Connaissances en ingénierie des antennes de stations de base 4G et 5G et scénarios d'application

1 Aperçu de l'antenne de la station de base

Ce chapitre présente la classification des antennes de station de base et l'apparition des différents types d'antennes dans les communications mobiles.

1.1 Classification des antennes de station de base

Antenne omnidirectionnelle :En mode horizontal, le rayonnement est uniforme à 360°, ce qui correspond à une antenne omnidirectionnelle. En mode vertical, il se présente sous la forme d'un faisceau d'une certaine largeur. Généralement, plus la largeur du faisceau est réduite, plus le gain est élevé. Les antennes omnidirectionnelles sont couramment utilisées dans les systèmes de communication mobile, notamment pour les stations périurbaines et rurales, offrant une large couverture.

Antenne directionnelle :En mode horizontal, le rayonnement se situe dans un certain angle, ce qu'on appelle la directivité. En mode vertical, il se présente sous la forme d'un faisceau d'une certaine largeur. Comme pour une antenne omnidirectionnelle, plus la largeur du faisceau est réduite, plus le gain est élevé. Les antennes directionnelles sont généralement utilisées dans les stations de base urbaines des systèmes de communication mobile, caractérisées par une faible couverture, une forte densité d'utilisateurs et une utilisation intensive des fréquences.

Différents types de stations de base sont mis en place en fonction des exigences du réseau, et chaque type de station peut choisir différents types d'antennes selon ses besoins. Le choix repose sur les paramètres techniques mentionnés précédemment. Par exemple, une station omnidirectionnelle utilise une antenne omnidirectionnelle offrant un gain sensiblement identique dans toutes les directions horizontales, tandis qu'une station directionnelle utilise une antenne directionnelle dont le gain varie sensiblement selon la direction horizontale. Généralement, on privilégie les antennes avec un angle de faisceau horizontal de 65° en zone urbaine. En zone périurbaine, on peut opter pour des antennes avec un angle de faisceau horizontal de 65°, 90° ou 120° (en fonction de la configuration de la station et de l'environnement géographique local). En zone rurale, le choix le plus économique se porte sur une antenne omnidirectionnelle permettant une large couverture.

Antenne mécanique :Il s'agit d'une antenne mobile à réglage mécanique de l'angle d'inclinaison. Après installation verticale de l'antenne au sol, l'optimisation du réseau nécessite le réglage de la position du support à l'arrière et la modification de son inclinaison. Lors de ce réglage, bien que la portée dans la direction du lobe principal varie considérablement, les amplitudes des composantes verticale et horizontale de l'antenne restent inchangées, ce qui peut entraîner une déformation du diagramme de rayonnement.

Practice proves:The optimal downtilt angle of the mechanical antenna is 1°-5°; when the downtilt angle changes between 5°-10°, its antenna pattern is slightly deformed but not much; when the downtilt angle changes between 10°-15°, its antenna pattern changes greatly; when the mechanical antenna changes After tilting down 15°, the shape of the antenna pattern changes greatly, from a pear shape without tilting to a spindle shape. At this time, although the coverage distance in the main lobe direction is significantly shortened, the entire antenna pattern is not within the sector of the base station. The base station's signal will also be received in the sectors of adjacent base stations, causing serious intra-system interference. In addition, during daily maintenance, if you want to adjust the downtilt angle of the mechanical antenna, the entire system must be shut down, and monitoring cannot be performed while adjusting the antenna inclination. Adjusting the downtilt angle of the mechanical antenna is very troublesome, and maintenance personnel generally need to climb to the place where the antenna is placed to make adjustments. The downtilt angle of the mechanical antenna is a theoretical value calculated through computer simulation analysis software, and there is a certain deviation from the actual best downtilt angle. The number of steps for adjusting the tilt angle of the mechanical antenna is 1°, and the third-order intermodulation index is -120dBc.

