au moyen d'un câblage intérieur à un bâtiment ; les systèmes les plus récents utilisent un câblage Ethernet ; les avions utilisent des liaisons par satellite. Les développements les plus récents concernent une unité contenant non seulement une station de picocellule, mais aussi apte à assurer beaucoup de fonctions du BSC et quelques-unes du MSC. Ce type de picocellule est parfois appelé une « station de base de point d'accès » ou une « femtocellule d'entreprise ». Dans ce cas, l'unité contient tous les moyens requis pour se connecter directement à Internet, sans avoir besoin de l'infrastructure BSC/MSC. C'est potentiellement une approche plus rentable. Quant aux réseaux UMTS, ils peuvent comprendre des réseaux privés (par exemple des réseaux domestiques) constitués de cellules de faible taille appelées « femto NodeB », dans lesquelles les stations de base, appelées « Home NodeB » (HNB), combinent chacune les fonctions de NodeB et de RNC (initiales des mots anglais « Radio Network Controller» signifiant « Contrôleur des Ressources Radio »). Chaque HNB est relié à une passerelle (« HNB Gateway ») située à l'extérieur du réseau privé dans le réseau d'accès radio de l'opérateur ; la HNB Gateway gère le HNB et le trafic des abonnés, et sert d'intermédiaire avec le réseau coeur. On notera que les réseaux GSM comprennent eux aussi des passerelles HNB Gateway dotées de fonctionnalités analogues. Outre les technologies décrites ci-dessus, l'invention s'applique en particulier aux architectures « femto 3G » telles que définies dans le document TR 25.820 V8.2.0 (2008-09) du 3GPP, ainsi qu'aux futures architectures « femto LTE ». Ces architectures utilisent des femtocellules dans lesquelles on peut déployer un réseau mobile domestique à faible coût en utilisant l'infrastructure haut-débit déjà présente chez l'abonné. Ce contexte est du plus haut intérêt pour les opérateurs : en effet, on prévoit qu'une proportion significative d'abonnés des futures offres téléphoniques possédera une femtocellule. De plus, ces femtocellules auront la possibilité d'ouvrir leur accès à d'autres utilisateurs (accès ouvert ou accès hybride). Ainsi, une solution connue pour augmenter la capacité d'un réseau consiste à mettre en place des stations supplémentaires (« hot spots » en anglais) dans les zones de trafic élevé. Toutefois, il est clair que la multiplication des « hot spots » a pour inconvénients les coûts d'achat, d'installation et de maintenance des nouvelles stations. Une autre solution consisterait, a priori, à augmenter la zone de couverture des stations en augmentant leur puissance pilote. En effet, au moment de leur arrivée dans le réseau, les terminaux mobiles s'attachent généralement à la station dont le signal pilote reçu est le plus fort, et s'attachent donc à une cellule locale de faible taille plutôt qu'au réseau macro si la puissance pilote reçue de la station locale est supérieure à celle reçue de la station macro. Il serait notamment intéressant, dans le contexte particulier des réseaux hétérogènes (par exemple, macro/femto) avec accès ouvert, de permettre aux stations femto de décharger la station macro en augmentant leur couverture de manière à absorber du trafic de la station macro. A cet égard, il est utile de s'appuyer sur les résultats d'une étude concernant les réseaux LTE, publiée dans l'article « Enhancing LTE network capacity using self-organized femtocell off-loading », de Sara Akbarzadeh, Richard Combes, et Zwi Altman (soumis à Globecom 2011). La figure 1a ci-joint, inspirée de cet article, représente le taux de blocage moyen (« Blocking Cali Rate » en anglais) dans un réseau macro/femto en fonction de la puissance émise par les stations femto ; la figure 1 b ci- joint, elle aussi inspirée de cet article, représente la capacité de ce réseau (« Network Capacity » en anglais) en fonction de la puissance émise par les stations femto. Sur ces figures, la courbe cochée se rapporte à un réseau purement macro (i.e. sans femtocellules), et la courbe non cochée se rapporte à un réseau hétérogène macro/femto. Ces courbes montrent que, pour que l'introduction de femtocellules dans un réseau macro puisse apporter des gains significatifs, il faudrait que les stations femto émettent avec une puissance supérieure à 25 dBm, par exemple 40 dBm. Or de telles valeurs sont bien au-delà des valeurs de puissance admissibles pour des stations femto, notamment en raison de la limitation des puissances d'émission imposée par les normes en vigueur concernant l'exposition des personnes aux ondes électromagnétiques. La présente invention concerne donc une station émettrice et/ou réceptrice d'ondes électromagnétiques, comprenant au moins deux antennes ou groupes d'antennes. Ladite station est remarquable en ce qu'une première antenne/groupe d'antennes dessert une première zone géographique, et une deuxième antenne/groupe d'antennes