Instaurer l’accès large bande en zone rurale

L’expérience canadienne

Par Gérald Chouinard

Des programmes pour renforcer l’accès

Selon l’édition 2006 du rapport de l’UIT sur le développement des télécommunications/TIC dans le monde, le Canada a le sixième taux de pénétration le plus élevé en matière d’accès large bande. Toutefois, l’immense superficie et la population souvent clairsemée du pays exigent de prendre des mesures spéciales pour essayer de connecter tous les citoyens canadiens. Un tiers des communautés (soit 5% de la population du pays) n’a toujours pas accès à des services large bande. En outre, même lorsqu’une communauté est raccordée, les résidents n’ont pas tous accès à ces services. Cet état de fait est encore plus vrai en zone rurale, où il arrive que la densité de population, à l’extérieur d’une ville ou d’un village central, soit trop faible pour que l’accès large bande via des technologies modernes soit rentable.

Le Gouvernement canadien a pris des mesures pour renforcer ce type d’accès avec des programmes prévoyant de subventionner les investissements de capitaux et la capacité de transmission par satellite dans les communautés, à condition que celles-ci aient élaboré des projets visant à mettre en place des services d’accès large bande viables. Parallèlement à cela, le Centre de recherches sur les communications du Canada (CRC), qui dépend d’Industrie Canada, a lancé, en avril 2002, le Programme d’accès à large bande en régions rurales et éloignées. Le CRC mène des recherches, conçoit et teste des technologies et systèmes d’accès large bande innovants et économiques qui devraient permettre au secteur privé d’élaborer des modèles commerciaux rentables pour fournir des services large bande dans des zones mal desservies du pays.

Ce programme porte sur des questions essentielles comme la disponibilité du spectre et les brouillages, la couverture, la flexibilité en matière de déploiement et la normalisation des équipements. Il suppose la participation aux activités de normalisation internationale, le but étant de réduire le coût des équipements d’accès large bande et de proposer les compétences et les technologies canadiennes à des pays qui rencontrent des problèmes similaires.

Quel est le meilleur système de fourniture?

Les communications par satellite peuvent jouer un rôle essentiel pour raccorder des communautés isolées. Parce qu’ils offrent une couverture étendue, de qualité homogène, les satellites peuvent assurer un accès large bande dans différents environnements géographiques, que ce soit en zone rurale, suburbaine ou même urbaine. Seuls inconvénients éventuels: l’incidence pour certaines applications large bande et les serveurs centralisés du temps de propagation des signaux de 0,5 seconde caractéristique et le coût des terminaux. Toutefois, le CRC travaille pour réduire au minimum ces problèmes.

Le Centre a évalué les différentes technologies d’accès large bande, selon la densité de population et étudié leurs avantages en fonction de la complexité perçue et du coût (voir la figure 1). On a examiné avec une attention particulière la tranche comprise entre 1,5 personne/km² (densité au-dessous de laquelle seule l’utilisation des technologies par satellite est raisonnable) et 60 personnes/km² (densité au-delà de laquelle les technologies filaires, comme l’ADSL et le câble, deviennent rentables). Desservir les zones ayant ces densités de population nécessite de mettre au point de nouvelles technologies d’accès large bande hertzien qui auront un rayon d’utilisation supérieur et permettront de couvrir à moindre coût les zones rurales. La figure 1 donne une idée de la taille de ce marché potentiel au Canada d’après le recensement effectué en l’an 2000.

Les principaux facteurs à examiner pour essayer d’élargir l’éventail de technologies hertziennes disponibles sont présentés dans la figure 2 en fonction de la fréquence porteuse. Là encore, l’incidence de ces différents facteurs est indiquée selon leur complexité relative et leur coût. La partie inférieure de la gamme des ondes décimétriques, de 300 MHz à 1 GHz, semble être la plus indiquée pour les systèmes d’accès large bande en zone rurale. L’utilisation de ces fréquences, qui permet d’avoir une plus grande base d’abonnés en zone peu peuplée et de rendre l’accès large bande économiquement viable, peut accroître la portée des systèmes d’accès large bande. Compte tenu de ces conclusions, cette gamme de fréquences a fait l’objet d’une attention particulière dans le cadre du Programme d’accès à large bande en régions rurales et éloignées.

Technologies d’accès large bande par satellite

Les travaux du CRC sur l’accès large bande par satellite visaient à tenter de réduire le coût et la complexité des terminaux fonctionnant avec le nouveau satellite canadien Anik-F2 dans les bandes comprises entre 20 et 30 GHz. L’utilisation de ces hautes fréquences permet de réduire la taille des terminaux et peut être une solution avantageuse pour fournir un accès large bande aux communautés isolées, voire aux particuliers.

