Réseau maillé sans fil à haut débit

Description

La connectivité via les réseaux maillés sans fil à haut débit (B-WMN) est devenue l’un des aspects essentiels de l’infrastructure des villes intelligentes. Malgré la forte disponibilité de la fibre optique dans les environnements urbains, la mise en place d’une infrastructure filaire pour tout service numérique constitue une entreprise coûteuse qui nécessite une planification minutieuse et aboutit souvent à des structures statiques et rigides. Le déploiement rapide et flexible de solutions entraîne des perturbations importantes de la vie quotidienne et engendre des coûts considérables. Les réseaux B-WMN visent à surmonter ces problèmes en réduisant au minimum, voire en éliminant, le recours à une infrastructure filaire, et en utilisant les infrastructures urbaines existantes comme plateformes pour leur déploiement (Egners et al., 2013).

Les B-WMN présentent de faibles coûts d’installation et de maintenance et facilitent la connexion à n’importe quel emplacement possible en milieu urbain ou rural, quelle que soit la complexité de l’accès. Il existe plusieurs applications des B-WMN, telles que la maison numérique, l’accès Internet haut débit, l’automatisation des bâtiments, les systèmes de santé et médicaux, ainsi que les réseaux d’urgence et de gestion des catastrophes (Salah & Salleh, 2013). Les responsables des travaux publics peuvent utiliser les réseaux maillés sans fil de base (B-WMN) pour surveiller leurs approvisionnements en eau et en électricité en installant un réseau maillé sans fil dans les égouts, les stations d’épuration ou les générateurs. Les agents de la sécurité publique peuvent utiliser des réseaux virtuels sécurisés pour rester en contact. Des nœuds maillés peuvent également être installés sur les lampadaires, les feux de signalisation et d’autres objets mobiles, ce qui permet à plusieurs appareils d’être connectés au réseau maillé en cas d’urgence (BasuMallick, 2022).

Un B-WMN est une infrastructure constituée d’un réseau de routeurs communiquant entre eux sans fil à des débits de l’ordre du gigabit (similaires à ceux de la fibre optique). Il se compose de nœuds radio qui n’ont pas besoin d’être raccordés à un port filaire, contrairement aux points d’accès sans fil classiques (Parvin, 2019). Les réseaux B-WMN suscitent un intérêt croissant en tant que moyen attractif d’assurer une connectivité étendue, en complément de l’accès proposé par les fournisseurs d’accès à Internet (FAI) classiques. La topologie maillée des B-WMN offre une grande flexibilité, une fiabilité pouvant atteindre 99,999 % et une latence inférieure à 2 ms, ce qui est idéal pour les applications en temps réel nécessitant une bande passante élevée ; cela se traduit ainsi par une infrastructure physique permettant des connexions de routage et de transport flexibles (Matos et al., 2011).

Infrastructure des réseaux B-WMN en milieu urbain (Cilfone et al., 2019)

Problèmes à résoudre

Modèle de valeur

Avantages d'un réseau maillé sans fil à haut débit (BABLE, 2022)

Coûts d'un réseau maillé sans fil à haut débit (BABLE, 2022)

Contexte de la ville

En particulier, une ville intelligente peut être modélisée comme une union de nombreux « sous-réseaux », chacun étant dédié à la gestion d’un aspect particulier de la surveillance globale de la ville et s’appuyant sur l’utilisation de plusieurs systèmes de communication dotés de technologies hétérogènes (Cilfone et al., 2019).

Grâce à un réseau maillé sans fil à large bande (B-WMN), chaque nœud communique avec tous les autres nœuds, et chaque nœud reçoit des données d’un nœud tout en les transmettant au nœud suivant. Les facteurs que les villes doivent prendre en compte avant le déploiement de réseaux B-WMN sont notamment les suivants :

