Femtocell

Dans le monde des télécom mobile, une femtocell ou Femtocellule (de femto - préfixe soulignant la très faible taille -, et cellule), appelée aussi « HNB » (Home Node B) ou « HeNB » (Home eNode B) dans les normes 3GPP, est un élément de base d'un réseau cellulaire de téléphonie mobile, de faible puissance, prévu pour offrir une couverture radio limitée et souvent dédiée à un usage résidentiel ou en entreprise.

Elle se connecte au réseau de l’opérateur de téléphonie mobile via une connexion Internet haut débit (par un routeur câble ou ADSL, etc.) et peut, selon les modèles, supporter 4 à 8 communications ou accès internet simultanés (voix ou données).

Utilisations

Réseau 3G UMTS incluant les femtocells (HNB dans le dessin).

En pratique, cette femtocell peut être localisée dans ou à coté des Box des abonnés à internet.

Elle permet dans ce cas de faire converger les réseaux fixe et mobile pour, par exemple :

• améliorer la couverture indoor des réseaux de téléphonie mobile et utiliser son téléphone cellulaire à domicile, via une ligne fixe (voir VOIP).
• la continuité de la liaison à internet si la ligne ADSL est défaillante, en passant par le réseau 3G.

Certains opérateurs peuvent proposer des adaptateurs femtocell en tant que module additionnel intégré dans un logement PC-Card du routeur ADSL (ou fibre optique) ou dans une clé USB connectée au routeur. Des modèles existent qui établissent la liaison Internet via le réseau WiFi local, mais les solutions les plus simples à mettre en œuvre sont constituées d'un boitier antenne séparé connecté au routeur par un câble Ethernet (RJ45).

Les boitiers femtocell sont généralement accessibles par les téléphones mobiles en 3G (UMTS en Europe, CDMA aux États-Unis, WCDMA en Chine), et maintenant 3G+ (HSDPA par exemple), mais généralement pas en 2G (GSM, GPRS) ni encore par les réseaux 4G (LTE et WiMAX), sauf dans des pays ou régions où l’accès 3G n’est pas très développé (ou encore indisponible) et où les terminaux proposés par les opérateurs mobiles ne supportent que les réseaux 2G (dans ce cas, on parle généralement de Picocell).

En 2012, 33 % du trafic mobile total de données passait par des hotspot femtocell ou WiFi, d'après Cisco. En particulier, les initiatives de réseaux communautaires ont échoué au profit des sociétés opératrices.

Installation

La femtocell est prête à l'emploi et ne nécessite ni d'installations spécifiques ni de connaissances techniques : n'importe quel usager peut donc l'installer chez soi.

Habituellement, l'utilisateur doit déclarer les numéros des téléphones autorisés à se connecter au femtocell, généralement via l'interface web fournie par l'opérateur. Cela fait, à chaque fois que les téléphones mobiles se trouvent dans la zone de couverture du femtocell, ils passent automatiquement du macro-cellulaire (réseau extérieur) au femtocell. De même, lorsque l'utilisateur quitte la zone de couverture du femtocell, son téléphone retrouve progressivement et sans coupure le réseau macro-cellulaire.

Une fois installé dans un lieu dédié, la plupart des femtocells disposent d'un mécanisme de protection qui avertit l'opérateur de tout changement de localisation. Il appartient à ces mêmes opérateurs de donner ou non la possibilité à une femtocell de fonctionner dans plusieurs endroits différents. Les changements de lieux sont cependant impossibles au niveau international, la femtocell transmettant des fréquences agréées qui appartiennent aux opérateurs réseaux des différents pays.

Bénéfices

Les principaux bénéfices pour l'usager sont les suivants :

• une couverture optimale dans des zones où le signal de l'antenne-relais est faible ou inexistant.
• une diminution du rayonnement électromagnétique (en émission) du téléphone car l'antenne de la femtocell est beaucoup plus proche, surtout si le signal reçu de l'antenne-relais (Node B ou eNode B) est faible.
• une augmentation de l'autonomie de sa batterie grâce au plus faible niveau d'émission du téléphone mobile.
• une plus grande capacité data mobile, importante pour les usagers qui utilisent l'accès internet sur leur téléphone ou smartphone (moins pour la plupart des abonnés qui utilisent aussi le réseau Wi-Fi là où la femtocell est installée).
• selon les différentes politiques tarifaires des opérateurs, des tarifications spéciales peuvent être appliquées pour les appels effectués via le réseau femtocell.
• pour les entreprises, l'utilisation d'une femtocell à la place d'un téléphone DECT ou Wifi leur permet de disposer d'un téléphone mobile unique (et donc d'une liste de contact unique, etc.)

