Réseau maillé sans fil à large bande

Description

La connectivité des réseaux maillés sans fil à large bande (B-WMN) est devenue l'un des aspects essentiels de l'infrastructure des villes intelligentes. Malgré l'abondance de la fibre optique dans les environnements urbains, la mise en place d'une infrastructure câblée pour tout service numérique est une entreprise coûteuse qui nécessite une planification minutieuse et aboutit souvent à des structures statiques et rigides. Cela entraîne des perturbations importantes de la vie civile et des coûts pour déployer des solutions rapidement et de manière flexible. Les B-WMN visent à surmonter ces problèmes en minimisant et/ou en éliminant le besoin d'infrastructures câblées et en utilisant les infrastructures urbaines existantes comme plateformes pour leur déploiement (Egners et al., 2013).

Les B-WMN ont des coûts d'installation et de maintenance faibles et facilitent la connexion à tous les emplacements possibles dans les environnements urbains ou ruraux, quelle que soit la complexité de la portée. Il existe plusieurs applications des B-WMN telles que la maison numérique, l'accès à l'internet à large bande, l'automatisation des bâtiments, les systèmes médicaux et de santé, et les réseaux d'urgence et de catastrophe (Salah & Salleh, 2013). Les responsables des travaux publics peuvent utiliser les B-WMN pour surveiller leur approvisionnement en eau et en électricité en installant un réseau maillé sans fil dans les égouts, les installations de traitement de l'eau ou les générateurs. Les agents de la sécurité publique peuvent utiliser des réseaux virtuels sécurisés pour rester en contact. Les nœuds de maillage peuvent également être montés sur des lampadaires, des feux de signalisation et d'autres objets mobiles, ce qui permet de connecter plusieurs appareils au réseau maillé en cas d'urgence (Basu-Mallick, 2022).

Le B-WMN est une infrastructure qui consiste en un réseau de routeurs communiquant sans fil les uns avec les autres à des vitesses de l'ordre du gigabit (semblables à celles de la fibre). Il s'agit de nœuds radio qui n'ont pas besoin d'être reliés à un port câblé comme les points d'accès sans fil conventionnels (Parvin, 2019). Les B-WMN ont suscité une attention croissante en tant que moyen attrayant de fournir une connectivité étendue en complément de l'accès offert par les fournisseurs d'accès à l'internet (FAI) habituels. La topologie maillée des B-WMN offre une grande flexibilité, une fiabilité pouvant atteindre 99,999 % et une latence inférieure à 2 ms, idéale pour les applications à large bande passante en temps réel, ce qui est responsable d'une infrastructure physique permettant un routage et des connexions de transport flexibles (Matos et al., 2011).

Infrastructure B-WMN dans les zones urbaines (Cilfone et al., 2019)

Problèmes à résoudre

Modèle de valeur

Avantages d'un réseau maillé sans fil à large bande (BABLE, 2022)

Coûts d'un réseau maillé sans fil à large bande (BABLE, 2022)

Contexte de la ville

En particulier, une ville intelligente peut être modélisée comme une union de nombreux "sous-réseaux", chacun d'entre eux étant dédié à la gestion d'un aspect particulier de la surveillance globale de la ville et reposant sur l'utilisation de plusieurs systèmes de communication avec des technologies hétérogènes (Cilfone et al., 2019).

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

• Mobilier urbain : L'existence du mobilier urbain facilite le déploiement des B-WMN, par exemple les lampadaires et les feux de circulation.
• Ligne de vue : Les réseaux maillés à large bande fonctionnant dans la gamme des ondes millimétriques (y compris 60 GHz) nécessitent un support de transmission en visibilité directe, ce qui signifie que les extrémités d'émission et de réception de la liaison doivent être visibles de part et d'autre pour assurer la transmission. Les arbres, les bâtiments et autres obstacles situés entre les extrémités d'émission et de réception réduisent la fiabilité ou éliminent complètement la connectivité de la liaison. Par conséquent, une planification avancée de la ligne de visée entre les sites est essentielle dans toute construction(Perrin, 2020).
• Conditions climatiques : Elles varient d'une région à l'autre et les topographies varient d'une route à l'autre. Il convient donc de procéder à une planification minutieuse du site afin de comprendre toutes les limitations existantes en fonction du contexte local.
• Normes et réglementations : Les normes fixées par les autorités centrales et les organismes de réglementation compétents doivent être examinées pour s'assurer qu'elles sont respectées.