Antenne à réglage électronique :Il s'agit d'une antenne mobile à inclinaison réglable électroniquement. Le principe de cette inclinaison consiste à incliner le diagramme de rayonnement vertical de l'antenne vers le bas en modifiant la phase de l'oscillateur de l'antenne réseau colinéaire, l'amplitude des composantes verticale et horizontale, ainsi que l'intensité du champ magnétique. L'intensité du champ magnétique augmentant et diminuant simultanément dans toutes les directions, le diagramme de rayonnement reste quasiment inchangé après modification de l'angle d'inclinaison. Ceci permet de réduire la portée dans la direction du lobe principal et, simultanément, la zone de couverture globale au sein du secteur cellulaire, sans générer d'interférences. L'expérience a démontré que pour une inclinaison de 1° à 5°, le diagramme de rayonnement d'une antenne à inclinaison réglable électroniquement est quasiment identique à celui d'une antenne mécanique ; pour une inclinaison de 5° à 10°, il est légèrement amélioré ; et pour une inclinaison de 10° à 15°, il est supérieur à celui d'une antenne mécanique. Le changement est plus important ; lorsqu'une antenne mécanique est inclinée vers le bas de 15°, son diagramme de rayonnement diffère sensiblement de celui d'une antenne mécanique. Dans ce cas, la forme du diagramme de rayonnement ne change que très peu, la portée du lobe principal est considérablement réduite et le diagramme de rayonnement reste entièrement contenu dans le secteur de la station de base. Augmenter l'angle d'inclinaison vers le bas permet de réduire la zone de couverture du secteur sans générer d'interférences. Par conséquent, l'utilisation d'une antenne à réglage électrique permet de réduire les pertes d'appels et les interférences. De plus, l'antenne à réglage électrique permet au système d'ajuster l'angle d'inclinaison inférieur du diagramme de directivité verticale sans interruption de service et de surveiller l'effet de l'ajustement en temps réel. La précision d'ajustement de l'angle d'inclinaison est également élevée (0.1°), ce qui permet un réglage fin du réseau ; l'indice d'intermodulation du troisième ordre de l'antenne à réglage électrique est de -150 dBc, soit 30 dBc de moins que l'antenne mécanique, ce qui contribue à éliminer les interférences sur les canaux adjacents et les interférences parasites.

Antenne à double polarisation :L'antenne à double polarisation est une technologie récente qui combine deux antennes à polarisation orthogonale (+45° et -45°) fonctionnant simultanément en mode duplex émission-réception. Son principal avantage réside dans la réduction du nombre d'antennes nécessaires à une station de base directionnelle. Généralement, une station de base directionnelle (trois secteurs) d'un réseau de communication mobile numérique LTE utilise neuf antennes, soit trois par secteur (diversité spatiale : une en émission et deux en réception). Avec des antennes à double polarisation, chaque secteur ne requiert qu'une seule antenne. De plus, grâce à l'orthogonalité de polarisation de ±45° entre les antennes (+45° et -45°), l'isolation entre elles est conforme aux exigences d'intermodulation (≥ 30 dB). Ainsi, la distance spatiale entre les antennes à double polarisation n'est que de 20 à 30 cm. Enfin, ces antennes sont électriquement réglables. L'utilisation d'antennes à double polarisation dans les réseaux de communication mobile, telles que les antennes à orientation électrique, permet de réduire les pertes d'appels et les interférences, et d'améliorer la qualité de service de l'ensemble du réseau. L'utilisation d'une antenne à double polarisation ne requiert pas d'installation complexe ; il n'est donc pas nécessaire d'acquérir de terrain pour construire un pylône. Il suffit d'ériger un poteau métallique de 20 cm de diamètre et d'y fixer l'antenne à double polarisation en fonction de la direction de couverture souhaitée. Cette solution permet de réaliser des économies d'infrastructure, d'optimiser l'implantation des stations de base et de simplifier le choix de leur emplacement.

Pour le choix des antennes, il convient de sélectionner des antennes mobiles adaptées aux besoins des réseaux mobiles de la région en fonction des conditions réelles telles que la couverture réseau, le volume d'activité, les interférences et la qualité du service réseau :

· Dans les zones à fort trafic et à forte densité de stations de base, il convient d'utiliser autant que possible des antennes à double polarisation et des antennes à réglage électrique ;

· Les antennes mécaniques traditionnelles peuvent être utilisées dans des zones telles que les frontières et les banlieues où le volume de trafic n'est pas élevé, où les stations de base ne sont pas densément peuplées et où la couverture est uniquement requise.

