Les techniques d’antenne avancées 5G sont-elles le principal moyen de maximiser la valeur de la 5G ?

OÙ EST LA VALEUR GLOBALE DE LA 5G ET QUI LA RÉALISE ?

Il existe deux réponses évidentes en ce qui concerne les principaux générateurs de valeur globale de la 5G. La première est que la 5G facilite une capacité supplémentaire rentable grâce à l’accès à un nouveau spectre, à une utilisation efficace de ce spectre et à la facilité de déploiement des stations de base, essentielles à la réalisation du plein potentiel de ce nouveau spectre.

Deuxièmement, il permet d’accompagner de nouveaux cas d’usage favorisant l’innovation connectée et de nouveaux scénarios de déploiement. Cependant, envisager un déploiement rentable de capacité supplémentaire est un moyen de réduire, ou du moins de limiter, les coûts de leur modèle économique existant, que les opérateurs soient ou non en mesure de réaliser les nouveaux revenus associés aux nouveaux cas d'utilisation de la 5G.

POURQUOI LES RÉSEAUX D’ANTENNES SONT-ILS SI IMPORTANTS POUR LE DÉPLOYEMENT DE LA 5G ?

Fondamentalement, nous parlons d’énergie sous forme de champs électriques et magnétiques oscillants. Les champs peuvent être configurés ou optimisés de différentes manières, avec différents degrés de complexité mathématique, afin de concentrer l'énergie dans une certaine direction (faisceaux) ou autour d'un certain point de l'espace (bulle).

Bien entendu, concentrer l’énergie augmentera la force du signal, ou en termes simples, le nombre de barres visibles sur un téléphone mobile. Cela signifie que tant que l'appareil a un signal acceptable, la puissance peut être ajustée en conséquence, à la fois au niveau de la station de base et de l'appareil lui-même, pour garantir que l'énergie globale n'est pas « gaspillée ». Il est donc hautement souhaitable de concentrer l’énergie en termes de consommation globale d’énergie.

Toute installation de station de base unique est limitée par les réglementations nationales en termes de puissance maximale. La concentration de l’énergie est donc un facteur clé, tout comme le déploiement de spectre supplémentaire qui permet un partage efficace (multiplexage) de la ressource « énergétique ». Plus l’énergie est concentrée, plus la station de base globale est efficace – et cela se traduit par un débit global ou une portée cellulaire.

Il est donc clair que la capacité à concentrer efficacement l’énergie conduit à un déploiement plus efficace des stations de base. Cela conduit à son tour à un débit global plus élevé et/ou à des empreintes de cellules plus grandes, ce qui signifie que moins de stations de base sont nécessaires pour prendre en charge le même ensemble global d'exigences de service. Concentrer l’énergie conduit directement à des économies. Plus le faisceau ou la bulle d'énergie est hautement concentré, plus les économies sont importantes (pour réduire l'équation à sa forme la plus simple). Les réseaux d'antennes sont la manière dont nous concentrons cette énergie.

COMMENT LES RÉSEAUX D'ANTENNES CONCENTRENT-ILS L'ÉNERGIE ?

Les antennes simples, en général, transmettent un signal, un champ électrique et magnétique oscillant, sur un très grand angle – souvent omnidirectionnel. La forme et la fabrication de l'antenne façonnent le modèle d'émission/réception réel, mais en général, il n'est pas focalisé.

Si nous ajoutons des antennes supplémentaires à côté de la première et choisissons soigneusement l'espacement, nous pouvons transmettre le même signal depuis chacune des antennes tout en créant des modèles d'interférences constructifs et destructeurs. Les signaux interfèrent les uns avec les autres, s'additionnant parfois (lorsqu'ils sont en phase), parfois s'annulant (lorsqu'ils sont déphasés).

C’est l’interférence constructive, où les signaux de chaque antenne s’additionnent pour créer un signal beaucoup plus important, qui nous donne effectivement le mécanisme de « focalisation ». L'interférence constructive se présente généralement sous la forme d'un faisceau d'énergie (dans une certaine direction), ou d'une bulle d'énergie (autour d'un point de l'espace). Dans d’autres directions, ou à d’autres points, le signal est beaucoup plus faible car les signaux des différentes antennes interfèrent de manière destructrice et s’annulent mutuellement.

