Comprendre le beamforming
Comment le beamforming permet-il d’optimiser la 5G ? Découvrez cette technologie, son association avec le Massive MIMO et le MU-MIMO, ainsi que ses principaux avantages.
Avec la 4G, les réseaux mobiles ont considérablement gagné en débit et en capacité, notamment grâce au MIMO et à l’utilisation de plusieurs antennes. Mais lorsque de nombreux utilisateurs se retrouvent dans une même cellule, ils doivent toujours se partager des ressources radio limitées. Plus le réseau est sollicité, plus il devient difficile de maintenir des débits élevés, de limiter les interférences et d’exploiter efficacement les fréquences disponibles. Pour continuer à augmenter les performances sans simplement multiplier les fréquences ou les sites radio, une nouvelle approche devient nécessaire. C’est cet enjeux auquel répond la 5G que nous allons voir ici.
Qu'est ce que le beamforming ?
Le beamforming, ou formation de faisceau, est une technique qui permet de contrôler la manière dont un signal radio est émis dans l’espace. Plutôt que de répartir l’énergie de manière similaire dans toutes les directions, l’objectif est de favoriser certaines directions afin d’améliorer la réception du signal. Pour comprendre comment cela est possible sans déplacer physiquement l’antenne, il faut s’intéresser à la façon dont plusieurs ondes interagissent entre elles.
Interférences constructives et destructives
Lorsque plusieurs ondes se propagent dans un même espace, elles peuvent se rencontrer et se superposer. À cet instant, leurs amplitudes se combinent : selon leur phase, le signal obtenu peut alors être renforcé ou, au contraire, atténué. Deux ondes de même fréquence qui arrivent en phase, c’est-à-dire avec leurs crêtes et leurs creux alignés, vont s’additionner. Leur amplitude résultante est alors plus importante : on parle d’interférence constructive.
À l’inverse, si les deux ondes arrivent en opposition de phase, la crête de l’une peut coïncider avec le creux de l’autre. Elles vont alors se compenser partiellement, voire totalement dans un cas idéal : c’est une interférence destructive. Entre ces deux situations, il existe évidemment de nombreux cas intermédiaires selon le décalage de phase entre les signaux.
On peut faire l’analogie avec plusieurs enceintes diffusant exactement le même son. Selon leur position et le décalage entre les sons émis, ceux-ci peuvent se renforcer à certains endroits et s’atténuer à d’autres. Le même principe peut être exploité avec des ondes radio en contrôlant précisément le signal émis par plusieurs éléments d’antenne.
Beamforming et antenne 5G
Une antenne 5G peut être constituée de nombreux éléments rayonnants dont les signaux sont contrôlés de manière coordonnée. En modifiant notamment leur phase, il devient possible de faire en sorte que les ondes se renforcent davantage dans certaines directions et s’atténuent dans d’autres. Le système façonne ainsi son diagramme de rayonnement, avec notamment un lobe principal orienté dans la direction souhaitée.
Sur l’exemple de droite, les ondes se renforcent dans la direction de la flèche verte grâce au principe que nous avons vu au-dessus.
Il ne s’agit donc pas de créer un « rayon » parfaitement isolé vers un smartphone, mais de contrôler beaucoup plus finement la répartition spatiale de l’énergie radio. Pour multiplier ces possibilités et gérer plusieurs utilisateurs, la 5G s’appuie sur des antennes comportant un grand nombre d’éléments : c’est ici qu’intervient le Massive MIMO.
Le Massive MIMO
Le MIMO (Multiple Input Multiple Output) est une technologie déjà largement utilisée avec la 4G. Son principe consiste à utiliser plusieurs antennes en émission et en réception afin d’exploiter plusieurs flux de données et d’améliorer l’utilisation du canal radio.
Avec la 5G, le MIMO a passé un nouveau stade : le Massive MIMO. C’est notamment utilisé sur les stations de base qui s’appuient sur un nombre beaucoup plus important d’éléments d’antenne. Cette multiplication des éléments offre davantage de possibilités pour contrôler spatialement les transmissions et exploiter le beamforming.
Le Massive MIMO et la 5G
Les antennes des stations de base 5G peuvent ainsi intégrer plusieurs dizaines d’éléments rayonnants.