dessert une deuxième zone géographique distincte de ladite première zone géographique, et en ce que ladite station comprend des moyens pour communiquer simultanément avec au moins un terminal dans chacune desdites première et deuxième zones géographiques. On notera que par « antenne », on désigne (de manière classique) tout objet capable de rayonner ou de capter des ondes électromagnétiques, et relié à un coeur de station par une ligne de transmission ou un guide d'ondes. Par exemple, un relais Wi-Fi ou GSM ne constitue pas une antenne au sens de l'invention. Ainsi, la solution proposée par l'invention consiste en particulier à ajouter à une station selon l'état de l'art au moins une deuxième antenne (ou un deuxième groupe d'antennes) reliée à la station et placée à une certaine distance de la première antenne (ou du premier groupe d'antennes). Des antennes (ou groupes d'antennes) respectives servent des utilisateurs dans des zones géographiques respectives. On notera que la solution selon l'invention est différente de l'installation d'une nouvelle station, et ce, principalement pour deux raisons. Premièrement, les deux antennes, via la station, partagent le même lien « backhaul » vers le réseau coeur ou le réseau fixe. Deuxièmement, la station selon l'invention est responsable de l'allocation de ressources (selon la technologie radio sous-jacente : temps, fréquences, temps/fréquence, codes, et ainsi de suite) pour les deux antennes ; cette station doit donc être apte à gérer les ressources (notamment, le partage de puissance) requises par deux antennes communiquant avec des terminaux de manière indépendante l'une de l'autre. Le coût d'une mise en oeuvre de l'invention est très faible par rapport à l'installation d'une nouvelle station, que ce soit macro, micro, pico ou femto. L'invention produit un gain important de capacité dans les zones de déploiement dense, par exemple en zone urbaine ; en effet, il suffira d'équiper certaines stations de faible puissance avec les moyens selon l'invention pour augmenter massivement la capacité des réseaux mobiles en zone urbaine, puisque ces nouvelles stations seront capables de décharger les cellules macro environnantes bien mieux que ce dont sont capables les stations de faible puissance classiques. Un avantage supplémentaire de l'invention est une baisse de consommation dans les terminaux mobiles et une baisse du rayonnement émis par ces terminaux mobiles puisque, l'offre d'accès au réseau devenant plus dense, un terminal mobile pourra communiquer via une station proche de lui, et donc la puissance transmise par le terminal mobile diminuera. Cela permet notamment d'économiser la batterie, augmentant l'autonomie du terminal mobile ou la taille de la batterie nécessaire. Selon des caractéristiques particulières, ladite première zone géographique est située à l'intérieur d'un bâtiment, et ladite deuxième zone géographique est située à l'extérieur du même bâtiment. En effet, les auteurs de la présente invention ont réalisé que les difficultés pour étendre au-delà d'un bâtiment la couverture d'une station donnée desservant ce bâtiment sont dues principalement à des éléments de l'environnement, tels que les murs et les objets métalliques, qui atténuent fortement le signal en causant des pertes, des diffractions et des réflexions multiples. Grâce à ces dispositions, une station dont la couverture était, selon l'état de l'art, limitée à l'intérieur d'un bâtiment, peut, grâce à l'invention, accroître sa couverture jusqu'à une certaine distance autour de ce bâtiment. De ce fait, des utilisateurs se trouvant hors du bâtiment (mais pas trop loin) peuvent se connecter à cette station. L'invention vise également un programme d'ordinateur téléchargeable depuis un réseau de communication et/ou stocké sur un support lisible par ordinateur et/ou exécutable par un microprocesseur. Ce programme d'ordinateur est remarquable en ce qu'il comprend des instructions pour gérer le fonctionnement d'une station telle que succinctement décrite ci-dessus, lorsqu'il est exécuté sur un ordinateur. Les avantages offerts par ce programme d'ordinateur sont essentiellement les mêmes que ceux offerts par ladite station. D'autres aspects et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-dessous de modes de réalisation particuliers, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels : - la figure 1 a, décrite ci-dessus, représente le taux de blocage moyen dans un réseau macro/femto en fonction de la puissance émise par les stations femto, - la figure lb, décrite ci-dessus, représente la capacité d'un réseau macro/femto en fonction de la puissance émise par les stations femto, - la figure 2 représente schématiquement une architecture classique de réseau UMTS comprenant des cellules « femto NodeB », et - la figure 3 illustre un mode de réalisation de l'invention. Considérons un réseau de télécommunications