1.2 Structure interne et types d'antennes de stations de base de communication mobile

1.2.1 Antenne réseau directionnelle à éléments plats

L'antenne directionnelle à plaque est le type d'antenne le plus couramment utilisé dans les stations de base critiques. Ses avantages sont les suivants : gain élevé, diagramme de rayonnement sectoriel performant, lobe arrière réduit, réglage aisé de l'angle de dépression verticale du diagramme, étanchéité fiable et longue durée de vie. Son aspect est illustré dans la figure ci-dessous :

Figure 1-1 Schéma de l'aspect d'une antenne directionnelle à plaque

1.2.1.1 Formation d'une antenne à plaque à gain élevé

Figure 1-2 Utiliser plusieurs oscillateurs demi-onde pour former un réseau linéaire vertical

Figure 1-3 Le principe de l'ajout d'une plaque réfléchissante à un côté du réseau linéaire pour obtenir une orientation horizontale (en prenant comme exemple le réseau vertical de deux oscillateurs demi-onde avec une plaque réfléchissante)

Actuellement, les antennes directionnelles des stations de base conçues par les fabricants adoptent presque toutes une structure à réseau d'oscillateurs de type plan. Deux types d'oscillateurs sont utilisés, comme décrit dans les deux sections suivantes.

1.2.1.2 Oscillateur symétrique

Réseau symétrique demi-onde standard (ajouter un oscillateur supplémentaire pour réduire la hauteur de l'oscillateur par rapport au sol et réduire l'épaisseur de l'antenne)

Figure 1-4 Antenne à plaque directionnelle synthétisée par plusieurs oscillateurs demi-onde

1.2.1.3 Oscillateur microruban

La déformation de l'oscillateur demi-onde utilise le principe de la ligne de transmission à quart de longueur d'onde pour former un rayonnement :

Figure 1-5 Antenne à plaque directionnelle synthétisée par plusieurs oscillateurs microruban

1.2.2 Antenne dipôle omnidirectionnelle alimentée en série

L'antenne omnidirectionnelle utilise plusieurs oscillateurs demi-onde pour réaliser la synthèse et l'amélioration du gain de rayonnement.

Figure 1-7 Structure de l'oscillateur alimenté en série et forme du produit de l'antenne omnidirectionnelle

2 4G LTETypes d'antennes et analyse comparative

L'objectif principal de cette section est de présenter l'analyse comparative de la couverture et du trafic entre les antennes LTE à double polarisation et les antennes à polarisation unique.

2.1 Analyse de corrélation entre une antenne LTE à double polarisation et une antenne à polarisation unique

L'introduction de la technologie multi-antennes LTE confère une plus grande flexibilité spatiale aux ressources sans fil et impose de nouvelles exigences aux modèles de canaux sans fil. Le modèle de canal spatial (SCM) est proposé dans le document technique 3GPP TR 25.996. Ce modèle convient aux systèmes d'une bande passante de 5 MHz et d'une fréquence porteuse d'environ 2 GHz. Le nombre maximal de trajets multiples est de 6. Le système LTE requiert que le canal sans fil puisse supporter jusqu'à 20 MHz. Par conséquent, le modèle SCME (extension du SCM) est utilisé dans le rapport technique 36.803 pour étendre la bande passante du canal à 20 MHz et prendre en charge jusqu'à 9 trajets multiples. Les caractéristiques de transmission sans fil entre l'eNB et l'UE varient dans le temps et dépendent de la configuration des antennes, de leur angle de direction, de leur corrélation et de l'environnement de diffusion, comme illustré dans la figure ci-dessous.

Figure 2-1 Schéma des paramètres d'angle SCM

La différence de performances sans fil entre les antennes à double polarisation et les antennes à polarisation unique (espacement d'antennes de 10λ) dépend principalement du coefficient de corrélation de l'antenne de la station de base. Un coefficient de corrélation nul indique une faible indépendance des antennes et une corrélation faible. À l'inverse, un coefficient de corrélation de 1 indique une forte corrélation entre les antennes. Lorsque le système utilise la diversité d'émission (comme le SFBC), la diversité de réception et le mode MIMO double flux, les performances sans fil des antennes à faible corrélation sont supérieures à celles des antennes à forte corrélation. La figure ci-dessous présente les résultats de simulation des performances du SFBC pour des coefficients de corrélation de 0.25, 0.5, 0.6 et 1. Ces résultats montrent que pour un coefficient de corrélation de 0.25, les performances restent quasiment inchangées (comparativement à un coefficient de corrélation nul). En revanche, pour des coefficients de corrélation de 0.5 et 0.6, les performances du SFBC diminuent d'environ 0.3 à 0.4 dB.