Un réflecteur de 45 cm à polarisation circulaire et à alimentation décalée, avec des foyers différents à 20 et 30 GHz a été conçu pour qu’il ne soit pas nécessaire d’utiliser un quadruplexeur à guide d’ondes complexe. Il respecte le gabarit de gain recommandé par le Secteur des radiocommunications de l’UIT (UIT–R) en matière de distinction entre satellites géostationnaires si la taille de l’antenne est supérieure à 70 cm.

On utilise une architecture de terminal à émission et réception directes pour que le matériel requis soit moins complexe. Des travaux ont été menés sur la miniaturisation d’un modulateur vectoriel à 30 GHz muni d’un connecteur, d’amplificateurs et d’un détecteur d’enveloppe dans un seul boîtier, afin d’améliorer le fonctionnement général et de réduire les coûts des terminaux à émission-réception directes.

Le CRC a mis au point des techniques de compensation applicables au gain de récepteur et à l’équilibrage de phases, ainsi qu’à la linéarisation de l’étage d’amplification de puissance. Un synthétiseur de fréquence a été conçu et répond aux spécifications rigoureuses des systèmes fonctionnant selon la norme ouverte DVB-RCS (radiodiffusion vidéonumérique — voie de retour par satellite). La norme DVB-RCS a été choisie afin d’utiliser la capacité disponible du satellite Anik-F2 (dans les fréquences comprises entre 20 et 30 GHz) pour le nord du Canada.

Le CRC a achevé son étude sur des protocoles novateurs de transport, de réseau et de liaison applicables à la transmission de services IP à large bande via des circuits à satellite. La capacité de transmission par satellite est optimisée grâce à l’utilisation concertée d’un élément permettant d’améliorer la liaison à la place du protocole de commande de transmission (protocole TCP) habituel afin de réduire le temps d’attente de liaison et l’attribution dynamique de la largeur de bande du satellite, tout en respectant les niveaux de qualité de service établis. Il a été constaté que le temps d’attente de service pouvait être réduit de plus de 70% et que le débit du trafic pour les utilisateurs pouvait être multiplié par cinq. Ces améliorations peuvent être intégrées soit par une mise à niveau pour passer aux terminaux DVB-RCS actuels, soit par une mise à niveau plus efficace pour passer aux futurs terminaux DVB-RCS.

	Antennes utilisées pour l’expérience Wi-Fi à 700 MHz
	Terminal d’abonné MILTON

Accès large bande hertzien dans les fréquences inférieures à 1 GHz

Des recherches sur l’utilisation des fréquences inférieures à 1 GHz pour de futurs systèmes d’accès large bande ont été menées afin d’améliorer la couverture à moindre coût. Le CRC a mis au point des prototypes d’un convertisseur de fréquences en mode duplex entre la bande des 2,4 GHz et 700 MHz. Lors d’un essai pratique avec des antennes simples fonctionnant dans les ondes décimétriques, ces prototypes ont permis de mettre en place une connectivité Wi-Fi à 5 Mbit/s sur un rayon de 5 km avec une configuration point à point sans visibilité directe à 700 MHz. On a constaté que la couverture des réseaux locaux hertziens de type 802.11 b/g fonctionnant à 700 MHz pouvait être multipliée par deux sans visibilité directe et par quatre en visibilité directe, par rapport à une utilisation à 2,4 GHz.

Le système MILTON

Le CRC a également achevé la mise au point d’un système d’accès hertzien multimédia à 5 GHz appelé MILTON (microwave‑light organized network, réseau structuré optique/hyperfréquences). Cette technologie du dernier kilomètre, qui peut être utilisée avec des réseaux à fibre optique et des réseaux gigabit Ethernet est particulièrement adaptée pour couvrir les zones à forte densité de population de communautés rurales dont l’essentiel des habitants vit dans un rayon de 1,8 km (10 km²). Ce système peut réutiliser une fréquence jusqu’à six fois grâce à une antenne centrale à 24 pétales.

A l’heure actuelle, ce système, dont la capacité maximale par abonné est de 22 Mbit/s dans le sens aller et de 3,4 Mbit/s dans le sens retour, peut desservir jusqu’à 700 foyers environ. Il comprend des terminaux d’abonnés à faible coût utilisant une technologie d’antenne imprimée à couche diélectrique double (20x20 cm, gain de 17 dBi) et une antenne centrale en forme de rosette à 24 pétales. Des fonctions radio intelligentes assurant une structure cellulaire très souple en présence de brouillage ont été ajoutées au concentrateur et aux terminaux d’utilisateurs.

Le système MILTON a été mis en place dans une banlieue d’Ottawa afin d’effectuer des essais pratiques. Un concentrateur et six terminaux sont en service depuis septembre 2004. En décembre 2004, le Gouvernement de l’Inde a choisi la technologie MILTON comme domaine essentiel de recherche pour son Centre de développement des télématiques (Center of Development of Telematics, C-DOT) et a acheté cette technologie pour procéder à des essais sur le terrain à Bangalore.