Inconvénients

Les principaux inconvénients pour un usager sont les suivants :

• Un rayonnement électromagnétique (émetteur) supplémentaire dans un environnement domestique qui s'ajoute aux éventuels dispositifs et réseaux existants (ex: GSM, Wi-Fi, DECT, Airwave, etc...) générant une pollution électromagnétique HF additionnelle dans une habitation.
• De plus grand risques concernant la confidentialité des communications privées, mais toutefois plus faibles qu'en Wi-Fi grâce à l'identification permise par la carte SIM.
• L'absence de contrôle du dispositif (pas d'interface web, pas de visibilité de l'activité de l'appareil en dehors de quelques diodes, pas ou peu de boutons) par l'usager, dès lors qu'il est installé
• Risques d'interférences électromagnétiques avec les dispositifs de communication numérique déjà existants
• Localisation géographique (géolocalisation) immédiate facilitée de l'usager
• La consommation électrique est à la charge du foyer ou de la société

Limitations et difficultés techniques

Les normes de réseau mobile diffèrent également entre les pays et selon les plans de fréquences dont disposent les opérateurs : en effet, le risque existe qu’un point d’accès femtocell entre en concurrence et produise des interférences avec les points d’accès publics de l’opérateur mobile, au delà du seul domicile de l’utilisateur approuvé. De plus ils sont souvent limités par la bande de fréquence qu’ils utilisent. La configuration interne de l’adaptateur est aussi spécifique au réseau mobile pour lequel il a été conçu, les premiers adaptateurs vendus par les opérateurs mobiles ne supportant pas la portabilité vers d’autres opérateurs mobiles.

Différentes solutions sont envisagées pour réduire ou prévenir les risques d'interférence avec les réseaux publics, de même que différents scénarios dans le cas de cohabitation avec d’autres moyens d’accès à la téléphonie mobile (notamment en WiFi pour les terminaux mobiles capables d’utiliser les deux technologies du réseau mobile public et d’un accès WiFi privé). Certains opérateurs pourraient en effet disposer de plans de fréquences distincts pour le déploiement massif de points d’accès femtocell séparés des fréquences du réseau mobile, sous réserve de compatibilité des terminaux (terminaux « multibandes »).

Les premiers essais ont été faits afin d’assurer la compatibilité avec les terminaux mobiles mono-bande, donc avec partage du plan de fréquence, mais au prix d’une gestion complexe du point d’accès femtocell directement par l’opérateur mobile afin qu’il se coordonne avec les cellules d’accès du réseau mobile public. Cela impose alors que les points d’accès femtocell déployés le soient à des emplacements géographiques bien déterminés, mais aussi qui ne facilitent pas l’interopérabilité avec les opérateurs mobiles concurrents déployés dans la même zone géographique, puisque l’opérateur mobile devrait pouvoir gérer directement l’adaptateur femtocell afin de régler l’utilisation du spectre, tant en fréquences qu’en puissance émise.

Mais un autre problème sérieux apparaît car les technologies des réseaux mobiles imposent le partage du spectre de fréquence en fonction de paramètres temporels : il est nécessaire de pouvoir disposer d’horloges suffisamment précises, ce qui n’est possible que si l’accès internet sous-jacent permet de maintenir des horloges avec une précision suffisante; pour ces raisons, les adaptateurs femtocell peuvent ne pas être compatibles avec tous les fournisseurs d’accès Internet qui ne fournissent pas une telle horloge. Sur les réseaux mobiles publics classique, la précision demandée à ces horloges est voisine de 50 ns (afin de limiter l’impact des collisions qui pourraient réduire considérablement l’efficacité des algorithmes de partage de spectre), alors que nombre d’accès Internet ne permettent pas de maintenir une précision à moins de 250 ns.

