Prédiction de couverture de champ radioélectriquepour les réseaux radiomobiles :

L’apport du Système d’Information Géographique ArcInfo 8

Christine TURCK1 * et **, Christiane WEBER**, Dominique THOME*

** Laboratoire Image et Ville, Faculté de Géographie, Université Louis Pasteur, 3, ruede l’Argonne, 67000 Strasbourg.* FTR&D/DMR/Laboratoire OIP, 6, avenue des usines, BP 382, 90007 Belfort.

1 - Contexte:

Le développement des réseaux cellulaires en Télécommunication ces dernières annéesnécessite de la part des opérateurs de Télécommunication une prise en compte de plus en plusfine de la réalité du milieu de propagation des ondes radioélectriques. Il y a encore peu detemps les cartes topographiques, combinées à des photographies aériennes, suffisaient pourdéployer un réseau cellulaire. Mais la localisation des antennes n’était pas optimale, la qualitédes transmissions non plus ce qui entraînait le mécontentement des abonnés.Ces cinq dernières années, de grandes avancées ont été effectuées en matière d’acquisition etde traitement des données géographiques, notamment grâce aux progrès dans la Télédétectionaérienne et spatiale (Images Haute Résolution) et de la Géomatique.

La demande en communications radiomobiles étant surtout concentrée en milieux urbanisés,la localisation des antennes devient plus complexe du fait de l’influence des formes urbaineset des types d’occupation du sol associés.

L’importance des éléments géographiques, leur nature, leur agencement, ainsi que le rôle duniveau d’observation qui leur est associé, est déterminante pour une utilisation optimum desmodèles de propagation radioélectrique, c’est-à-dire conciliant la précision des donnéesgéographiques, les traitements et le coût de ces opérations.

L’analyse spatiale et l’intégration possible de données pertinentes dans ce contexte au sein duSIG ArcInfo 8 a permis d’appréhender l’influence des données géographiques sur laréalisation des modèles de propagation en ce qui concerne l’occupation du sol (échelle,qualité, typologie, nature des éléments…) et d’identifier les algorithmes de calcul de lacouverture de champ radioélectrique les plus adaptés à une optimisation des traitements.

1 Christine TURCK est doctorante en Science de l'Information Géographique au sein du Laboratoire Image etVille de Strasbourg. Intitulé de sa Thèse (débutée en octobre 2000) : "Prédiction de couverture de champradioélectrique pour les réseaux radiomobiles: l’apport des Systèmes d’Information Géographique. Applicationen milieu urbain", sous la direction de Christiane Weber.

D'un point de vue géographique différents niveaux d'analyse ont été pris en comptepour la réalisation du projet ArcInfo - Modèle de propagation d'ondes :

- L'environnement "multi-trajets" du point de vue de la propagation du signal radio:

Les trajets multiples sont causés par les obstacles rencontrés par l’onde émise. En fonction dela nature de l’impact, l’onde subit des phénomènes de diffraction, de diffusion, de réflexionou de transmission.

Réflex

transmis

Diffraction

Diffus

Diffraction

Environnement multi-trajets

- Les cellules du réseau radiomobiles :

Un autre facteur important à prendre en compte du point de vue est la taille et la forme descellules du réseau.Le réseau radiomobile est divisé en petites zones de couverture radio aux centre desquellessont implantées les émetteurs (antennes relais). Ces zones ont la forme de cellules en nidd'abeille, dont la taille varie en fonction du trafic, du type d'antennes et du milieugéographique.

- La na

La propmilieu udu bâtidifférenDans lepour leles suivmontag

Macro cellulePetite cellule

Micro cellule

Pico cellule

Taille des cellules du réseauradiomobile

Cellules en nid d’abeille

ture du milieu géogra

agation des ondes varrbain dense par exemp

et de la végétation. Dts selon le type de mili SIG ArcInfo, le type d calcul de la couvertureants : milieu urbain

neux et zones côtières.