Figure 2-2 Comparaison des performances au niveau des liens SFBC avec différents coefficients de corrélation

En juillet 2008, China Mobile a testé les coefficients de corrélation de différentes configurations d'antennes. Les coefficients de corrélation spécifiques sont présentés dans le tableau ci-dessous :

Tableau 2-1 Coefficients de corrélation correspondant à différentes configurations d'antennes

Remarque : Les coefficients de corrélation du tableau ci-dessus ont été obtenus par China Mobile à partir de tests du modèle SCME en zones urbaines denses. Bien que ces coefficients soient relativement représentatifs de ces zones, ils ne permettent pas de les transposer à un projet spécifique ni de les généraliser à tous les modèles de zones urbaines denses.

2.2 Comparaison des performances entre une antenne LTE à double polarisation et une antenne à polarisation unique

La norme LTE définit sept modes de transmission multi-antennes, dont la diversité d'émission, le MIMO à précodage et la formation de faisceaux. Ces sept modes visent principalement à offrir une grande flexibilité dans le choix du mode de transmission en fonction des différents scénarios et modèles de canal. Les limitations et les faiblesses des réseaux de communication mobile sans fil sont généralement classées en trois catégories :

Systèmes à puissance limitée :

Scénarios d'application typiques : L'objectif principal est d'accroître la couverture et de pallier l'affaiblissement du signal, notamment dans les zones efficaces, pour une large couverture en zones rurales, etc.

Type de technologie d'antenne utilisée : diversité d'émission, diversité de réception

Écart de performance : L'amélioration des performances de l'antenne à polarisation unique 10λ est inférieure à 5 % par rapport à l'antenne à double polarisation, et l'écart de performance entre les deux n'est pas important.

Systèmes à interférences limitées :

Scénarios d'application typiques : Principalement utilisé dans les zones urbaines denses où la distance entre les stations est relativement faible. Les interférences constituent un facteur majeur affectant les performances du réseau.

Type de technologie d'antenne adoptée : RANK=2 MIMO double flux, RANK=1 MIMO flux unique, RANK adaptatif

Écart de performance : L’algorithme adaptatif RANK est nettement meilleur que le double flux forcé MIMO ; en même temps, les performances des antennes à double polarisation sont fondamentalement les mêmes que celles des antennes à polarisation unique 10λ.

Systèmes à bande passante limitée :

Scénarios d'application typiques : les conditions de canal (CQI) sont relativement bonnes, la couverture entre les stations de base est discontinue, la distance entre les stations de base est relativement importante et le nombre d'utilisateurs est relativement faible. Par exemple : couverture monocellulaire en phase initiale de déploiement d'un réseau expérimental, etc.

Type de technologie d'antenne : RANK=2 MIMO double flux

Comparaison des performances : Les performances de l'antenne à polarisation unique 10λ sont meilleures que celles de l'antenne à double polarisation, et l'amélioration des performances est d'environ 20 %.

Tableau 2-2 Tableau récapitulatif des scénarios d'application des antennes

L'analyse ci-dessus porte principalement sur l'écart de performance entre les antennes à polarisation unique et les antennes à double polarisation. Il convient toutefois de noter que les antennes à double polarisation présentent l'avantage d'une installation simplifiée. Elles peuvent notamment être fixées sur un seul mât, permettre un réglage uniforme de l'angle d'inclinaison et faciliter l'intégration esthétique. Dans le contexte actuel où le choix et l'installation des sites pour les réseaux sans fil sont de plus en plus complexes, ces avantages des antennes à double polarisation revêtent une importance particulière.

3 4G LTEScénarios d'application et sélection des antennes de station de base

Le contenu principal de cette section explique la classification des zones de couverture des réseaux sans fil et la sélection des antennes correspondantes en fonction de scénarios de déploiement de réseau réels.

3.1 sélection d'antennes de station de base urbaine

Caractéristiques de l'environnement d'application : les stations de base sont densément réparties, ce qui nécessite une petite zone de couverture pour chaque station. L'objectif est de minimiser la couverture croisée, de réduire les interférences entre les stations de base et d'augmenter les débits de téléchargement.