Accès large bande par radiodiffusion télévisuelle numérique

Du fait de leur grande capacité de couverture, les technologies de radiodiffusion peuvent permettre d’assurer efficacement un accès large bande en zone rurale. Par exemple, en télévision numérique, un canal de 6 MHz a une capacité large bande d’environ 20 Mbit/s pour une zone de couverture allant jusqu’à 70 km de rayon. Le CRC a examiné les trois normes techniques de télévision numérique utilisées actuellement dans le monde et a conclu qu’elles convenaient à la prise en charge d’applications large bande dans le sens aller. Le CRC a vérifié la zone de couverture sur le terrain et a confirmé qu’il était possible de l’étendre et de lui donner une forme voulue en utilisant des répéteurs de canal.

On a étudié la possibilité d’utiliser la norme DTV-ATSC dans le sens aller et la norme DVB-RCT dans le sens retour afin de fournir des services de données bidirectionnels à haut débit pour l’accès large bande. La DTV-ATSC est la norme de télévision numérique mise au point par le Comité des systèmes de télévision évolués (ATSC) aux Etats-Unis. En Europe, le Projet de diffusion vidéonumérique a adopté la norme DVB-RCT (voie de retour de Terre).

On procède actuellement à l’amélioration d’une station d’émission expérimentale de télévision numérique dans la région d’Ottawa afin de tester grandeur nature ce service bidirectionnel. Les chercheurs ont montré qu’il était possible d’encapsuler des données IP dans le flux de transport de télévision numérique, en utilisant un serveur de données de haute capacité intégrant des applications multimédias et un prototype de récepteur IP à prix réduit. Une passerelle permettant de relier le récepteur IP de télévision numérique Wi-Fi est également en cours de mise au point.

Au Canada comme ailleurs, le passage de la télévision analogique traditionnelle à la télévision numérique permet d’utiliser plus efficacement les bandes attribuées à la radiodiffusion télévisuelle et de réserver le spectre disponible pour d’autres applications, comme l’accès large bande. On pourrait utiliser des réseaux de transmission répartie à émetteurs synchronisés fonctionnant dans un seul canal pour prendre en charge les mêmes programmes de télévision sur de grandes zones. Des études de planification de réseaux ont été effectuées à partir du réseau TV Ontario, afin d’évaluer la possibilité d’appliquer le concept de transmission répartie à grande échelle. TV Ontario utilise des canaux différents pour diffuser un même programme dans l’ensemble de la province. Son réseau est composé d’émetteurs à grande et moyenne puissance et d’un grand nombre de convertisseurs de fréquences à faible puissance répartis sur l’ensemble du territoire. Il s’est avéré que dans des zones à faible encombrement, on pouvait utiliser des canaux communs en ayant recours à des groupes de convertisseurs à faible puissance en exploitation monofréquence.

Utiliser ces technologies dans le monde entier

L’utilisation des fréquences comprises entre 20 et 30 GHz pour l’accès large bande par satellite permet d’avoir recours à de petits terminaux potentiellement bon marché qui peuvent faciliter la fourniture de services dans n’importe quelle zone isolée couverte par un satellite. Toutefois, cette utilisation sera limitée à des régions du monde connaissant de faibles précipitations, car l’affaiblissement du signal dû à la pluie a tendance à être très important. Le système MILTON est intéressant pour les zones peuplées ne disposant d’aucune infrastructure filaire.

L’utilisation de la partie inférieure de la gamme des ondes décimétriques pour l’accès large bande hertzien devrait intéresser tous les pays du monde, en particulier les pays en développement où ces ondes sont peu utilisées. Pour ce qui est du passage de l’analogique au numérique dans le domaine de la radiodiffusion télévisuelle, les radiodiffuseurs devraient profiter des capacités de transmission de données des nouveaux systèmes de télévision numérique pour fournir des services de données comme l’accès large bande, dans la mesure où l’on trouve des moyens d’assurer la voie de retour.

Gérald Chouinard, Directeur du Programme d’accès à large bande en régions rurales et éloignées Centre de recherches sur les communications du Canada

Avec l’élaboration de nouvelles normes, comme la norme IEEE 802.22 relative aux réseaux régionaux hertziens, une technologie d’accès large bande à coût réduit pourrait être disponible et utilisable dans des bandes attribuées à la radiodiffusion télévisuelle dans le monde entier. Cette technologie comprendra des éléments radio intelligents qui permettront de détecter des signaux de radiodiffusion télévisuelle dans la zone et d’éviter des brouillages potentiels en affectant automatiquement un canal de télévision inutilisé. Elle pourrait avoir une incidence considérable sur les efforts des grands pays en développement pour instaurer l’accès large bande. Bien qu’elle soit plus adaptée à des zones rurales peu peuplées, cette technologie pourrait également être une solution économique dans des zones plus peuplées où certaines fréquences attribuées à la radiodiffusion télévisuelle ne sont toujours pas utilisées.