Facteurs de soutien

Les facteurs de soutien aux B-WMN sont les suivants :

• Facilité de déploiement : Avec l'accès à l'électricité et aux poteaux, l'installation et la mise en service du site peuvent se faire en moins de 30 minutes, alors qu'il faut des mois pour installer de nouvelles fibres ou d'autres formes de réseaux câblés.
• Amélioration de l'accès aux données : Réseau de données évolutif permettant le WiFi, le LTE/5G privé et l'accès sans fil fixe
• Meilleure détection : Caméras, capteurs pour la santé et l'environnement, gestion du trafic, etc.
• Meilleur transport des données : Réseaux de transport en surface
• Applications du futur proche: Véhicules autonomes et réseaux de drones pour les soins prédictifs

Initiatives du gouvernement

Les initiatives gouvernementales qui soutiennent le déploiement de technologies permettant une connectivité à haut débit et l'accès au numérique sont les suivantes :

• La stratégie numérique de l'UE : La stratégie de la Commission européenne pour façonner l'avenir numérique de l'Europe. Au cours des cinq prochaines années, la Commission se concentrera sur trois objectifs clés pour s'assurer que les solutions numériques aident l'Europe à poursuivre sa propre voie vers une transformation numérique qui profite à tous. Ces objectifs sont les suivants 1) le développement et le déploiement d'une technologie au service des citoyens 2) une économie équitable et compétitive - un marché unique sans friction où les entreprises de toutes tailles et de tous secteurs peuvent se concurrencer à armes égales 3) une société ouverte, démocratique et durable - un environnement fiable dans lequel les citoyens sont responsabilisés dans leur manière d'agir et d'interagir, ainsi que dans les données qu'ils fournissent en ligne et hors ligne(Commission européenne).
• Programme pour une Europe numérique : nouveau programme de financement de l'UE visant à mettre la technologie numérique au service des entreprises, des citoyens et des administrations publiques. Il vise à accélérer la reprise économique et à façonner la transformation numérique de la société et de l'économie européennes, en apportant des avantages à tous, mais en particulier aux petites et moyennes entreprises. Ce programme soutient des projets dans cinq domaines clés : les supercalculateurs, l'intelligence artificielle, la cybersécurité, les compétences numériques avancées et la garantie d'une large utilisation des technologies numériques dans l'économie et la société, notamment par l'intermédiaire des centres d'innovation numérique(Commission européenne).
• Initiative "Internet de nouvelle génération" (NGI) : Une initiative européenne qui vise à façonner le futur Internet comme un écosystème de plateformes interopérables qui incarne les valeurs chères à l'Europe : ouverture, inclusivité, transparence, vie privée, coopération et protection des données(Commission européenne). La NGI sera le moteur de la révolution technologique et garantira l'adoption progressive de concepts et de méthodologies avancés dans les domaines de l'intelligence artificielle, de l'internet des objets, des technologies interactives et autres, tout en contribuant à rendre l'internet du futur plus centré sur l'humain.
• La stratégie de l'UE en matière de haut débit : La Commission européenne aide les entreprises, les gestionnaires de projets et les autorités de l'UE à accroître la couverture du réseau afin d'atteindre les objectifs de la société du gigabit de l'UE. Broadband Europe promeut la stratégie de la Commission sur la connectivité pour une société européenne du gigabit d' ici 2025, ainsi que la vision établie par la décennie numérique pour la transformation numérique de l'Europe d'ici 2030, afin de connecter les citoyens et les entreprises européens avec des réseaux à très haute capacité, ce qui permettra d'offrir des produits, des services et des applications innovants à tous les citoyens et à toutes les entreprises de l'UE(Commission européenne).

Cartographie des parties prenantes

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

Potentiel du marché

Le marché mondial des villes intelligentes a été évalué à 392,9 milliards de dollars en 2019 et devrait atteindre 1380,21 milliards de dollars d'ici 2030 avec un taux de croissance annuel composé de 12,1 % entre 2020 et 2030 (NMSC, 2022). Les villes et les citoyens exigent une meilleure connectivité. Le WMN, en tant que solution de ville intelligente, comprenant 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 de nouveaux nœuds maillés automatiquement sans qu'il soit nécessaire d'administrer le réseau. (Global Market Insights, 2019).

La taille du marché des réseaux maillés sans fil a dépassé les 2 milliards USD en 2019 et devrait croître à un TCAC de plus de 15 % entre 2020 et 2026. La croissance du marché est attribuée à l'adoption croissante des réseaux maillés sans fil en raison de leurs capacités de réseau fiables, y compris une transmission de données plus rapide et un déploiement de réseau plus facile (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 de 60 GHz se compare favorablement à la fois à la fibre optique jusqu'aux locaux (FTTP) et aux options de spectre d'ondes millimétriques sous licence - bien que le coût de l'équipement lui-même ne soit pas le facteur principal dans les deux cas. Pour les constructions 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 kilomètre vont de 20 000 à plus de 100 000 dollars, selon qu'il s'agit de fibre aérienne, de conduits existants ou de constructions entièrement nouvelles. Néanmoins, Heavy Reading estime que la plupart des décisions concernant le choix de la fibre optique par rapport à la technologie mmWave ne seront pas fondées sur une analyse des coûts.