• Mobilier urbain : la présence de mobilier urbain facilite le déploiement des réseaux maillés sans fil à large bande (B-WMN), par exemple les lampadaires et les feux de signalisation.
• Ligne de visée : les réseaux maillésà large bande fonctionnant dans la bande des ondes millimétriques (y compris à 60 GHz) nécessitent un support de transmission en ligne de visée, ce qui signifie que les extrémités d’émission et de réception de la liaison doivent être mutuellement visibles pour garantir la transmission. La présence d’arbres, de bâtiments et d’autres obstacles entre les extrémités émettrice et réceptrice réduira la fiabilité de la liaison, voire la rendra totalement impossible. Par conséquent, une planification avancée de la ligne de visée entre les sites est essentielle dans tout projet de déploiement (Perrin, 2020).
• Conditions climatiques : Elles varient d’une région à l’autre et la topographie diffère d’un itinéraire à l’autre. Une planification minutieuse des sites doit donc être menée afin de cerner les contraintes existantes en fonction du contexte local.
• Normes et réglementations : les normes établies par les autorités centrales et les organismes de réglementation compétents doivent être examinées afin de garantir leur respect.

Facteurs de soutien

Parmi les facteurs favorables aux réseaux B-WMN, on peut citer :

• Facilité de déploiement : grâce à l’accès à l’alimentation électrique et aux poteaux, l’installation sur site et la mise en service peuvent être réalisées en moins de 30 minutes, contre plusieurs mois nécessaires à la pose de nouvelles fibres optiques ou d’autres types de réseaux câblés
• Accès amélioré aux données : réseau de données évolutif prenant en charge le Wi-Fi, le LTE/5G privé et l’accès sans fil fixe
• Meilleure détection : caméras, capteurs pour la santé et l’environnement, la gestion du trafic, etc.
• Un transport des données optimisé : réseaux de transport en surface
• Applications dans un avenir proche: véhicules autonomes et réseaux de drones pour les soins prédictifs

Initiatives du gouvernement

Parmi les initiatives gouvernementales visant à soutenir le déploiement de technologies permettant une connectivité à haut débit et l'accès au numérique, on peut citer :

• La stratégie numérique de l’UE : la stratégie dela Commission européenne visant à façonner l’avenir numérique de l’Europe. Au cours des cinq prochaines années, la Commission se concentrera sur trois objectifs clés afin de garantir que les solutions numériques aident l’Europe à tracer sa propre voie vers une transformation numérique au service des citoyens. Ces objectifs sont les suivants : 1) Développer et déployer des technologies au service des citoyens 2) Une économie équitable et compétitive : un marché unique sans entraves où les entreprises de toutes tailles et de tous secteurs peuvent rivaliser à armes égales ; 3) Une société ouverte, démocratique et durable : un environnement digne de confiance dans lequel les citoyens ont le contrôle de leurs actions et de leurs interactions, ainsi que des données qu’ils fournissent tant en ligne que hors ligne (Commission européenne).
• Programme « Europe numérique » : le nouveau programme de financement de l’UE visant à mettre les technologies numériques à la disposition des entreprises, des citoyens et des administrations publiques. Il a pour objectif d’accélérer la reprise économique et de façonner la transformation numérique de la société et de l’économie européennes, au bénéfice de tous, mais en particulier des petites et moyennes entreprises. Ce programme soutient des projets dans cinq domaines clés : le calcul intensif, l’intelligence artificielle, la cybersécurité, les compétences numériques avancées, ainsi que la généralisation de l’utilisation des technologies numériques dans l’ensemble de l’économie et de la société, notamment par le biais des pôles d’innovation numérique (Commission européenne).
• Initiative « Internet de nouvelle génération » (NGI) : Une initiative européenne visant à façonner l’Internet de demain en un écosystème de plateformes interopérables incarnant les valeurs chères à l’Europe : ouverture, inclusivité, transparence, respect de la vie privée, coopération et protection des données (Commission européenne). L’initiative NGI sera le moteur de la révolution technologique et garantira l’adoption progressive de concepts et de méthodologies de pointe couvrant les domaines de l’intelligence artificielle, de l’Internet des objets, des technologies interactives et bien d’autres encore, tout en contribuant à rendre l’Internet du futur davantage centré sur l’humain.
• La stratégie de l’UE en matière de haut débit : la Commission européenne aide les entreprises, les chefs de projet et les autorités de l’UE à étendre la couverture des réseaux afin d’atteindre les objectifs de la « société du gigabit » fixés par l’UE. «Broadband Europe» promeut la stratégie de la Commission intitulée «Connectivité pour une société européenne du gigabit d’ici 2025», ainsi que la vision définie par la «Décennie numérique pour l’Europe» en vue de la transformation numérique d’ici 2030, afin de connecter les citoyens et les entreprises européens à des réseaux à très haute capacité, ce qui permettra de proposer des produits, services et d’applications innovants à l’ensemble des citoyens et des entreprises de l’Union européenne (Commission européenne).