Principes de sélection des antennes :

Sélection du mode de polarisation : en raison de la difficulté à sélectionner des sites de station de base dans les zones urbaines et de l’espace limité pour l’installation d’antennes, il est recommandé d’utiliser des antennes à double polarisation et des antennes à large bande ;

Choix du diagramme de rayonnement : en milieu urbain, la principale considération est d’améliorer la réutilisation des fréquences, c’est pourquoi on utilise généralement des antennes directionnelles ;

Sélection de la largeur du faisceau à mi-puissance : afin de mieux contrôler la couverture de la cellule pour supprimer les interférences, la largeur du faisceau horizontal à mi-puissance de l’antenne urbaine est sélectionnée à 60~65° ;

Choix du gain d'antenne : Les stations de base en zone urbaine n'ayant généralement pas besoin d'une large couverture, il est recommandé d'utiliser une antenne à gain moyen. Un gain de 15 à 18 dBi est recommandé en zone urbaine. Si l'antenne microcellulaire est utilisée pour combler les zones blanches en zone urbaine, un gain plus faible peut être choisi.

Sélection de l'angle d'inclinaison : L'angle d'inclinaison des antennes étant fréquemment ajusté en milieu urbain, et certaines antennes nécessitant une inclinaison plus importante, le réglage mécanique de l'inclinaison n'étant pas optimal pour la réduction des interférences, il est recommandé d'utiliser une antenne à angle d'inclinaison prédéfini. Vous pouvez opter pour une antenne à angle d'inclinaison électrique fixe ou, le cas échéant, pour une antenne à réglage électrique.

3.2 Sélection d'antennes pour les stations de base périurbaines et rurales

Caractéristiques de l'environnement d'application : les stations de base sont peu nombreuses, le volume d'activité est faible, les exigences en matière de service de données sont relativement modestes et une large couverture est requise. Dans certaines zones, une seule station de base est présente, la couverture devenant alors primordiale. Le choix de l'antenne doit alors être déterminé en fonction de la zone à couvrir autour de la station de base.

Principes de sélection des antennes :

Choix du diagramme de rayonnement : Si la station de base doit couvrir la zone environnante sans directionnalité marquée et que le trafic autour de celle-ci est relativement dispersé, il est recommandé d'utiliser une station de base omnidirectionnelle. Cependant, il convient de noter qu'en raison du faible gain des stations de base omnidirectionnelles, la portée est inférieure à celle des stations de base directionnelles. De plus, lors de l'installation d'antennes omnidirectionnelles, il faut tenir compte de l'impact du pylône sur la couverture et veiller à ce que l'antenne soit perpendiculaire au sol. Si les autorités locales exigent une couverture plus étendue, des antennes directionnelles doivent être utilisées. En général, il est conseillé d'utiliser des antennes directionnelles avec des ouvertures de faisceau à mi-puissance de 90°, 105° et 120° dans le plan horizontal.

Sélection du gain d'antenne : Sélectionnez le gain de l'antenne en fonction des exigences de couverture. Il est recommandé de choisir une antenne directionnelle à gain élevé (16-18 dBi) ou une antenne omnidirectionnelle de 9-11 dBi dans les zones suburbaines et rurales ;

Choix de la méthode d'inclinaison : En zones périurbaines et rurales, les possibilités de réglage de l'inclinaison des antennes sont limitées, de même que leur plage et leurs caractéristiques angulaires. L'utilisation d'une antenne à inclinaison mécanique est recommandée. Par ailleurs, lorsque l'antenne est installée à plus de 50 mètres et que la couverture doit être optimale à proximité du pylône, il est préférable d'opter pour une antenne de remplissage du point zéro afin d'éviter les problèmes de couverture sous le pylône.

3.3 sélection d'antennes de station de base pour la couverture autoroutière

Caractéristiques de l'environnement applicatif :Dans ce contexte, le volume d'activité est faible et les utilisateurs se déplacent à grande vitesse. L'objectif principal est donc d'optimiser la couverture. De manière générale, on recherche une couverture linéaire, ce qui explique le recours fréquent à des cellules bidirectionnelles sur les autoroutes. Des cellules omnidirectionnelles sont également utilisées dans les zones traversant les agglomérations et les sites touristiques. L'accent est ensuite mis sur une large couverture, et le type d'antenne à utiliser doit être déterminé en fonction du site et de son type. Les environnements routiers varient considérablement. Sur les axes relativement rectilignes, tels que les autoroutes, les voies ferrées, les routes nationales et départementales, il est généralement recommandé d'installer une station à proximité, de type S1/1/1 ou S1/1, avec des antennes directionnelles à gain élevé pour assurer une bonne couverture. Sur les routes sinueuses et vallonnées, comme les routes de montagne ou les routes départementales, il est nécessaire de combiner la couverture rurale avec celle des zones proches de l'autoroute et de choisir un emplacement en hauteur pour l'installation de la station.