Les opérateurs choisiront plutôt la technologie mmWave lorsque la fibre n'est tout simplement pas une option ou lorsque la rapidité de mise sur le marché est un facteur clé. Comme indiqué précédemment, les projets de construction de fibre optique peuvent durer de plusieurs mois à plusieurs années, compte tenu des délais d'obtention des permis et des autorisations municipales. Si l'on compare les bandes de fréquences 60 GHz sans licence aux bandes de fréquences mmWave sous licence, les comparaisons des coûts d'équipement sont éclipsées par le facteur de coût le plus important dans l'utilisation du spectre sous licence - les coûts des licences elles-mêmes. Les ventes aux enchères de fréquences de 24 GHz et 28 GHz aux États-Unis ont généré des recettes de 2,7 milliards de dollars, principalement auprès des opérateurs de téléphonie mobile de niveau 1(Perrin, 2020).

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

Structure des coûts pour le déploiement d'un réseau maillé sans fil à large bande (BABLE, 2022)

Modèles d'exploitation

Modèles opérationnels pour les B-WMN (Egners, 2014).

Exigences légales

• Directive 2013/752/UE : L'objectif principal du document de politique est de limiter les niveaux de puissance de transmission pour s'assurer qu'ils n'interfèrent pas avec d'autres équipements sans fil. Dans le cas des dispositifs à courte portée fonctionnant dans la bande 57 GHz à 66 GHz, ils sont limités à 40 dBm de puissance isotrope rayonnée équivalente (PIRE) et à 13 dBm/MHz de densités de PIRE. Les installations extérieures fixes ne sont pas soumises à ces restrictions. En outre, cela garantira que ces dispositifs à courte portée ne deviennent pas une source sérieuse d'interférence pour les liaisons de retour 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 des recommandations concernant l'utilisation de la bande de fréquences 57-64 GHz pour les systèmes fixes sans fil point à point. Elle fournit également des exigences en matière de puissance isotrope rayonnée équivalente (PIRE) pour les systèmes fixes point à point fonctionnant dans cette gamme de fréquences.
• ETSI EN 302 217-2 : Norme européenne harmonisée pour les systèmes radio fixes ; caractéristiques et exigences pour les équipements et antennes point à point ; systèmes numériques fonctionnant dans les bandes de fréquences de 1,3 GHz à 86 GHz ; et normes harmonisées couvrant les exigences essentielles de l'article 3.2 de la directive 2014/53/UE.
• Royaume-Uni : En 2010, l'Office britannique des communications (OFCOM) a approuvé l'utilisation sans licence du spectre 57-64 GHz. Bien que l'attribution du spectre suive la norme de la Federal Communications Commission (PIRE 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 ETSI.

Données et normes

• Norme WiGig : Elle est également connue sous le nom de Wi-Fi 60 GHz et fait référence à un ensemble de protocoles de réseaux sans fil 60 GHz. Elle comprend la norme IEEE 802.11ad et la norme IEEE 802.11ay. La spécification WiGig permet aux appareils de communiquer sans fil à des vitesses de plusieurs gigabits. Elle permet des applications audio, d'affichage et de données sans fil très performantes qui complètent les capacités des appareils LAN sans fil précédents.
• Norme WirelessHD : Également connue sous le nom d'UltraGig, il s'agit d'une norme propriétaire de Silicon Image (à l'origine SiBeam) pour la transmission sans fil de contenu vidéo haute définition pour les produits électroniques grand public. Elle est basée sur un canal de 7 GHz dans la bande radio à très haute fréquence de 60 GHz. Il permet la transmission numérique légèrement comprimée (codec sans fil propriétaire) ou non comprimée de signaux vidéo, audio et de données haute définition, ce qui en fait 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) pour 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 système de formation de faisceau basé sur un livre de codes et une méthode d'agrégation à faible latence.
• Spécifications ETSI ISG pour la transmission par ondes millimétriques (MWT) : L'Institut européen des normes de télécommunication a publié plusieurs livres blancs et spécifications de groupe et a examiné les réglementations mondiales pour la bande v (57 à 66 GHz) et la bande e (71 à 86 GHz), la maturité technologique, les applications et les cas d'utilisation de la transmission par ondes millimétriques.