Pour éviter de tels problèmes, les opérateurs de réseaux mobiles travaillent avec les fournisseurs d’accès Internet afin que ceux-ci puissent intégrer dans leur réseau des références de temps fiables autrement que par les services Internet NTP avec des temps de réponse instables et non garantis. De même il est nécessaire que les fournisseurs d’accès Internet mettent en place un plan de qualité de service (QoS) dans leur routeurs afin de gérer les priorités et garantir les fonctionnalités nécessaires à l’exploitation d’un réseau d’accès mobile partagé par de nombreux terminaux dans le même voisinage que les micro-cellules femtocell.

La technologie femtocell étant encore au stade d’expérimentations restreintes à certains opérateurs (même si elles sont déjà commercialisées), sans possibilité d’interopérabilité, les travaux permettant leur convergence réelle sont en cours et feront l’objet de normalisations futures.

En raison de la limitation de la bande passante Internet utilisable par les adaptateurs femtocell, et de contraintes sur le tunnel virtuel sécurisé établi sur la liaison Internet vers le réseau de l’opérateur mobile, il n’est normalement pas possible à tous les téléphones mobiles dans le voisinage d’utiliser l’accès femtocell sans une association préalable des mobiles autorisés (identifiés par les clés contenues dans leur carte SIM, comme l'IMSI).

La facturation du service est faite par l’opérateur du réseau mobile, sur la facture relative au téléphone mobile utilisé, généralement au même prix que pour l’accès au réseau public de l’opérateur mobile. Aucuns frais supplémentaires ne sont ajoutés par le fournisseur d’accès Internet (qui ne fait que véhiculer une session sécurisée), mais des restrictions de configuration du routeur d’accès Internet peuvent empêcher l’adaptateur femtocell de fonctionner et de se connecter correctement via Internet au réseau de l’opérateur mobile.

Pour des raisons de sécurité ou pour des raisons légales, l’adaptateur femtocell utilisé peut être restreint à une utilisation depuis un emplacement géographique fixe, l’opérateur interdisant alors de connecter l’adaptateur femtocell depuis une autre adresse que le domicile.

Cependant, l’utilisation d’adaptateurs femtocell peut être réalisée dans le cadre de réseaux privés dans les entreprises afin de ne pas utiliser le réseau itinérant des opérateurs mobiles. Une telle configuration nécessite des terminaux mobiles contenant une carte SIM dédiée à l’utilisation dans ce réseau privé, les communications étant alors acheminées et facturées dans le cadre d’offres d’accès « convergents » prenant en compte la totalité des besoins de communications de voix et de données. Un tel réseau privé permet alors de remplacer les téléphones fixes avec les mêmes avantages que ceux offerts par les PABX traditionnels.

Constructeurs

• NEC avait été choisi par SFR en 2008 pour fabriquer la première génération de « SFR Femto ».
• Ubiquisys associé à NSN pour les « Femto-Gateways », fournit en 2012 la troisième génération des boîtiers Femto de SFR.
• Le constructeur français Bewan (groupe Pace) propose aussi des iBox FemtoCell.
• Alcatel-Lucent fournit Bouygues Telecom et Orange en adaptateurs Femtocell 3G.
• Le fabricant taïwanais Arcadyan est pressenti pour fournir les futurs adaptateurs Femto de Free Mobile.

Voir aussi

Articles connexes

• Téléphonie mobile
• Réseau de téléphonie mobile
• Antenne-relais de téléphonie mobile
• Base Transceiver Station (BTS)
• eNode B
• Wi-Fi
• Liste des sigles de la téléphonie mobile

Liens externes

• « Comment ça marche », page d’informations sur le boitier adaptateur SFR Home 3G (compatible femtocell) proposé par SFR pour les clients particuliers en France (permet jusqu’à 5 connexions voix ou données simultanées).
• « Femtocell : Free veut pousser la création de mini-réseaux 3G avec sa Freebox », article de IT espresso sur le déploiement par Free (nouvel opérateur mobile) en France (12 janvier 2012).