Les Technologies de la 5G sans fil

Sous le terme 5G il ne s’agit pas d’une technologie unique. Plusieurs technologies, travaillant de concert, stimulent son potentiel de vitesses révolutionnaires, y compris les technologies d’antenne avancées suivantes :

• Réseaux d’antennes à quatre transmissions et quatre réceptions (4T4R)
• Émetteurs à petites cellules
• Formation de faisceaux
• Transmission de données multi-utilisateurs à entrées multiples et sorties multiples (MU-MIMO)

Comprendre la 5G nécessite une appréciation de chacune de ces technologies.

Antennes 4T4R

Le concept d’antenne 4T4R dans la technologie sans fil est déjà bien établie et représente plusieurs étapes évolutives depuis les antennes “fouet” qui se voyaient sur les automobiles dans les années 1980. 4T4R s’appuie sur plusieurs antennes orientées orthogonalement les unes par rapport aux autres, ou à une certaine distance, pour fournir une décorrélation entre les signaux transportés par chaque antenne. Le 2G avait introduit le concept une transmission, une réception (1T1R), qui a ensuite conduit à des antennes à deux transmissions, deux réceptions (2T2R), et enfin à des antennes 4T4R avec 4G.

Aujourd’hui, cette technologie multi-antennes s’applique principalement aux stations de base et généralement pas aux téléphones. Alors que les antennes 4T4R sont une technologie de base à ce stade (près d’une décennie), ce concept constitue toujours l’épine dorsale de notre infrastructure sans fil.

Antennes à petites cellules pour déploiement urbain

Dans le domaine des communications sans fil, le débit de données est basé sur trois facteurs : le spectre disponible, l’efficacité des données et la densité des communications. 

La 5G utilise une large gamme du spectre électromagnétique, ce qui permet une augmentation d’efficacité d’environ 10 % par rapport à la 4G. Alors que les grandes stations de base traditionnelles fonctionnent bien dans les zones suburbaines ou rurales pour transmettre sur plusieurs kilomètres, dans les zones urbaines, des paquets d’antennes à petites cellules peuvent être utilisés pour transmettre des signaux de faible puissance sur une portée plus courte.

Avec des antennes de moins de 50 cm de haut et une puissance de sortie de l’ordre de 40 W, contrairement aux spécifications typiques d’une macro-station de base de 1 à 2 mètres/300 W, ces unités peuvent être installées en masse sans devenir une nuisance importante. 

Le résultat est que les téléphones à travers une ville peuvent se connecter à un nombre considérablement d’unités de base, qui ont l’avantage supplémentaire d’être installés près du niveau du sol, sur des lampadaires et d’autres structures existantes.

Bien que chacune soit individuellement moins chère qu’une station de base macro, de nombreuses micro-antennes doivent être installées pour une couverture suffisante. Cela présente un défi de les alimenter électriquement et sur l’infrastructure de données. Bien que très utiles dans les situations urbaines, les petites cellules ne sont généralement pas appropriées pour un déploiement rural, voire suburbain, à grande échelle.

Formation de faisceaux et MU-MIMO

Alors que le 4T4R et les petites cellules permettent des capacités de données qui auraient été incroyables il y a encore dix ans, les technologies de formation de faisceaux et MU-MIMO permettent une couverture 5G géographiquement étendue.

La formation de faisceaux utilise un réseau d’antennes pour envoyer un signal dans des directions spécifiques. Le concept est également connu sous le nom d’agencement d’antenne à réseau en phase, dans lequel un ou plusieurs signaux sont transmis à partir de chaque antenne dans des phases légèrement différentes. Alors que chaque antenne a un motif relativement large, les ondes de chaque antenne (espacées d’au moins une demi-longueur d’onde les unes des autres) sont synchronisées pour se combiner et former un seul motif avec une directivité beaucoup plus élevée.

