Quèsaco le beamforming ?

Le beamforming est une technologie de télécommunications qui permet de délivrer de manière ciblée des signaux plus importants et plus rapides. Le développement de la 5G repose notamment sur le beamforming. Florian Kaltenberger, chercheur à EURECOM et spécialiste de la 5G, nous explique le fonctionnement de cette technologie.   

Qu’est-ce que le beamforming ?

Florian Kaltenberger : Le beamforming consiste à émettre depuis une antenne des ondes synchronisées sous la forme de faisceaux. Cela permet de cibler précisément une zone, à l’inverse des systèmes d’émission classiques qui émettent des ondes dans toutes les directions de l’espace. Ce n’est pas une nouvelle technologie, elle est déjà utilisée depuis longtemps dans la communication par satellites et pour les radars. Mais elle fait son entrée dans les télécommunications mobiles pour la première fois avec la 5G.

Pourquoi le beamforming est utilisé dans la 5G ?

FK : Le principe de la 5G est d’orienter les faisceaux d’onde directement vers les utilisateurs. Cela permet notamment de limiter les interférences entre les ondes, d’avoir un signal plus fiable, et de faire des économies d’énergie. Ces trois conditions font partie des impératifs que la 5G doit satisfaire. Comme les ondes des signaux 5G ont des fréquences élevées, elles peuvent transporter plus rapidement une plus grande quantité d’informations. Ce système permet d’éviter les encombrements dans les hotspots, c’est-à-dire qu’il n’y aura pas de problèmes de débit dans les lieux où il y a de nombreuses connexions simultanément. Aussi, le réseau peut être plus diversifié localement : il peut y avoir des services complètement différents utilisés sur le même réseau en même temps.

Comment fonctionne la couverture réseau avec ce système ?

FK : Il faut implanter de nombreuses antennes. Il y a plusieurs raisons à cela. La taille des antennes est proportionnelle à la longueur des ondes qu’elles génèrent. Comme la longueur d’onde des signaux 5G est plus petite, la taille des antennes aussi : elles ne font que quelques centimètres. Or l’énergie que les antennes sont capables d’émettre est aussi proportionnelle à leur taille : une antenne 5G seule ne pourrait générer qu’un signal avec une portée d’une dizaine de mètres. Afin d’augmenter la portée, de multiples antennes 5G sont rassemblées sur des stations de base et positionnées de manière à pouvoir cibler un utilisateur où qu’il se trouve dans l’espace. Cela permet d’avoir une portée d’une centaine de mètres dans toutes les directions. Donc il faut tout de même de nombreuses stations de base pour couvrir le réseau d’une ville. Avec le beamforming il est possible de cibler de multiples utilisateurs dans la même zone au même moment, car chaque faisceau peut être dirigé sur un utilisateur unique.

Comment les faisceaux sont-ils ciblés sur les utilisateurs et comment sont-ils ensuite suivis ?

Le signal de la position de l’utilisateur est reçu par différentes parties des antennes 5G. Sur chacune de ces parties, il y a un décalage du moment de l’arrivée du signal, selon l’angle avec lequel il touche l’antenne. Avec des modèles mathématiques qui intègrent ces différents décalages temporels, il est possible de localiser l’utilisateur et de cibler le faisceau dans sa direction.

Ensuite il faut suivre les utilisateurs, et c’est plus compliqué. Les stations de base utilisent des ensembles de faisceaux fixes qui pointent vers des angles préétablis. Il y a un mécanisme qui permet à l’appareil de l’utilisateur de mesurer la puissance du faisceau reçu par rapport aux faisceaux adjacents. L’appareil renvoie cette information à la station de base, qui permet à cette dernière de choisir le meilleur faisceau.

Quelles sont les difficultés principales rencontrées dans l’implémentation du beamforming ?

FK : Aujourd’hui le réseau 5G ne peut toujours pas fonctionner sans le réseau 4G à cause de la courte portée des faisceaux, ce qui rend son utilisation seulement efficace et utile dans le milieu urbain et en particulier dans les hotspots. Dans les milieux plus éloignés c’est la 4G qui prend le relais. On ne peut pas faire de beamforming pour un utilisateur mobile situé à plusieurs centaines de mètres de l’antenne — voire quelques kilomètres — en pleine campagne. Une autre difficulté rencontrée est le mouvement des utilisateurs lorsqu’ils passent d’une station de base à une autre. Des algorithmes sont mis au point pour anticiper ces déplacements, c’est aussi ce sur quoi nous travaillons à EURECOM.

Doit-on s’attendre à ce que la prochaine génération de communications mobiles, la 6G, aille encore plus loin que le beamforming ?

FK : A chaque génération, il y a une rupture. Par exemple, la 3G était conçue au départ comme un réseau de communication vocale, puis tous les aspects liés aux données internet ont été implémentées. Pour la 4G c’était l’inverse : le réseau était conçu pour le transport de données internet, puis la communication vocale a été implémentée. Le principe de fonctionnement de la 6G n’est pas encore clairement défini. Il y a à peu près une nouvelle génération de téléphonie mobile tous les dix ans, les fondements de la 6G ne devraient pas tarder à être posés, et nous en saurons plus sur l’avenir du beamforming.

 

Propos recueillis par Antonin Counillon