Voici donc deux éléments clés :

• Premièrement, plus il y a d’antennes, plus le signal, le faisceau ou le point est focalisé.
• Deuxièmement, en modifiant la synchronisation relative du signal lorsqu'il est appliqué à chaque antenne, nous pouvons diriger le faisceau ou le point de focalisation. C’est bien plus complexe que cela en réalité, mais cette simple description nous permet de comprendre pourquoi la 5G est si particulière lorsqu’il s’agit de ces techniques.

QU'Y A-T-IL DE SI SPÉCIAL À PROPOS DE LA 5G ET DES RÉSEAUX D'ANTENNES ?

Il existe des différences fondamentales entre la 5G et les générations précédentes, mais le véritable intérêt en termes de réseaux d’antennes réside dans les fréquences pour lesquelles la 5G est pertinente. Les générations précédentes ont été conçues et fabriquées pour fonctionner dans la bande UHF entre ~ 700 MHz et 2 600 MHz. Ici, les antennes sont relativement grandes, et l'utilisation de réseaux d'antennes de plus de quatre ou huit antennes devient problématique en termes de coût et de taille/poids physique.

En revanche, la 5G permet l’utilisation de fréquences beaucoup plus élevées, bien dans le spectre des ondes millimétriques ainsi que dans les fréquences basses et moyennes déjà mentionnées. Aux fréquences plus élevées, les antennes sont beaucoup plus petites, ce qui permet d’utiliser de nombreuses antennes dans un seul réseau – peut-être 64 ou 256, ce que l’on appelle des réseaux d’antennes massifs. Cela permet à son tour des techniques d'antenne de formation de faisceaux ou MIMO (Multiple In Multiple Out) très focalisées.

Non seulement la 5G permet d’accéder à une gamme de spectre beaucoup plus large, mais elle nous permet également d’utiliser ce spectre de manière très efficace – à condition d’utiliser des techniques d’antenne avancées – en utilisant des réseaux. Les gains d'efficacité que nous pouvons réaliser par rapport aux générations précédentes sont très significatifs, avec des chiffres de référence 3 fois supérieurs à ceux du LTE Advanced, mais les chiffres réels sont potentiellement bien plus élevés. Cela nous donne une efficacité exceptionnelle sur les ondes millimétriques plus élevées, même si la portée réduite aux fréquences plus élevées signifie que les stations de base seraient déployées dans des « points chauds de grande capacité ».

Grâce aux progrès des capacités de traitement et des techniques de fabrication, il est également possible de déployer des réseaux d'antennes massifs dans les fréquences moyennes, où l'empreinte cellulaire est généralement plus grande que pour les fréquences d'ondes millimétriques, ce qui conduit à des déploiements de stations de base très efficaces avec un excellent débit et une excellente couverture.

Un autre aspect clé est que la nouvelle radio 5G nous permet d’accéder au spectre réservé aux réseaux privés dans des bandes de fréquences sans licence ou partagées. Il s’agit d’un catalyseur important pour l’automatisation industrielle et les usines intelligentes, ainsi que pour les nouveaux modèles économiques associés. Ces fréquences pertinentes sans licence ont tendance à être plus élevées dans le spectre, de sorte que les réseaux d'antennes massifs et les techniques de formation de faisceaux/MIMO qui les accompagnent sont des éléments essentiels de nombreux nouveaux scénarios de déploiement et cas d'utilisation.

LE RÉSULTAT

L’impact de tout cela est l’efficacité, qui à son tour conduit à un déploiement rentable des ressources/stations de base. Il existe un certain nombre d'aspects différents de la 5G qui contribuent à l'efficacité globale, mais ce sont les techniques d'antenne avancées, et en particulier les réseaux d'antennes massifs, qui nous donnent les moyens de réaliser pleinement le potentiel de la 5G en termes de contrôle des coûts tout en augmentant massivement la capacité et en explorant en même temps de nouveaux cas d'utilisation et de nouveaux modèles commerciaux.

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