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Les solutions sans fil GPRS

pour la surveillance et le contrôle des installations

dans le domaine de l’eau et de l’environnement

(par Mike HOGG - MIRI TECHNOLOGIES)

Le General Packet Radio Service ou GPRS est une norme pour la téléphonie mobile dérivée du GSM. On le qualifie le plus souvent de 2,5G, en ce sens que c’est une technologie à mi-chemin entre le GSM (2ème génération) et l’UMTS (3ème génération). Le débit de données est plus élevé que le GSM car le GPRS exploite les canaux TDMA inutilisés du réseau GSM. La maturité du GPRS lui permet de se positionner comme support de communication pour le contrôle à distance des infrastructures telles que les pipelines, les barrages ou les stations de pompage, là où les mesures de débit et de pression sont nécessaires sur de longues distances.

Le GPRS est différent du GSM qui utilise un système de connexion par commutation de circuits. Celui-ci consiste à réserver à la connexion et en continu un canal radio qu’il y ait des données à transmettre ou pas et cela pendant toute la durée de la connexion. Le GPRS est pour sa part basé sur la commutation par paquets qui permet à plusieurs utilisateurs de se servir du même canal de communication en n'occupant ce dernier que lorsqu’il y a des données à transmettre. La totalité de la bande passante disponible peut donc être immédiatement affectée aux utilisateurs qui émettent effectivement à un instant donné, optimisant ainsi le fonctionnement quand l’émission ou la réception des données est intermittente. Surfer sur le web, recevoir des mails dès qu’ils se présentent grâce à des services de messagerie instantanée, sont des exemples d’utilisation qui requièrent un transfert intermittent de données, transfert qui bénéficie du partage de la bande passante disponible. La centralisation de l’acquisition de données d’équipements distants répartis pour les applications de distribution d’eau en tire tout le bénéfice lorsque les données historisées sont consultées et récupérées périodiquement (une fois par heure par exemple) pour analyse. Par la transmission de messages événementiels adaptés, les alarmes critiques et conditions associées peuvent être transmises en dehors de la récupération périodique des données historisées.

Cette souplesse ne peut être exploitée que si l'automate de télégestion (RTU) et le logiciel d'acquisition (IHM, DCS, superviseur) sont capables de gérer de telles données. Le logiciel de supervision TOPKAPI édité par AREAL est l'un des logiciels connu pour s'interfacer parfaitement avec l'automate de télégestion AD2000 doté de connexion sans fil fabriqué par MIRI. Des économies importantes sur la conception et la mise en oeuvre sont obtenues en choisissant des produits conçus pour et éprouvés avec la technologie GPRS.

Généralement, en mode GPRS la facturation est réalisée en fonction du nombre de kilobits de données échangées alors que la connexion par commutation de circuits (mode GSM) est facturée à la seconde. Cette dernière traduit le fait que même pendant les périodes où il n’y a pas de transfert de données, la bande passante est indisponible pour les autres utilisateurs potentiels.

En mode GPRS, la transmission de données par commutation par paquets est réalisée en allouant la bande passante inutilisée de la cellule. Lorsque des canaux dédiés à la voix (ou aux données) sont alloués aux téléphones, la bande passante disponible pour la commutation par paquets diminue. Il en résulte que les données transmises par commutation par paquets ont un débit binaire faible pour les cellules fortement sollicitées. Le débit maximal théorique pour la transmission de données par commutation de paquets est de 160 kbits/s (en utilisant 8 « time slot (TS) » et un « coding scheme (CS) » de 4 (cas optimal de l’équipement à l’arrêt, au pied de l’antenne et seul dans le secteur couvert par l’antenne)). Le débit réaliste se situe entre 30 et 80 kbits/s, car il n’est possible d’utiliser qu’un maximum de 4 TS pour la réception. Une modification appelée EDGE de la partie radio du GPRS permet un plus grand débit de l’ordre de 160 à 236,8 kbits/s. Le débit de données maximal n’est atteint que par l’allocation de plus d’un TS dans la trame TDMA. En outre, plus le débit est élevé, plus la capacité de correction d’erreur est limitée. En général, la vitesse de transmission diminue de façon logarithmique avec l’éloignement de l’antenne. Ce n’est pas crucial dans des régions à forte densité de population avec une forte densité de cellules, mais cela peut le devenir dans les régions rurales peu habitées.