Cartographie des parties prenantes

Carte des parties prenantes d'un système B-WMN (BABLE, 2022)

Potentiel du marché

Le marché mondial des villes intelligentes était évalué à 392,9 milliards de dollars américains en 2019 et devrait atteindre 1 380,21 milliards de dollars américains d'ici 2030, avec un TCAC de 12,1 % entre 2020 et 2030 (NMSC, 2022). Les villes et les citoyens exigent une meilleure connectivité. Le réseau maillé sans fil (WMN), en tant que solution pour les villes intelligentes, composé d’un réseau de communication réparti entre plusieurs nœuds maillés sans fil, répond à cette demande. Ces technologies de réseau offrent un avantage significatif par rapport aux réseaux sans fil traditionnels, car elles ne nécessitent pas de câbles Ethernet ni aucune forme de câblage physique, à l’exception du nœud source. Le réseau maillé sans fil est auto-configurable, ce qui permet l’intégration automatique de nouveaux nœuds maillés sans nécessiter d’administration du réseau. (Global Market Insights, 2019).

La taille du marché des réseaux maillés sans fil a dépassé les 2 milliards de dollars en 2019 et devrait connaître un taux de croissance annuel composé (TCAC) supérieur à 15 % entre 2020 et 2026. La croissance du marché s’explique par l’adoption croissante des réseaux maillés sans fil, en raison de leurs capacités réseau fiables, notamment une transmission de données plus rapide et un déploiement plus aisé (Global Market Insights, 2019).

Potentiel du marché (Global Market Insights, 2019). Image modifiée par BABLE.

Structure des coûts

Selon Heavy Reading (Perrin, 2020), la bande des 60 GHz soutient favorablement la comparaison tant avec la fibre optique jusqu'au domicile (FTTP) qu'avec les options de spectre mmWave sous licence — bien que le coût de l'équipement lui-même ne soit pas le facteur principal dans aucun des deux cas. En ce qui concerne les déploiements FTTP, Ovum estime que, dans les pays où la main-d’œuvre est coûteuse, les coûts de construction du réseau peuvent représenter 80 % ou plus du coût total du réseau FTTP. Par exemple, les données de la Commission fédérale des communications (FCC) des États-Unis concernant les coûts de construction de la fibre optique par mile varient considérablement, allant de 20 000 dollars à plus de 100 000 dollars, selon que la fibre est posée en aérien, dans des gaines existantes ou dans le cadre de constructions entièrement nouvelles. Pourtant, Heavy Reading estime que la plupart des choix entre la fibre optique et les ondes millimétriques ne reposeront pas sur une analyse des coûts.

Les opérateurs opteront plutôt pour les ondes millimétriques lorsque la fibre optique n’est tout simplement pas envisageable ou lorsqu’une mise sur le marché rapide est un critère essentiel. Comme indiqué précédemment, les projets de déploiement de fibre optique peuvent s’étaler sur plusieurs mois, voire plusieurs années, compte tenu des délais d’obtention des permis et des autorisations municipales. Si l’on compare les bandes de fréquences sans licence à 60 GHz aux bandes mmWave soumises à licence, les différences de coût des équipements sont éclipsées par le facteur de coût le plus important lié à l’utilisation du spectre sous licence : le coût des licences elles-mêmes. Les enchères portant sur les bandes de fréquences de 24 GHz et 28 GHz aux États-Unis ont généré 2,7 milliards de dollars de recettes, provenant principalement des opérateurs mobiles de premier rang (Perrin, 2020).

La structure des coûts liée au déploiement d’un réseau maillé sans fil à large bande est présentée dans la figure ci-dessous :

Structure des coûts liés au déploiement d’un réseau maillé sans fil à large bande (B-WMN) (BABLE, 2022)

Modèles d'exploitation

Modèles opérationnels pour les réseaux mondiaux d'entreprises (Egners, 2014).

