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Perspective - Réseaux du Futur

Des essaims d'antennes

5 juin 2018

Avec des centaines d'antennes par station de base, les débits de données du réseau mobile augmentent considérablement tandis que le MIMO massif devient une composante importante de la 5G.
Hundreds of antennas per base station.
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Des concerts, des rencontres de basket-ball, une éclipse solaire... Même les Jeux Olympiques d'hiver 2018 ont été vécus par les fans de sport en réalité virtuelle. Les données pour de telles applications à large bande sont transmises via des réseaux mobiles. La vidéo et la musique en streaming augmentent également de manière significative le nombre d’informations en circulation et d’informations provenant de plus en plus de machines qui envoient leur statut ou demandent un technicien. Entre 2017 et 2021, le trafic de données mobiles devrait selon le Cisco Visual Networking Index augmenter de près de 50 % par an. Comment les réseaux sont-ils censés faire face à cette augmentation des volumes ?
Une possibilité consisterait à utiliser une plus grande largeur de bande ou des gammes de fréquence plus larges pour transmettre les données. Il y a cependant des limites à la bande passante que les réseaux mobiles peuvent utiliser. Physiquement, juridiquement et au niveau du partage entre les opérateurs de réseaux. Les réseaux ont heureusement un potentiel d'optimisation ailleurs, à savoir dans le nombre d'antennes. Il existe de plus une technique que les entreprises et les sciences considèrent actuellement comme très prometteuse et qui se développe intensivement, à savoir le MIMO massif. Le principe en est simple : plus il y a d’antennes plus nombreuses sont les données transmises.

Massive MIMO Increases Network Capacity

Le MIMO massif augmente les capacités du réseau. Les stations de base LTE n'ont aujourd’hui pour la plupart que deux antennes qui fonctionnent déjà avec la méthode multi-antennes MIMO (Multiple Input, Multiple Output), une technologie qui est également un standard dans les routeurs WiFi domestiques modernes. Le MIMO permet que les données à transmettre soient distribuées entre des antennes émettrices séparées et collectées par plusieurs antennes récepteurs. Plusieurs terminaux peuvent être ainsi alimentés simultanément sur la même fréquence et d'autres données peuvent être transmises. Cette séparation physique des flux de données est qualifiée de multiplexage spatial.
Afin de faire face aux masses de données futures en utilisant la norme mobile nouvelle génération, les entreprises de télécommunications et les scientifiques ont pour objectif de renforcer le potentiel du MIMO en utilisant des centaines d'antennes par station de base du réseau mobile. Chaque antenne augmente le débit de données et le nombre d'utilisateurs possibles dans une cellule du réseau.
5G Optimal Transmission Research at the HfTL
The new transmission standard 5G provides even higher bandwidths for even more broadband customers. Extensive high frequency research is required to ensure successful coordinated operation of mobile network interfaces.

Le beamforming ou comment cibler la puissance

Outre la séparation spatiale de la transmission des données,cela est rendu possible par le beamforming, ou formation de faisceau.« Plus j'ai d'antennes, plus je peux regrouper la puissance d'émission et la diriger vers l'utilisateur individuel », explique Michael Einhaus, qui travaille sur le réseau mobile du futur à l'Université des télécommunications de Leipzig, en Allemagne. Plusieurs antennes envoient des signaux à un appareil. Le moment et la force de leur arrivée fournissent des informations sur la position de l'appareil et les obstacles sur la route de transmission. Cette information permet aux antennes de regrouper leur puissance d'émission de manière optimale vers le destinataire au lieu de continuer à répandre les ondes radio dans des cercles concentriques. Cette procédure permet non seulement d'augmenter le débit de données, mais aussi d'utiliser moins d'énergie.

Les pratiques le confirment : jusqu'à dix fois plus de données

Reste à estimer le potentiel de l’outil. Par rapport au LTE, le débit de données a été multiplié par huit avec 64 antennes et par dix avec 128 antennes lors d'essais sur le terrain. En septembre 2017, Deutsche Telekom  et Huawei ont réalisé un essai conjoint sur le MIMO massif  dans la gamme de 3,5 gigahertz et avec une bande passante de 20 mégahertz. Ils ont atteint une vitesse de transmission de 750 mégabits par seconde, qui ne peut autrement être obtenue que par la combinaison de fréquences. Par comparaison, Telekom atteint une vitesse de téléchargement maximale de 300 mégabits par seconde avec le LTE en fonction de l'appareil et de la zone de développement du réseau.

Interaction des stations de base

Avec des centaines d'antennes par station de base, il est possible de transmettre beaucoup plus de données via la même bande passante.
Les antennes ciblent l'appareil directement avec leur puissance d'émission plutôt que de transmettre leurs ondes radio en cercles concentriques. Ils augmentent ainsi le débit de données et consomment moins d'énergie.
Bien entendu, il reste un certain nombre de défis à relever. Cela inclut notamment de déterminer comment synchroniser les stations de base Massive MIMO adjacentes. « Dans une cellule radio mobile, la focalisation précise de la puissance d'émission sur l'utilisateur fonctionne à merveille grâce aux nombreuses antennes d'émission », explique M. Einhaus. « Mais si la cellule radio voisine fait de même, ils peuvent facilement se rencontrer et s'entretuer. » Il faut donc des mécanismes et des algorithmes qui coordonnent les stations de base afin de se soutenir plutôt que de se brouiller les uns les autres. D'ici 2020, l'UIT, l'agence des Nations Unies pour les télécommunications, vise à normaliser le 5G. Le déploiement du nouveau standard mobile commencera ensuite en incluant celui du MIMO massif.