Une meilleure antenne pour les réseaux cellulaires

Lorsque vous parlez sur un téléphone portable, vous partagez des fréquences radio avec tous ceux qui en utilisent un dans un rayon de trois kilomètres de la station de base la plus proche. Comme tout le monde le sait, ce partage ne fonctionne pas toujours parfaitement - la congestion du réseau peut entraîner des appels statiques, interrompus et des téléchargements de données lents.

Mais et si vous n'aviez pas à partager le signal d'un téléphone portable ? Et si la station de base la plus proche pouvait diriger un faisceau radio directement sur votre téléphone pendant que vous vous déplaciez, plutôt que de cracher des signaux dans toutes les directions ? Dans ce scénario, vous pouvez vous attendre à des appels vocaux plus clairs et à une livraison plus rapide d'informations numériques telles que des pages Web ou des vidéos. Et en envoyant plusieurs faisceaux, votre opérateur cellulaire pourrait également fournir des signaux améliorés à d'autres clients.

Cette approche pour augmenter la capacité des réseaux cellulaires est appelée formation de faisceau adaptative. Et les ingénieurs de Nokia le rapprochent rapidement d'une utilisation commerciale. Bien que le géant finlandais des télécommunications soit surtout connu pour ses téléphones, il est également un important fournisseur d'équipements de mise en réseau et de transmission pour les opérateurs mobiles. Dans le sous-sous-sol du centre de recherche Nokia à Helsinki, en Finlande, où leur équipement est mis en quarantaine contre la clameur des signaux cellulaires, les chercheurs construisent et testent un prototype d'antenne de station de base à formation de faisceau qui pourrait tripler la capacité de la dernière génération de réseaux cellulaires.

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Ces nouveaux réseaux ne sont pas encore surchargés. Mais ce n'est pas une raison pour la complaisance. Les systèmes 3G, tels que le CDMA à large bande, commencent tout juste à être déployés dans le monde, de sorte que les réseaux ne sont en aucun cas encombrés pour le moment, explique Hannu Kauppinen, directeur de recherche senior pour les technologies radio au Nokia Research Center. Mais nous prévoyons qu'à l'avenir, les opérateurs auront besoin d'augmenter leurs capacités. C'est pourquoi nous étudions cette fonctionnalité.

Alors qu'une tour de téléphonie cellulaire traditionnelle fonctionne comme un arroseur de pelouse, rayonnant en cercle, une antenne de formation de faisceau fonctionne comme un tuyau. L'idée de base est que dans une zone surpeuplée, vous voulez donner le signal maximum à la personne appropriée, plutôt que de gaspiller l'énergie en la répartissant sur un volume plus large, explique Greg Hindman, président et cofondateur de Torrance, Nearfield Systems, basé en Californie. , qui construit des systèmes de test et de mesure pour les fabricants d'équipements radio. Beaucoup de nos clients y travaillent.

De nouvelles façons de prendre en charge davantage d'appelants sont nécessaires car les réseaux de téléphonie cellulaire utilisent une ressource limitée : le spectre radio. La technique originale pour servir plusieurs utilisateurs sans fil dans un espace peuplé, mise au point il y a plus de 40 ans, consistait à diviser l'espace en cellules, chacune desservie par une station de base distincte. Mais comme les cellules étaient grandes et pouvaient contenir de nombreux clients, cela ne suffisait pas. Les signaux devaient être divisés en utilisant différentes fréquences radio ou canaux.

Aux États-Unis, cependant, le spectre alloué par le gouvernement pour les réseaux cellulaires analogiques de première génération était suffisant pour prendre en charge seulement 56 canaux par cellule – le 57e appelant dans une cellule donnée n'avait pas de chance. Il a donc fallu diviser davantage les fréquences.

Dans les réseaux numériques à accès multiple par répartition dans le temps (TDMA), chaque salve d'informations sur une fréquence particulière est divisée en trois tranches de temps, chacune de quelques millisecondes. Ces créneaux sont attribués à trois téléphones différents, chacun pouvant rassembler les données de son créneau horaire en une conversation continue. Le résultat est que trois téléphones à la fois peuvent utiliser la même fréquence, triplant la capacité de chaque cellule, à environ 168 canaux. TDMA est la technique de base derrière des protocoles tels que le Global System for Mobile Communications, ou GSM, utilisé par de grandes entreprises telles que China Mobile, T-Mobile, la division Cingular du nouveau AT&T, et Personal Communications Services, ou PCS, utilisé par Sprint.

Une technique alternative consiste à abandonner complètement les canaux et à répartir plusieurs conversations en petits morceaux sur l'ensemble du spectre cellulaire. Dans cette méthode, connue sous le nom d'accès multiple par répartition en code (CDMA), tous les téléphones d'une cellule particulière écoutent la même gamme de fréquences et reçoivent les mêmes données brutes, mais chaque donnée est précédée d'un code numérique unique au téléphone d'un client. . Seul ce téléphone peut sélectionner et rassembler les pièces qui constituent la conversation de l'utilisateur. CDMA est le protocole sans fil préféré de Verizon Wireless aux États-Unis, d'Orange en Europe et de NTT DoCoMo au Japon.

La version de troisième génération (ou 3G) du CDMA s'appelle Wideband CDMA, en référence à sa plus grande capacité à transporter des données telles que la musique et les images animées en direct. Dans des circonstances idéales, les réseaux WCDMA peuvent envoyer des données à des vitesses proches du DSL : 384 kilobits par seconde pour les utilisateurs mobiles et 2 mégabits par seconde pour les utilisateurs stationnaires, contre environ 50 kilobits par seconde pour les réseaux de deuxième génération. Cette norme a déjà été adoptée par NTT DoCoMo et d'autres opérateurs, et Nokia a beaucoup investi dans le protocole, en construisant les téléphones, l'équipement de station de base, les systèmes informatiques et les logiciels nécessaires.