Parmi les configurations utilisées, on retrouve par exemple des antennes 64T64R : elles disposent de 64 voies de transmission (Tx) et de 64 voies de réception (Rx). En contrôlant de manière coordonnée les signaux associés à ces différents éléments, la station peut façonner son diagramme de rayonnement et adapter spatialement ses transmissions.
Il faut cependant éviter un raccourci : 64T64R ne signifie pas que l’antenne communique avec 64 utilisateurs simultanément. Le nombre de voies de transmission et de réception ne correspond pas directement au nombre de smartphones pouvant être servis en même temps. Ces nombreuses voies donnent surtout au système davantage de possibilités pour traiter les signaux, former les faisceaux et exploiter la dimension spatiale du réseau.
Le Massive MIMO et le beamforming sont donc étroitement liés, car le Massive MIMO permet de mettre en œuvre le beamforming grâce à ses nombreux éléments d’antenne. En contrôlant leurs signaux de manière coordonnée, la station de base peut ajuster plus finement son diagramme de rayonnement et mieux maîtriser la répartition spatiale du signal. Mais alors, comment l’antenne gère-t-elle tous les utilisateurs ?
La gestion des nombreux utilisateurs
Une station de base doit pouvoir gérer une multitude d’utilisateurs présents dans sa zone de couverture, sans pour autant communiquer avec tous simultanément. Les ressources radio sont donc réparties entre les différents terminaux dans le temps et en fréquence, tandis que la dimension spatiale peut également être exploitée pour servir plusieurs utilisateurs au même moment. C’est notamment le principe du MU-MIMO (Multi-User MIMO).
Le MU-MIMO permet de transmettre des flux de données distincts à plusieurs utilisateurs sur les mêmes ressources de temps et de fréquence, lorsque leurs canaux radio permettent de suffisamment les différencier spatialement. Associé au beamforming, il permet ainsi à la station de base d’adapter ses transmissions aux différents utilisateurs et de mieux exploiter les ressources radio disponibles.
Cette gestion est orchestrée par le scheduler, qui détermine en permanence quels utilisateurs peuvent être servis et quelles ressources radio leur attribuer. Comme l’illustre le schéma, à un instant n, les utilisateurs A, C et D peuvent par exemple être servis simultanément grâce au MU-MIMO. À l’instant suivant n+1, la répartition évolue et les ressources sont attribuées à B, C et E. Le scheduler adapte ainsi continuellement les transmissions en fonction des utilisateurs et des conditions radio.
- Dans le temps, il peut servir différents utilisateurs à des instants successifs.
- En fréquence, il peut leur attribuer différentes portions des ressources fréquentielles disponibles.
- Dans l’espace, le MU-MIMO et le beamforming permettent de différencier spatialement plusieurs transmissions.
La 5G exploite donc conjointement le temps, les fréquences et l’espace pour gérer efficacement une multitude d’utilisateurs.
Les avantages du beamforming
En permettant à la station de base de mieux contrôler la répartition spatiale du signal, le beamforming apporte plusieurs avantages aux réseaux 5G. Associé au Massive MIMO et au MU-MIMO, il contribue à améliorer les performances et l’utilisation des ressources radio.
Une meilleure couverture
En concentrant davantage l’énergie radio dans certaines directions, le beamforming permet d’améliorer la qualité du signal reçu par les utilisateurs. La station de base peut ainsi assurer une communication plus efficace dans sa zone de couverture.
Des débits plus élevés
Un signal mieux dirigé peut améliorer le rapport signal/bruit au niveau du terminal. Combiné aux technologies MIMO, cela permet d’exploiter plus efficacement les ressources radio et de favoriser des débits plus importants.
Une plus grande capacité réseau
Grâce au MU-MIMO, plusieurs utilisateurs peuvent, lorsque les conditions le permettent, partager les mêmes ressources de temps et de fréquence tout en étant séparés spatialement. Le réseau peut ainsi gérer plus efficacement une multitude de connexions.
Une meilleure efficacité énergétique
En dirigeant plus efficacement l’énergie radio vers les zones et les utilisateurs concernés, le beamforming permet de mieux exploiter la puissance transmise. Il peut ainsi contribuer à améliorer l’efficacité énergétique du réseau. Cela ne signifie toutefois pas qu’une station Massive MIMO consomme nécessairement moins d’énergie, puisqu’elle utilise de nombreuses chaînes radio et des traitements de signal plus complexes.
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