Une Femtocell est réalisée grâce à un point d’accès sans fil utilisant une technologie provenant des réseaux de mobiles, c’est-à-dire 2G, 3G ou 4G. La technologie Femtocell n’est pas complètement nouvelle. Elle a été imaginée par des équipementiers de télécommunications vers 2002.
Une Femtocell est réalisée grâce à un point d’accès sans fil utilisant une technologie provenant des réseaux de mobiles, c’est-à-dire 2G, 3G ou 4G. Aujourd’hui les points d’accès sont de type WiFi et l’objectif de la technologie Femtocell est de compléter le Wi-Fi pour des applications orientées télécom comme la parole téléphonique. Femtocell est donc synonyme aujourd’hui d’une cellule dans le réseau d’un domicile ou d’une petite entreprise de type UMTS. L’antenne UMTS est donc intégrée dans l’Internet-box et se voit comme un complément à la connexion sur un réseau de mobile classique. Cette technologie permet à un opérateur de mobiles d’avoir une continuité dans le domicile ou dans l’entreprise et de décharger le réseau de base lorsque le client se trouve chez lui ou dans l’entreprise. Une fonction de base est réalisée par le handover sans coupure d’une communication sur le réseau de mobiles à une continuité de la communication sur l’antenne de la Femtocell. Le flux de donnée transite alors par l’Internet-Box et le fournisseur de service Internet plutôt que par le réseau d’accès radio (RAN : Radio Access Network).
Une installation de Femtocell est décrite à la figure 1. Dans cette figure un terminal mobile connecté sur une antenne 3G (Node B) et se déplaçant vers le réseau de domicile va effectuer un changement intercellulaire (handover), pour se retrouver connecté sur l’antenne personnelle de l’Internet-Box.
Figure 1 – Un environnement de réseau de type Femtocell
Il sera difficile à une technologie 3G de s’installer dans les équipements de la maison et de l’électronique grand public. La capacité de communication est également assez différente : les débits du Wi-Fi atteignent plusieurs dizaines de mégabits par seconde tandis que la Femtocell quelques mégabits par seconde. Cependant, la qualité de service est meilleure sur la Femtocell comparée au Wi-Fi qui reste une technologie basée sur le CSMA/CA beaucoup plus aléatoire. Dans quelques années avec les Femtocells 4G la problématique sera assez différente puisque les capacités des Femtocells seront potentiellement supérieures à la cinquantaine de mégabits par seconde. La qualité de service étant desservie par des techniques d’accès de type SOFDMA, la concurrence va s’accroitre avec le Wi-Fi même si le WiFi 802.11vht devrait atteindre des crêtes à 400 Mbit/s. La surcapacité du Wi-Fi permettra d’atteindre une excellente qualité de service qui sera équivalente à la qualité de service d’une Femtocell avec un peu moins de débit. L’avantage de la Femtocell est celui de prolonger d’une façon relativement simple le réseau national des opérateurs de mobiles en conservant la même technologie mais avec la question fondamentale du déploiement de codeurs 4G sur les équipements du domicile, de l’électronique grand public et bien sûr des équipements informatiques.
On peut voir la Femtocell comme un complément au Wi-Fi. En effet, les applications synchrones comme la parole téléphonique, la vidéo à la demande, etc. seront bien prises en compte par les techniques télécom alors que les haut volumes de type Best Effort sont parfaitement intégrés dans le Wi-Fi. On pourrait donc très bien intégrer dans la même Internet-Box une antenne Wi-Fi et une station de base Femtocell. Les applications avec fortes contraintes passeront par la Femtocell et les applications élastiques par le WiFi. Les technologies permettant d’optimiser le transport des applications proviennent des accès multi-technologies et du multi-homing. Dans le premier cas la communication peut transiter par l’intermédiaire d’une des technologies disponibles sur l’équipement, Wi-Fi, UMTS, WiMAX, etc. Dans le second cas, plusieurs flots de paquets peuvent être transmis simultanément correspondant soit à plusieurs applications différentes soit à la même application dans laquelle les paquets ont été divisés et forment plusieurs flots. Cette dernière solution permet d’augmenter le débit d’une application. La figure 2 décrit l’environnement dans lequel le multi-technologie et le multihoming seront utilisés.