Lors du choix d'une antenne au cours de la planification initiale, essayez de choisir une antenne à gain élevé avec une large portée pour une couverture étendue.

Principes de sélection des antennes :

Sélection du diagramme de rayonnement : Dans les stations de base destinées à couvrir les voies ferrées et les autoroutes, des antennes directionnelles à faisceau étroit et à gain élevé peuvent être utilisées. La forme de l’antenne peut être choisie de manière flexible en fonction de facteurs tels que les ondulations et les virages du terrain local sur le site de déploiement ;

Sélection du gain d'antenne : le gain de l'antenne directionnelle peut être sélectionné entre 17 dBi et 22 dBi, et le gain de l'antenne omnidirectionnelle peut être sélectionné à partir de 11 dBi ;

Choix de la méthode d'inclinaison : La couverture autoroutière ne nécessite généralement pas d'inclinaison. Il est recommandé d'utiliser une antenne à inclinaison mécanique économique. Lorsque la distance dépasse 50 mètres et que des exigences de couverture sont nécessaires à proximité du pylône, les antennes avec un taux de remplissage du point zéro (supérieur à 15 %) peuvent être privilégiées pour résoudre le problème des zones blanches sous le pylône.

Rapport avant/arrière : Étant donné que la plupart des utilisateurs de la couverture autoroutière sont des utilisateurs se déplaçant rapidement, pour assurer un transfert normal, le rapport avant/arrière de l’antenne directionnelle ne doit pas être trop élevé.

3.4 Sélection de l'antenne de la station de base pour la couverture en montagne

Caractéristiques de l'environnement applicatif :Dans les zones montagneuses et vallonnées reculées, les montagnes bloquent fortement les ondes radio, entraînant une atténuation de leur propagation et rendant la couverture difficile. La couverture est généralement étendue, avec des utilisateurs dispersés dans un large rayon autour de la station de base, et le volume d'activité est faible. La station de base peut être installée au sommet, à flanc de montagne, au pied de la montagne ou à un emplacement approprié en zone montagneuse. Il est nécessaire de prendre en compte la répartition des utilisateurs et les caractéristiques du terrain pour choisir l'emplacement, le modèle et l'antenne de la station de base. Les situations suivantes sont relativement courantes : création d'un site web dans une zone montagneuse en cuvette, en haute montagne, à mi-hauteur d'une montagne, ou encore en zone montagneuse classique.

Principes de sélection des antennes :

Choix du diagramme de rayonnement : Le choix du diagramme de rayonnement dépend de l’emplacement, du type de station et des exigences de couverture environnantes de la station de base. Vous pouvez choisir une antenne omnidirectionnelle ou une antenne directionnelle. Pour les stations de base installées en montagne, si la zone à couvrir est relativement basse, un diagramme de rayonnement avec un angle de demi-puissance vertical plus important doit être choisi afin de mieux répondre aux exigences de couverture verticale.

Sélection du gain d'antenne : Choisissez un gain d'antenne moyen, une antenne omnidirectionnelle (9-11 dBi), une antenne directionnelle (15-18 dBi) en fonction de la distance de la zone à couvrir ;

Sélection de l'angle d'inclinaison : Lors de l'installation d'une station en montagne, si la zone à couvrir se situe au pied de la montagne, il convient de choisir une antenne avec remplissage du point zéro ou un angle d'inclinaison prédéfini. L'amplitude de cet angle doit être déterminée en fonction de la hauteur relative de la station de base par rapport à la zone à couvrir : plus la hauteur relative est importante, plus l'angle d'inclinaison doit être grand.