comprenant un nombre total A, où A2, d'antennes, ou de groupes d'antennes équipant les stations du réseau. On rappelle à cet égard qu'on utilise classiquement des groupes d'antennes dans les systèmes MISO (initiales des mots anglais « Multiple-Input Single-Output » signifiant « Entrée- Multiple Sortie-Unique ») et MIMO (initiales des mots anglais « Multiple-Input Multiple-Output » signifiant « Entrée-Multiple Sortie-Multiple »). Ci-après, on utilisera le mot « antenne » pour désigner indifféremment soit une antenne au sens propre soit un groupe d'antennes. Pour chaque antenne s, où s =1,...,A, soit hs l'atténuation moyenne du signal entre cette antenne et un point r du réseau. On désigne par Ds la zone géographique desservie par l'antenne s , autrement dit : Ds = { r 1 hsHr ~ hs, Vs'E 1,..., A et s' s } . Conformément à l'invention, l'utilisation d'une pluralité d'antennes permet à une station apte à gérer les ressources requises par ces antennes de desservir simultanément une pluralité de zones géographiques, et donc, avantageusement, d'agrandir sa couverture à peu de frais. Le mécanisme de gestion de ressources selon l'invention est une adaptation immédiate par l'Homme du Métier des mécanismes connus dans le cas où une station ne possède qu'une seule antenne. Ainsi, selon un mode de réalisation, les ressources disponibles (temps, codes, temps-fréquences, et ainsi de suite) sont subdivisées en un certain nombre d'unités de ressources. Un mécanisme d'allocation de ressources calcule pour les besoins exprimés par les terminaux connectés une fonction de paramètres radio, et détermine les couples (terminal, nombre d'unités de ressources) qui optimise cette fonction. On attribue ensuite à chaque terminal le nombre d'unités de ressources ainsi déterminé, lesquelles seront utilisées pour la communication avec ce terminal via l'antenne qui le dessert. Considérons à présent, à titre d'exemple de réalisation, l'application de l'invention à un réseau UMTS. La figure 2 représente schématiquement une architecture classique de réseau UMTS comprenant des cellules « femto NodeB », telles que mentionnées ci-dessus. Le réseau UMTS est subdivisé en deux sous-réseaux, le réseau d'accès radio dit « terrestre » UTRAN (« UMTS Terrestrial Radio Access Network » en anglais), et le réseau coeur CN (« Core Network » en anglais). Le réseau UTRAN comprend une pluralité de stations radio de base, appelées « NodeB », qui sont destinées à communiquer avec des dispositifs d'abonnés UE (« User Equipment ») au moyen de ressources radio allouées par un RNC (« Radio Network Controller »). Le RNC joue dans les réseaux UMTS un rôle équivalent à celui joué par les BSC dans les réseaux GSM : le RNC contrôle les NodeB en leur allouant les ressources UTRAN et CN disponibles, et en leur fournissant des informations à diffuser au sein de leurs cellules. Le RNC sert d'intermédiaire entre les NodeB et le CN ; il communique avec le CN, pour le trafic de données et la signalisation. Le réseau coeur CN des architectures GSM et UMTS héberge un serveur HLR (initiales des mots anglais « Home Location Register» signifiant « Registre de Localisation Nominal »), dans laquelle sont stockées les informations relatives à chaque abonné de l'opérateur du réseau, telles que le numéro d'appel de l'abonné, l'identité du mobile et des informations relatives à l'abonnement. Le HLR contient également des informations de qualité de service liées aux abonnés et aux services. C'est donc à partir de cette base de données que s'effectue la gestion des abonnés mobiles au sein du réseau. Le réseau coeur CN des architectures GSM et UMTS héberge également des commutateurs de circuits MSC (« Mobile Switching Center ») et des commutateurs de paquets SGSN (initiales des mots anglais « Serving GPRS Support Node » signifiant « Noeud de Service pour le Support du GPRS »). Ces noeuds de service du réseau coeur assurent la gestion du lien de communication avec le réseau d'accès. Ils stockent le profil de l'abonné issu du HLR après l'enregistrement de l'équipement UE de l'abonné auprès du réseau, et effectuent un contrôle des ressources réseaux demandées par l'abonné. Concernant la commutation en mode circuit, le MSC est associé à un autre noeud de service, à savoir le GMSC (« Gateway Mobile Switching Center ») (non représenté sur la figure 2), qui sert de passerelle vers des réseaux fixes tels que le RTC (Réseau Téléphonique Commuté) ou le RNIS (Réseau Numérique à Intégration de Services). Concernant la commutation en mode paquets, le SGSN gère I'itinérance, l'authentification et le chiffrement. Il est associé au GGSN (« Gateway GPRS Support Node ») (non représenté sur la figure 2), qui sert de passerelle vers les réseaux à commutation de paquets extérieurs, notamment le réseau Internet. Le réseau coeur UMTS, en ce qui concerne le domaine paquet, est donc connecté avec l'extérieur