Avantage du SIG: Possibilité d’utiliser le multi-échelle.

phique :

ie considérablement selon le type de milieu géographique. Enle les ondes radio vont être fortement atténuées par la présencee ce fait, FTR&D a développé toute une série de modèles

eu géographique en présence. 'environnement a donc été inclus comme critère incontournable radio. Les environnements géographiques pris en compte sontdense, milieu urbain, milieu suburbain, milieu rural, milieu

- Les bases de données utilisées:

Les modèles de propagation développés à FTR&D utilisent en entrée différents types de basede données. Elles sont principalement de deux types : des bases de données radio et des basesde données géographiques.

° Les bases de données Géographiques : Les modèles de propagation sont fortement liés aux données géographiques. Prenons unexemple concret : un modèle de propagation urbain-périurbain utilisera des BD Géocomportant l’altitude au sol, la hauteur du sursol (bâti, végétation, etc.), le type d’occupationdu sol, ainsi que l'emprise des bâtiments dans l'espace.D’un point de vue géographique, cela correspond à:- un Modèle Numérique de Terrain (MNT), qui contient l’altitude Z.- un Modèle Numérique de Surface (MNS), qui contient la hauteur du sursol (ZH pour lebâti, ZHb pour le bois, etc..- un Clutter, qui correspond à une image raster comportant les différents types d’occupationdu sol, le nombre de thème pris en compte pouvant varier.- le Contour de Base du bâti et de la végétation (vectoriel).Les besoins en BD Géo pour ce modèle de propagation urbain-périurbain correspondent doncà ces quatre types de fichiers, en format raster et vectoriel, avec une résolution de 25 à 1 mètreet une précision de l’ordre du mètre.

Modèle Numérique de Terrain

Modèle Numérique de Surface

Carte d’occupation du sol Clutter 5 thèmes

Sources des données géographiques ci-jointes: IGN, 1994, format de stockage ASCII. formatpropriétaire FTR&D. Visualisation sous ArcMap 8 et ArcScene 8.

Les Contours de Base :Bâti et végétation (bois)

° Les bases de données radio : Elles sont composées de données sur les antennes (types d'antennes, localisation, diagrammesd'antennes, etc.), de données sur le trafic radio, de données sur la couverture radio(affaiblissement du signal, couverture de champ, etc.), ainsi que des mesures de terrain(campagnes de mesures de champ sur le terrain).

2 – Problématique :

Les problèmes actuels de la modélisation radioélectrique :Face à l’augmentation très importante du trafic radiomobile, les unités d’exploitation desréseaux radiomobiles Orange doivent accroître la capacité du réseau. Ceci s’opère entre autrespar une densification et donc un re-calcul de la couverture radioélectrique du réseau avec unebonne précision. Ces coûts trop importants en temps de calcul sont en particulier dus àl’utilisation de données géographiques précises ce qui induit un problème essentiel : trouverun compromis acceptable entre la précision de la prédiction et la précision des donnéesgéographiques et des algorithmes associés.

La problématique de cette thèse de doctorat est de rechercher de nouvelles approchesalgorithmiques du calcul de couverture de champ radioélectrique sur des secteursgéographiques autour des émetteurs et non en mode point à point réalisé actuellement.

Cependant pour répondre à ces besoins, un approfondissement des apports de l’analysespatiale et des SIG est nécessaire. Ce domaine relativement peu développé s’appuie sur descomplémentarités nouvelles, qui ne peuvent que s’accroître aux vues du développement destechnologies sans fil (DECT, WAP, PAD, UMTS,…).

Les apports d’une analyse spatiale sous ArcInfo 8 :Trois domaines articulant SIG et Radiocommunications gagnent actuellement en importance :• La modélisation du réseau (trafic et propagation du signal) : elle permet de générer les

caractéristiques de fréquences (trafic et couverture de champ) et de propagation pour desmodèles cellulaires.