3.5 LTERésumé des scénarios d'application des antennes de station de base

Compte tenu des choix ci-dessus et des conditions particulières de la LTE, les principes de sélection d'antenne recommandés sont les suivants :

Tableau 3-1 Résumé des scénarios d'application des antennes

En général, le choix d'un site LTE s'appuie sur les infrastructures existantes. Les principaux problèmes résident dans la disponibilité d'espace suffisant pour l'installation des antennes LTE et dans la conformité de leur hauteur aux exigences du plan LTE. Par conséquent, le projet prend en compte des paramètres techniques tels que le type de polarisation, l'utilisation d'une antenne large bande et l'angle d'inclinaison. Il est indispensable de réaliser une étude détaillée des infrastructures existantes et d'établir un plan adapté à la situation. Grâce à la technologie MIMO, les configurations LTE 2T2R et 4T4R sont couramment utilisées. Compte tenu des coûts de construction, les antennes à double polarisation sont généralement utilisées pour les configurations 2T2R et 4T4R pour les configurations 4T4R. L'écartement entre les antennes est de 1 à 2λ, ce qui correspond à environ 30 à 50 cm pour la 2.6 GHz.

4 AAU MIMO massif 5Get scénarios d'application

Le contenu principal de cette section décrit brièvement la sélection de l'antenne et du scénario d'application de l'AAU 5G.

4.1 AAU MIMO massif 5G

La technologie MIMO (Multiple Input and Output), qui a atteint une grande maturité à l'ère de la 4G, peut utiliser efficacement plusieurs canaux spatiaux existant entre plusieurs antennes entre l'émetteur-récepteur et les systèmes d'émetteurs-récepteurs pour transmettre plusieurs flux de données mutuellement orthogonaux, améliorant ainsi le débit de données et la stabilité de la communication sans augmenter la bande passante de communication.

La technologie Massive MIMO, développée entre la 4G et la 5G, est une version améliorée de la technologie MIMO. Tirant parti de ressources temporelles et fréquentielles limitées, elle utilise des centaines d'antennes pour desservir simultanément jusqu'à plusieurs dizaines de terminaux mobiles, optimisant ainsi le débit de données et l'efficacité énergétique. La fréquence de communication élevée de la 5G et la taille réduite des antennes permettent d'en intégrer davantage dans l'espace initialement prévu. La technologie Massive MIMO a marqué un tournant dans les communications à l'ère de la 5G. De ce fait, les antennes constituent, après les composants radiofréquences, un autre facteur de croissance exponentielle. Les antennes des stations de base représentent 20 % du total, contre 80 % pour celles des terminaux.

Du fait de l'utilisation généralisée de la technologie MIMO massive dans les stations de base 5G, l'antenne intégrée utilise un grand nombre d'oscillateurs et intègre également des unités d'émission-réception ; elle est donc également appelée antenne active (AAU). Son schéma de structure interne et sa forme sont illustrés dans la figure ci-dessous.

Figure 4-1 Massive MIMO AAU structural schematic diagram

Figure 4-2 Exploded view of Massive MIMO AAU product form

Pour les antennes à transmission active (AAU) fonctionnant dans la bande de fréquences inférieure à 6 GHz, les fabricants d'équipements de communication utilisent généralement 192 oscillateurs. Ces oscillateurs sont disposés en 12 rangées horizontales et 8 colonnes verticales. Avec une double polarisation à 45°, on obtient un total de 192 oscillateurs (12 × 8 × 2). Chaque groupe de trois oscillateurs forme une antenne ; l'AAU compte donc 64 antennes (192/3). Si six oscillateurs constituent une antenne, l'AAU possède alors 32 antennes (192/6).

Figure 4-3 Schéma de l'élément d'antenne AAU 65TR et 32TR

Les unités d'amplification de puissance (AAU) fonctionnant dans la bande < 6 GHz utilisent généralement la formation de faisceaux entièrement numérique. On peut considérer que le nombre d'antennes, le nombre de canaux de transmission et le nombre d'amplificateurs de puissance sont identiques. Le nombre d'antennes est un facteur déterminant pour la couverture. Plus le nombre d'éléments est élevé, plus le faisceau est étroit et plus l'énergie est concentrée. Cependant, plus il y a d'antennes et de canaux, plus l'AAU comporte d'amplificateurs de puissance, plus la consommation de ressources en bande de base est importante et plus le coût de l'équipement est élevé.

4.2 5GModèle d'évanouissement du signal

La norme 3GPP TR 38.901 propose quatre scénarios : zone de bureaux à forte densité d'utilisateurs (InH-Office), rue urbaine à microcellules (UMi-Street Canyon), macrocellule urbaine (Uma) et macrocellule rurale (RMa). Chaque type de scénario est divisé en scénarios sans visibilité directe (NLOS) et avec visibilité directe (LOS), pour un total de huit modèles de propagation. Cet article se concentre sur le modèle d'affaiblissement de propagation dans le scénario Uma-LOS/NLOS de la macrocellule urbaine.cFréquence de fonctionnement (GHz), hBSHauteur effective de l'antenne de la station de base (m), hUTHauteur effective de l'antenne de la station mobile (m), d2DDistance horizontale entre la station de base et la station mobile (m), d3DLa distance en ligne droite entre l'antenne de la station de base et l'antenne de la station mobile (m).