Alors que Nokia se prépare maintenant à gérer la congestion anticipée sur les réseaux WCDMA, ses chercheurs ont bouclé la boucle : ils sont revenus à l'idée de diviser les signaux cellulaires dans l'espace. Tout comme la technologie cellulaire de première génération divise l'espace en cellules, la formation de faisceau divise les cellules en tranches, chacune desservie par un faisceau différent. (La technologie de formation de faisceaux peut être appliquée à tout type de réseau cellulaire numérique, pas seulement à ceux basés sur CDMA.)

Bien que la formation de faisceau en elle-même ne soit pas une idée nouvelle, elle n'a jamais été appliquée avec succès à la téléphonie cellulaire. Il s'agit essentiellement d'une vieille technologie militaire, explique Kauppinen. Certains radars fonctionnent avec ce principe depuis très longtemps. Mais ce n'est qu'au cours des dernières années que nous avons compris comment la formation de faisceaux fonctionnerait réellement dans les réseaux cellulaires.

L'antenne de formation de faisceau testée dans le laboratoire d'Helsinki est en fait huit antennes en une. Il est fabriqué à partir de bandes de cuivre d'environ huit centimètres chacune, soudées ensemble en une surface couvrant environ un mètre carré. L'appareil module intelligemment les ondes radio qui se chevauchent des huit antennes pour orienter les signaux dans des directions spécifiques. (Plus d'antennes pourraient être utilisées, mais les calculs nécessaires pour diriger les signaux augmentent considérablement à mesure que de plus en plus d'antennes sont ajoutées.)

Imaginez laisser tomber deux pierres simultanément dans un étang calme. À certains endroits, les pics des ondulations d'étalement coïncideront, créant des pics plus élevés. À d'autres endroits, les pics d'une ondulation annuleront les creux de l'autre, laissant une eau calme. De plus, laisser tomber les pierres à des moments légèrement différents changera les emplacements où les pics coïncident. En calculant exactement les intervalles de temps, vous pourriez, en théorie, aligner les pics les plus élevés dans une direction spécifique.

C'est ainsi que fonctionne l'antenne de formation de faisceau de Nokia. Un boîtier derrière la feuille de cuivre contient les amplificateurs sophistiqués et les circuits de traitement du signal numérique nécessaires pour diriger jusqu'à huit faisceaux séparés dans différentes directions. Dans la pratique, il y aurait probablement de nombreux appelants dans l'arc de chaque faisceau, de sorte que des techniques de division de code standard seraient utilisées dans chaque faisceau pour desservir plusieurs appelants, augmentant théoriquement la capacité globale du réseau par un facteur de huit. Cependant, en raison de facteurs de complication, tels que la géographie et les interférences entre les faisceaux, l'utilisation de huit faisceaux n'augmenterait pas réellement la capacité du réseau huit fois. Dans des simulations d'environnements semi-urbains et urbains, nous avons constaté que [l'antenne de formation de faisceau] augmentait la capacité d'un facteur de deux à trois, explique Kauppinen.

Nokia pense que c'est une amélioration suffisante pour intéresser les opérateurs mobiles. Et il y a une autre raison à l'attrait de la technologie : contrairement à d'autres types de réseaux d'antennes, une antenne de formation de faisceau n'a pas besoin de plusieurs câbles en cuivre épais, lourds et coûteux pour se connecter à un équipement d'amplification au sol. Au lieu de cela, tout l'équipement nécessaire se trouve à l'intérieur de l'antenne elle-même.

Si vous devez avoir quatre câbles, chacun d'un pouce d'épaisseur, allant jusqu'à un réseau d'antennes, c'est un obstacle pratique, et c'est la principale raison de la réticence des opérateurs à installer des réseaux d'antennes, explique Thomas Höhne, chercheur à Kauppinen laboratoire. Maintenant que l'amplificateur est intégré à l'antenne, cela signifie que nous pouvons faire passer une fine fibre optique jusqu'à l'antenne. Et l'amplificateur de puissance n'a pas besoin d'être extra-puissant, car nous ajoutons les signaux des antennes ensemble.

Kauppinen dit que l'électronique du prototype fonctionne bien. Dans quelques semaines, l'équipe testera l'antenne de formation de faisceau dans la chambre anéchoïque souterraine de l'entreprise. Ensuite, ils l'emmèneront sur le toit et verront comment il se comporte dans l'air vif d'Helsinki. Nous voulons montrer que nos simulations sont vraies et acquérir une expérience pratique, explique Kauppinen.

On ne sait pas quand les antennes de formation de faisceaux pourraient être disponibles pour un usage commercial. Il s'agit d'un projet de validation de principe, souligne Kauppinen, conçu pour convaincre les unités commerciales de l'entreprise que la technologie peut être développée en un produit viable.

Même si Nokia va de l'avant, il ne sera pas seul. Selon Hindman de Nearfield Systems, de nombreuses entreprises, dont plusieurs en Chine, en Corée du Sud et à Taïwan, achètent des équipements pour tester la formation de faisceaux. La technologie semble susceptible de devenir une autre des astuces utilisées par les opérateurs mobiles pour tenir la promesse d'un service sans fil à large bande de haute qualité.

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