Des données géographiques précises et à jour sont nécessaires tels les Modèles Numériquesde Terrain et de Surface, les Classifications d’occupation du sol, les Contours de Basevectoriels (bâti et végétation), et les éléments linéaires (réseaux routiers, etc.).• La sélection des sites (dimensionnement des antennes) : de nombreux critères sont pris

en compte pour sélectionner la localisation des antennes relais. Des informations enstructure vectorielle ou raster telles que les limites administratives, les obstructionsverticales, les types d’occupation du sol…doivent être intégrées.

• La visualisation : la possibilité offerte de visualiser les réseaux en 2D, 3D et 4D estactuellement une ouverture en matière de complémentarité entre SIG etTélécommunications.

- Le SIG développé dans le cadre de la thèse :

Source : Christine TURCK, juin 2002.Laboratoire Image et Ville, Strasbourg.

Les différents composants du SIG ArcInfo 8- Radio :

3 – Les résultats :

Les résultats radio obtenus sous ArcInfo 8 :- Diagrammes d’antenne- Calcul de couvertures

- Analyse de trafic- Profil de visibilité

Diagramme d’antennes

Modèle de propagation Urbain-Périurbain sous ArcInfo 8 :Calcul de couvertures radio

Utilisation des données MNT (résolution 50m), MNS (résolution 25m), et Clutter (14 classes)

Zone de calcul maillé à 1mètre autour d’une station fictive(région de Strasbourg) avec une antenne 3D

Modèle de propagation de HATA en 3D sous ArcScene

Carte de Trafic sous ArcMap

L'affaiblissement radioélectrique peut également être représenté en mode profil.ArcInfo 8 dispose d'une fonction sous 3D Analyst, qui permet d'obtenir automatiquement leprofil de visibilité d'une grille. En rajoutant une couche d'information comportant la positionde l'antenne et du mobile et en interfacant le calcul de propagation avec cette option, on peutalors visualiser l'affaiblissement radio en mode profil.

Le Profil de visibilité

E

M

sol réel (relief)

LRTSELMSD LRTSM

4 – Conclusion :

L'application développée sous le SIG ArcInfo 8 s'est avérée d'un grand intérêt pour FranceTélécom Recherche et Développement dans le cadre de ses recherches en propagation dusignal radio.

On peut résumer l'intérêt du SIG dans cette application, en cinq points essentiels:

1. Un outil de traitement d'images :

ArcInfo 8 interfacé avec le logiciel ER-Mapper a permis de faire de la classification d'imagessatellites, afin de constituer des cartes caractérisant le type de milieu géographique, puis de lesréutiliser dans les modèles de propagation.

2. Un outil de géotraitement :

Parmi les nombreux traitements proposés en standards dans ArcInfo 8, les calculs de "cheminle plus court", les overlays, etc. ont été très utiles pour la comparaison des résultats des calculsavec les mesures de terrain, et la constitution de rapports statistiques.

3. Un outil d'ingénierie télécom :

Le SIG a été customisé, afin d'être une véritable plate-forme de calcul radio : En interfacantArcInfo 8 avec le logiciel Visual C++, les modèles de propagation s'exécutent directementdepuis ArcInfo et les résultats (couvertures de champ, profil, diagrammes d'antennes, rapportsstatistiques, etc.) s'affichent directement sous ArcMap et ArcScene.

4. Un outil d'aide à la décision :

Les traitements effectués sous le SIG permettent de définir l'emplacement optimal desantennes relais (le dimensionnement).Le dimensionnement des relais s'effectue grâce aux données radioélectriques (couverture,trafic, type d'antennes, etc.) mais également en fonction de données socio-économiquespouvant être facilement intégrées dans le SIG : les coûts financiers selon le site géographique,le nombre d'abonnés par zones, les dispositions juridiques spécifiques quand à l'implantationd'antennes selon les zones (les bâtiments à proximité desquels les relais ne peuvents'implanter, comme par exemple les écoles ou les hôpitaux).

5. Un outil de visualisation et de cartographie :

ArcInfo 8 permet de cartographier les résultats des modèles de propagation et ceci aussi bienen 2D qu'en 3D.Les imports/exports des données sous de nombreux formats sont facilités grâce à ArcToolbox.