Exigences légales

• Directive 2013/752/UE : L’objectif principal de ce document d’orientation est de limiter les niveaux de puissance d’émission afin de garantir qu’ils ne provoquent pas d’interférences avec d’autres équipements sans fil. Dans le cas des appareils à courte portée fonctionnant dans la bande de 57 GHz à 66 GHz, ceux-ci sont limités à une puissance isotrope rayonnée équivalente (EIRP) de 40 dBm et à des densités d’EIRP de 13 dBm/MHz. Les installations fixes en extérieur sont exemptées de ces restrictions. En outre, cette directive garantira que ces appareils à courte portée ne constituent pas une source importante d’interférences pour les liaisons de raccordement dans la bande de 57 GHz à 64 GHz.
• ECC/REC/(09)01 : Le Comité des communications électroniques (ECC) de la Conférence européenne des administrations des postes et des télécommunications (CEPT) formule certaines recommandations concernant l’utilisation de la bande de fréquences 57-64 GHz pour les systèmes sans fil fixes point à point. Il définit également des exigences en matière de puissance isotropique rayonnée équivalente (EIRP) pour les systèmes fixes point à point fonctionnant dans cette gamme de fréquences.
• ETSI EN 302 217-2 : Norme européenne harmonisée relative aux systèmes radio fixes ; caractéristiques et exigences applicables aux équipements et antennes point à point ; systèmes numériques fonctionnant dans les bandes de fréquences comprises entre 1,3 GHz et 86 GHz ; et normes harmonisées couvrant les exigences essentielles de l’article 3, paragraphe 2, de la directive 2014/53/UE.
• Royaume-Uni : En 2010, l’Office of Communications (OFCOM) du Royaume-Uni a approuvé l’utilisation sans licence du spectre 57-64 GHz. Bien que l’attribution du spectre suive la norme de la Commission fédérale des communications (EIRP maximale de +55 dBm), la puissance conduite maximale de +10 dBm et le gain d’antenne minimal de +30 dBi s’inspirent de la norme européenne de l’ETSI.

Données et normes

• Norme WiGig : Également connue sous le nom de « Wi-Fi 60 GHz », elle désigne un ensemble de protocoles de réseau sans fil fonctionnant à 60 GHz. Elle comprend les normes IEEE 802.11ad et IEEE 802.11ay. La spécification WiGig permet aux appareils de communiquer sans fil à des débits de plusieurs gigabits. Elle permet des applications sans fil hautement performantes en matière de données, d’affichage et d’audio, qui complètent les capacités des anciens appareils de réseau local sans fil.
• Norme WirelessHD : Également connue sous le nom d’UltraGig, il s’agit d’une norme propriétaire détenue par Silicon Image (anciennement SiBeam) destinée à la transmission sans fil de contenus vidéo haute définition pour les produits électroniques grand public. Elle repose sur un canal de 7 GHz dans la bande radio à très haute fréquence (EHF) de 60 GHz. Elle permet la transmission numérique soit légèrement compressée (codec propriétaire adapté à la liaison sans fil), soit non compressée, de signaux vidéo, audio et de données haute définition, ce qui en fait en substance l’équivalent d’un HDMI sans fil.
• IEEE 802.15.3c : Première norme sans fil de l’IEEE dans la bande des 60 GHz (ondes millimétriques). Elle propose trois modes de couche physique (PHY) destinés à des segments de marché spécifiques, avec des débits de données obligatoires supérieurs à 1 Gb/s. Au cours de l’élaboration de la norme, de nouvelles contributions à la technologie des communications sans fil ont également été apportées, notamment un nouveau modèle de canal, un schéma de formation de faisceaux basé sur un livre de codes et une méthode d’agrégation à faible latence.
• Spécifications de l’ISG de l’ETSI pour la transmission par ondes millimétriques (MWT) : L’Institut européen des normes de télécommunications (ETSI) a publié plusieurs livres blancs et spécifications de groupe, et a examiné les réglementations mondiales relatives aux bandes V (57 à 66 GHz) et E (71 à 86 GHz), ainsi que la maturité technologique, les applications et les cas d’utilisation de la transmission par ondes millimétriques.