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Figure 2 – Multi-technologie et multihoming
Examinons maintenant quelques unes des difficultés des Femtocells. Tout d’abord la gestion des fréquences. Il faut nécessairement un plan de fréquence même si la puissance de chaque Femtocell est faible et peut recouvrir un domicile sans trop déborder. Il faut noter qu’il y a déjà la couverture de l’opérateur du réseau de mobiles par les antennes situées sur les toits, les édifices publics ou des pylônes sur les points hauts. Il faut donc trouver une fréquence disponible différente de la cellule ou des cellules qui couvrent le domicile. D’autre part, si les Femtocells se démultiplient, il faudra faire attention aux recouvrements avec les fréquences des voisins qui engendreront de fortes atténuations du signal qui limiteront assez drastiquement les débits. L’optimum serait que les opérateurs puissent réaliser un plan de fréquences tenant compte des Femtocell. Ils doivent donc avoir une idée précise de l’emplacement des domiciles des clients voire la place exacte dans le domicile de l’antenne. Deuxième difficulté, le passage des flots 2G, 3G ou 4G dans l’Internet-Box et donc dans par le canal du fournisseur de service Internet. La Box doit récupérer une trame télécom pour la transformer en une trame IP. Enfin, il faut que le service soit attractif aux clients. Pour cela, le client habitué à une certaine gratuité des communications en dehors de l’abonnement à la Box n’acceptera pas de revenir en arrière sur ce point. Il faut donc que les communications sur la Femtocell restent gratuites. La continuité de service en passant du réseau de mobiles à la Femtocell est en fait déjà réalisée sur un assemblage WiFi GSM avec des offres de type Unik.
Il est à noter que la loi interdit le changement de tarification en cours de communication : si la communication démarre gratuitement, elle sera gratuite pendant toute la communication La tentation des opérateurs sera d’empêcher les communications gratuites au démarrage pour que le coût reste à un tarif certes bas mais rentable pour l’opérateur.
Une normalisation des Femtocells aiderait certainement cette solution à se démocratiser. L’organisme qui a fait le plus d’effort là-dessus est le 3GPP qui à partir de 2008 a étudié les différentes possibilités de Femtocell. Trois grandes catégories ont été comparées : « Cellule base station », « Collapsed stack » et UMA/GAN. La première rassemble les techniques décrites plus haut avec de petites cellules de l’opérateur de mobiles (les picocells). Si l’antenne est de type UMTS, le terminal est connecté en CDMA et l’Internet-Box intègre un Node-B (accès antenne de l’UMTS). Le Node-B est raccordé au contrôleur de Node-B (RNC) par l’intermédiaire de la connexion du fournisseur de service Internet. Il y a donc une encapsulation de la trame de l’Interface de l’accès radio dans la trame Ethernet (voire ATM) de l’ISP. Cette solution pourrait être viable si les contrôleurs n’avaient pas été dimensionnés pour connecter un petit nombre de gros Node-B et non un très grand nombre de petits Node-B. Cette solution n’a pas été retenue.
La deuxième architecture, « Collapse stack », se propose de mettre dans l’Internet-Box non seulement la station de base mais également le contrôleur voire même le MSC/GSN, c’est-à-dire l’équipement d’accès dans le réseau cœur. Cette solution permet de gérer toutes les fonctionnalités localement et non plus à distance. En particulier, l’authentification de l’utilisateur doit se faire localement ainsi que les fonctions de gestion et de contrôle. Cette solution permet de passer à l’échelle sans difficulté mais accroit le coût de l’Internet-Box qui contient un point d’accès de type station de base.
Enfin la troisième solution est une variante de la précédente avec l’utilisation de la technique UMA (Unlicensed Mobile Access) déjà utilisée dans les réseaux Wi-Fi qui transporte la parole téléphonique en encapsulant une trame télécom, celle du GSM par exemple ou de l’UMTS. Unik d’Orange utilise cette solution. Dans le cadre de la Femtocell cela donne une technique appelée UMA/GAN qui est la précédente avec une intégration de la solution UMA dans l’Internet-Box. Le réseau de l’ISP transporte alors des trames UMA dans ses paquets IP et émule un transport 2G ou 3G.
Pour la 4G, la solution sera certainement beaucoup plus simple puisque le réseau télécom devient IP et donc s’intégrera simplement au réseau IP de l’ISP. Les protocoles et les fonctions que l’on trouve dans le monde IP seront donc disponibles de façon native. En particulier le protocole SIP permettra de se connecter à tous les terminaux via les standards de l’IMS (IP Multimedia Sub-system).
Les tests et les premiers déploiements sont en cours. On trouve des opérateurs comme Sprint et Vodafone ainsi qu’en France SFR. Il faudra encore attendre une année avant la fin de test en vrai grandeur vraiment significatif.
En conclusion, les Femtocells forment des solutions complémentaires aux cellules Wi-Fi pour transporter les applications synchrones sans difficultés comme la parole téléphonique. Reste à voir l’apparition d’équipements du domicile avec un équivalent de la norme DLNA mais avec une interface 4G au lieu de WiFi) adaptés aux Femtocells, ce qui est loin d’être évident.