Ce n’est pas entièrement nouveau dans la technologie cellulaire. Sprint a expérimenté la formation de faisceaux à l’ère de la 4G, et la Chine l’avait déjà tenté avec la 3G, avec un succès limité. Apprès plusieurs années de mûrissement, cette technologie MU-MIMO a entièrement été intégrée à la 5G, ce qui semble être la « vague » du futur.

La 3G et la plupart des antennes de formation de faisceaux 4G étaient limitées à huit émetteurs-récepteurs, offrant une augmentation modérée du gain, peut-être un facteur de 3. Avec la 5G, nous voyons des faisceaux MIMO massifs (M-MIMO) avec 16, 32 ou même 64 émetteurs-récepteurs. Ces antennes intègrent généralement la radio et l’antenne dans un seul boîtier, car il serait extrêmement gênant de faire passer 64 câbles de démarrage entre une antenne et la radio sur le terrain. Les antennes M-MIMO peuvent fournir une amélioration des performances d’un facteur 2 par rapport aux antennes de faisceaux avec huit émetteurs-récepteurs.

MIMO permet de diviser et de transmettre simultanément les informations sur plusieurs antennes. Bien que la technologie semble exotique, les avantages sont simples à comprendre et à calculer : deux fois le nombre d’antennes équivaut à deux fois la vitesse théorique des données.

Il ne s’agit pas simplement d’une technologie de station de base, car le téléphone et l’équipement de l’opérateur doivent être capables de transmission MIMO. Cette technologie a eu a bien évolué et des équipements avec différents niveaux de technologie MIMO sont disponibles aujourd’hui. 

L’iPhone 13, par exemple, dispose de 4 × 4 MIMO, ce qui signifie que le smartphone dispose de quatre antennes d’émission et de quatre antennes de réception et peut théoriquement envoyer et recevoir des informations 4 × plus rapidement qu’un téléphone non équipé de MIMO, à condition que le canal soit suffisamment puissant pour soutenir cela.

MU-MIMO, abréviation de Multiple User – Multiple Input Multiple Output, est l’une des fonctionnalités les plus importantes de la 5G. Dans ce scénario, une station de base utilise la formation de faisceaux pour transmettre simultanément des données à deux (ou plus) équipements utilisateur (UE) en même temps. Cela n’améliore pas la vitesse des données pour l’UE individuel, mais cela augmente le débit de la cellule entière, permettant à plus d’UE de communiquer dans une zone couverte.

Pour utiliser cette technologie, les UE doivent être à une distance suffisante les uns des autres (c’est-à-dire, un angle suffisant entre eux par rapport à l’émetteur) pour éviter les interférences. Pour déterminer la transmission de faisceau correcte, la station de base envoie des signaux de référence à partir d’une collection de faisceaux candidats, et l’UE répond en indiquant quel faisceau donne la qualité de canal la plus élevée. Si les faisceaux de deux UE sont suffisamment séparés pour éviter les interférences, la station de base peut combiner les données de ces UE dans les mêmes blocs de ressources, mettant ainsi en œuvre MU-MIMO.

Les tours peuvent basculer entre les UE en une fraction de milliseconde, multipliant le nombre potentiel d’utilisateurs (tout en divisant le débit total), ce qui signifie qu’elles peuvent toujours être utilisées si un plus grand nombre d’appareils sont à portée.

Deux UE distincts et simultanés représentent aujourd’hui une évolution importante, mais on a déjà des tours de téléphonie cellulaire qui peuvent fonctionner davantage comme des appareils de communication à faisceau étroit.

Plusieurs technologies, plusieurs antennes

Un large éventail de technologies fonctionne ensemble pour permettre une transmission de données 5G moderne. Jamais un arrangement aussi disparate de technologies sans fil ne s’est réuni pour former la merveilleuse technologie de communication que nous avons aujourd’hui. Le summum de ce développement peut être la capacité de pointer une onde radio dans une certaine direction et de communiquer simultanément avec plusieurs appareils. Les promesses de la 5G ne pourraient pas être pleinement réalisées sans le déploiement des petites cellules et des stations de base 4T4R.