D'après le tableau ci-dessus, l'affaiblissement maximal admissible (MAPL) typique des différents canaux des stations macro urbaines peut être calculé selon la formule suivante. On constate que l'écart d'affaiblissement maximal admissible entre la liaison montante et la liaison descendante de la 5G NR à 3.5 GHz atteint 13.65 dB, la couverture du réseau est limitée en liaison montante et est limitée par le canal PUSCH de liaison montante.

PLmax=PTx-Lf+GTx-Mf-Ml+GRx-Lp-Lb-SR

où PTxpuissance d'émission de la station de base, LfPerte d'alimentation, GTxgain d'antenne de station de base, MfEstompage des ombres et marge d'effacement rapide, MlMarge d'interférence, GRxGain d'antenne de téléphone portable, LpPerte par pénétration dans le bâtiment, LbUsure du corps, SRxsensibilité de réception des téléphones portables

4.3 UQA 5Gscénarios d'application

Dans les zones urbaines denses, l'environnement sans fil complexe engendre des interférences accrues, tandis que les immeubles de grande hauteur imposent des exigences élevées en matière de couverture verticale et de capacité d'utilisateurs. Les équipements 64TR permettent une meilleure formation de faisceaux MIMO massifs, une transmission MIMO multi-utilisateurs à fort trafic et une couverture verticale nettement améliorée. En périphérie et en zone rurale, le taux de réussite d'appairage MU-MIMO diminue et les équipements 64TR ne peuvent exploiter pleinement leurs avantages en termes de capacité ; des équipements moins performants, comme 32 antennes, suffisent alors. Dans les zones plus reculées, les exigences en matière de capacité sont moindres et le principal enjeu est la couverture. Dans ce cas, le MIMO massif n'est même pas nécessaire ; un RRU à 8 ports suffit pour connecter les antennes.

La figure ci-dessous présente une solution de couverture réseau basée sur différents scénarios, proposée par un fabricant d'équipements. Le macro-site constitue le produit le plus important. L'unité d'accès réseau (AAU) 64TR répond à la demande croissante de capacité élevée et continue lors des déploiements 4G/5G, tandis que l'AAU 32TR, plus compacte, répond aux besoins de déploiement économique des réseaux 4G/5G dans les zones à faible trafic. Les systèmes de distribution intérieure comprennent des équipements 2TR et 4TR, qui utilisent des systèmes de distribution passifs sur les réseaux existants ou les nouvelles constructions pour répondre aux besoins des environnements intérieurs à fort trafic et à forte valeur ajoutée. Enfin, les unités radiofréquences (RRU) 4TR des stations de base de type micro-station sont largement utilisées dans les environnements à forte densité de population et les zones à forte chaleur, comme les zones résidentielles et les rues piétonnes.

Figure 4-4 Solution de couverture réseau basée sur des scénarios proposée par un fabricant d'équipements

Les résultats des calculs présentés dans la section 4.2 montrent que la couverture montante de la 5G NR sur la bande 3.5 GHz est limitée, principalement en raison de la puissance limitée des terminaux. Sachant que les exigences en matière de débit montant et descendant resteront asymétriques après le lancement de la 5G (les exigences en matière de débit descendant étant bien supérieures à celles de la liaison montante), et afin de préserver l'infrastructure réseau existante et de réduire les coûts de déploiement, permettant ainsi aux opérateurs de superposer et de déployer rapidement la 5G sur les sites 4G existants, le découplage des liaisons montante et descendante (SUL) peut être utilisé pour résoudre le problème des goulots d'étranglement de la couverture montante. Concrètement, les anciens équipements LTE sont utilisés pour la liaison montante, une partie de la bande passante FDD 1.8 GHz est réaffectée à la 5G NR pour améliorer la couverture, et la 5G NR est déployée sur la bande 3.5 GHz pour la liaison descendante.

Figure 4-5 Solution de découplage utilisant des bandes de fréquences différentes pour la liaison montante et la liaison descendante

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