Le prix du GPRS a été positionné relativement bon marché (comparativement aux transmissions de données GSM CSD et HSCSD) par les opérateurs téléphoniques dans la plupart des pays. Les opérateurs en téléphonie mobile offrent maintenant des accès Internet à taux forfaitaires ou bien des contrats basés sur des quantités de données transmises plafonnées, habituellement aux alentours de 100 kilo-octets. Le prix moyen varie fortement en fonction des pays mais cela devient assez attractif pour la remontée périodique d’informations pour la surveillance et le contrôle d’équipements que l’on trouve habituellement dans le domaine de l’eau.

La vitesse maximale d’une connexion en mode GPRS est maintenant la même que celle d’un modem relié au réseau téléphonique analogique, de l’ordre de 4 à 5 ko/s (cela dépend de l’utilisation du téléphone). Le degré de latence (délai entre le moment où une information est émise et celui où elle est reçue) est très élevé; un aller-retour sur une commande ping est de l’ordre de 600 à 700 millisecondes et atteint parfois 1 seconde. La voix est en général prioritaire par rapport au GPRS ; ainsi la qualité de la connexion varie fortement : ces conditions critiques doivent être prises en compte lors de la conception du système avec l’utilisation d’un automate local.

Pour la mise en oeuvre d’une connexion GPRS, l’utilisateur a besoin de spécifier le nom du point d’accès (APN Access Point Name), le nom de login, le mot de passe, et très souvent une adresse IP, l’ensemble étant attribué par le fournisseur d’accès. Dans l’objectif de superviser et contrôler des équipements communicants en mode GPRS que l’on trouve traditionnellement dans le domaine de l’eau, une adresse IP fixe doit être affectée à chaque équipement afin de simplifier la mise en œuvre de l’identification de chaque équipement par la supervision.

Avantages des solutions sans fil « GPRS »

Offre des solutions de communication sur de vastes étendues (c’est-à-dire pour des équipements répartis sur des centaines de kilomètres carré où les solutions à bande passante étroite et spectre diffus ne peuvent fonctionner)

Offre une plus grande portabilité et une plus grande mobilité lorsque les utilisateurs doivent déplacer leurs équipements au sein de leurs installations

Les utilisateurs n’ont pas besoin d’investir dans des infrastructures coûteuses en érigeant des mâts et en installant des antennes.

Rapide et simple d’installation si le service « GPRS » existe sur le lieu d’implémentation

Idéal pour les systèmes où les données sont horodatées à la source et consultées périodiquement : en effet il n’est pas besoin de se préoccuper de la fiabilité de la communication en cours puisque les informations sont conservées jusqu’à la prochaine connexion réussie. Un logiciel adapté est indispensable pour gérer les données horodatées à la source et certaines solutions permettent d’intégrer ces données aux courbes de tendance sans programmation

Inconvénients des solutions sans fil « GPRS »

Un contrat d’abonnement mensuel payant est nécessaire. Le coût varie en fonction des fournisseurs et des pays

Nécessite que le fournisseur d’accès puisse proposer un réseau à base d’adresse IP fixe sur son réseau GSM

La facturation en fonction de la quantité de données échangées peut poser problème par rapport à la maîtrise des coûts puisque les variations de charge sont difficiles à prévoir et à contrôler (néanmoins l’utilisateur final peut négocier son contrat ou souscrire un contrat à coût fixe avec une quantité de données échangées illimitées)

La voix est généralement prioritaire par rapport au GPRS. La qualité de la connexion varie donc fortement si le trafic lié à la voix est important (notamment en période de vacances)

Le débit de la liaison diminue logarithmiquement avec l’éloignement de l’équipement de la cellule du réseau GSM la plus proche

L’expérience suggère que le GPRS n’est pas approprié pour des données temps réel dont la période d’échantillonnage est inférieure à 5-10 minutes pour des systèmes d’acquisition centralisée.

Rédigé par:

Michael Hogg B.Sc., CPEng., AMIEE, MIEAust

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