via le GGSN, qui contient les informations de routage permettant au mobile de communiquer avec un réseau externe. Le SGSN et le GGSN intègrent des fonctions de routeur IP. La figure 3 illustre schématiquement un mode de réalisation de l'invention. Cette figure montre un HNB domestique gérant au moins deux antennes, dont l'une est intérieure à la maison et l'autre extérieure. Ce HNB contrôle l'allocation de ressources pour au moins ces deux antennes. L'antenne intérieure dessert une zone géographique D1 intérieure à la maison, et l'antenne extérieure dessert une zone géographique D2 extérieure à la maison. On notera pour terminer que les applications de la présente invention ne se limitent pas aux réseaux mobiles cellulaires. L'invention s'applique par exemple aux réseaux sans-fil (radiofréquences ou autres) tels que les réseaux Wi-Fi, ainsi qu'aux réseaux de diffusion radio ou télévision. Comme indiqué ci-dessus, la présente invention concerne également un système informatique gérant le fonctionnement d'une station telle que décrite ci-dessus. Ce système informatique comporte de manière classique une unité centrale de traitement commandant par des signaux une mémoire, ainsi qu'une unité d'entrée et une unité de sortie. De plus, ce système informatique peut être utilisé pour exécuter un programme d'ordinateur comportant des instructions pour gérer le fonctionnement d'une station selon l'invention. En effet, l'invention vise aussi un programme d'ordinateur 30 téléchargeable depuis un réseau de communication comprenant des instructions pour gérer le fonctionnement d'une station selon l'invention, lorsqu'il est exécuté sur un ordinateur. Ce programme d'ordinateur peut être stocké sur un support lisible par ordinateur et peut être exécutable par un microprocesseur. Ce programme peut utiliser n'importe quel langage de programmation, et se présenter en tant que code source, code objet, ou code intermédiaire entre code source et code objet, sous une forme partiellement compilée ou sous toute autre forme souhaitable. L'invention vise aussi un support d'informations, inamovible, ou partiellement ou totalement amovible, lisible par un ordinateur, et comportant des instructions d'un programme d'ordinateur tel que mentionné ci-dessus. Le support d'informations peut être n'importe quelle entité ou dispositif capable de stocker le programme. Par exemple, le support peut comporter un moyen de stockage, tel qu'une ROM, par exemple un CD ROM ou une ROM de circuit microélectronique, ou encore un moyen d'enregistrement magnétique, par exemple une clé USB (« USB flash drive » en anglais) ou un disque dur. D'autre part, le support d'informations peut être un support transmissible tel qu'un signal électrique ou optique, qui peut être acheminé via un câble électrique ou optique, par radio ou par d'autres moyens. Le programme d'ordinateur selon l'invention peut être en particulier téléchargé sur un réseau de type Internet. En variante, le support d'informations peut être un circuit intégré dans lequel le programme d'ordinateur est incorporé, le circuit étant adapté pour exécuter ou pour être utilisé dans le but de gérer le fonctionnement d'une station selon l'invention. REVENDICATIONS1. Station émettrice et/ou réceptrice d'ondes électromagnétiques, comprenant au moins deux antennes ou groupes d'antennes, caractérisée en ce qu'une première antenne/groupe d'antennes dessert une première zone géographique, et une deuxième antenne/groupe d'antennes dessert une deuxième zone géographique distincte de ladite première zone géographique, et en ce que ladite station comprend des moyens pour communiquer simultanément avec au moins un terminal dans chacune desdites première et deuxième zones géographiques. 2. Station selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite première zone géographique est située à l'intérieur d'un bâtiment, et ladite deuxième zone géographique est située à l'extérieur du même bâtiment. 3. Station selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle fait partie d'un réseau mobile cellulaire. 4. Station selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce qu'elle fait partie d'un réseau sans-fil. 5. Station selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle fait partie d'un réseau de diffusion radio ou télévision. 6. Moyen de stockage de données inamovible, ou partiellement ou totalement amovible, comportant des instructions de code de programme informatique pour gérer le fonctionnement d'une station selon l'une quelconque des revendications 1 à 5. 7. Programme d'ordinateur téléchargeable depuis un réseau de communication et/ou stocké sur un support lisible par ordinateur et/ou exécutable par un microprocesseur, caractérisé en ce qu'il comprend des instructions pour gérer le fonctionnement d'une station selon l'unequelconque des revendications 1 à 5, lorsqu'il est exécuté sur un ordinateur.