Les opérateurs 5G sont confrontés à deux défis d'optimisation importants : la bande passante et la propagation. Si ces défis sont examinés séparément, les préférences pour les fréquences 5G peuvent varier. De plus, alors que la 5G est une évolution de la technologie cellulaire de la 4G, 3.5 GHz est une nouvelle bande de fréquences supplémentaire sur laquelle les systèmes 5G peuvent fonctionner.

Pour obtenir une image plus claire de la couverture du réseau 5G et de l'importance du MIMO (Multiple-Input and Multiple-Output) et de la fréquence 3.5 GHz, nous avons contacté un panel d'experts. Nos répondants nous ont fourni des informations détaillées et perspicaces sur l'impact des fréquences et des cadres sur la propagation et la bande passante 5G, et sur les solutions et les nouvelles stratégies qui émergent.

Notre panel de couverture 5G comprend Chuck Powell, directeur produit pour les antennes de stations de base, Amérique du Nord chez Systèmes de radiofréquence (RFS), Amr Elgazzar PDG de Consultix, Greg Dial, vice-président principal de la stratégie produit et marketing chez JMA sans fil, et Roger Nichols, responsable du programme 5G chez Keysight Technologies.

Il est bien connu que la 5G et les bandes de fréquences sont indépendantes. Cela signifie que pour les fournisseurs 5G, la première priorité est de fournir suffisamment de bande passante dédiée pour atteindre des vitesses optimales pour autant d'utilisateurs que possible. Une solution consiste à utiliser de grands blocs de spectre d'ondes millimétriques, ce qui est idéal pour prendre en charge d'énormes bandes passantes et des flux de données rapides. Bien sûr, le choix de cette option se fait au détriment de la propagation car les réseaux à ondes millimétriques seront probablement mis en place avec une taille de cellule typique de 200 m.

Comme l'explique Chuck Powell, directeur de produit pour les antennes de stations de base nord-américaines chez RFS, "Dans les environnements urbains denses, il est possible d'avoir suffisamment d'utilisateurs dans une cellule de 200 m pour justifier le nombre d'antennes nécessaires pour fournir une couverture cohérente à travers la ville, mais l'utilité des ondes millimétriques diminue à mesure que la densité de population diminue.

Un autre défi concerne les zones rurales, bien qu'elles aient moins d'utilisateurs. Comme le souligne Powell, les fréquences inférieures, comme 600 MHz, ont un rayon de cellule de 20 miles mais pas assez de bande passante pour prendre en charge de nombreux utilisateurs à des débits de données élevés.

« 600 MHz idéal pour une couverture dans les zones rurales », dit-il, « mais une option intermédiaire est toujours nécessaire pour la capacité en dehors des villes très peuplées ».

La solution? Une fréquence moyenne bande peut équilibrer les deux priorités en ayant une bande passante suffisante pour plusieurs utilisateurs tout en ayant une taille de cellule raisonnablement grande pour maintenir les coûts de déploiement économiquement viables. « L'autre avantage du milieu de gamme est qu'il s'agit d'un spectre entièrement nouveau. Nouveau dans le cellulaire et n'oblige donc pas les opérateurs à réaffecter le spectre 4G existant pour mettre en place un système 5G », ajoute Roger Nichols.

Greg Dial, vice-président directeur du marketing produit chez JMA Wireless, ajoute que certaines des bandes nouvellement disponibles pour la 5G offrent déjà des tailles de bande passante et des caractéristiques de propagation uniques qui n'ont pas été observées dans les bandes disponibles lors de l'évolution de la 4G LTE au cours de la dernière décennie. De plus, ces nouvelles bandes offrent une meilleure pénétration dans la plupart des fréquences FR1 et traversent des objets tels que le feuillage, tandis que les fréquences FR2 ont tendance à être plus affectées par ces matériaux, ce qui peut rendre la prédiction de couverture plus difficile.

« Les bandes sont classées en deux segments, FR1 à moins de 6 GHz et FR2, qui couvre les fréquences mmWave d'aujourd'hui », explique-t-il. « Les basses fréquences à haute puissance peuvent couvrir plusieurs kilomètres et très bien pénétrer les structures. Plus ces fréquences sont élevées, moins elles voyagent et moins elles pénètrent. Le revers de la médaille est bien sûr qu'ils transportent beaucoup plus de bande passante dans le processus. Nous considérons généralement la bande médiane comme moins d'un mile et les mmWaves en termes de centaines de pieds. Les options de bande moyenne sont idéales pour les zones centralisées qui peuvent être un peu plus étendues mais qui nécessitent une capacité importante. Ils sont également idéaux pour soutenir la capacité intérieure.

"En fin de compte, les réseaux migreront entièrement de la 4G vers la 5G dans toutes les bandes de fréquences disponibles et utiliseront des outils tels que le partage dynamique du spectre, ou DSS, comme moyens de combler la migration", conclut-il.

Alors que la 5G est une évolution de la norme de technologie cellulaire qui offre des fonctionnalités supplémentaires essentielles par rapport à la 4G, 3.5 GHz est nouvellement ajouté pour la 5G et est commun à de nombreux pays. De plus, les fréquences peuvent varier d'un pays à l'autre, en fonction des restrictions régionales. Comme indiqué ci-dessus, dans ce paysage difficile, les fournisseurs de réseaux 5G recherchent un équilibre entre capacité et couverture. Pour Powell, 3.5 GHz est une fréquence qui peut être décrite comme une solution Goldilocks car elle a "juste ce qu'il faut, l'équilibre entre capacité et couverture".

Pour Amr Elgazzar, PDG de Consultix, une autre raison pour laquelle 3.5 GHz est un candidat principal est une propagation raisonnable. « Les caractéristiques de propagation raisonnables de 3.5 GHz impliquent une couverture fiable », explique-t-il. « Cette capacité est importante pour fournir une connectivité aux appareils IoT et aux communications critiques (qui nécessitent une fiabilité de 99.999 %) et aux applications telles que le contrôle à distance, l'automobile ou la fabrication intelligente.

Selon Elgazzar, les autres avantages de la bande 3.5 GHz sont une capacité de bande plus élevée et d'excellentes caractéristiques de pénétration.

"La capacité de la bande peut être considérablement supérieure à celle des bandes à faible GHz car elle permet d'utiliser des antennes MIMO massives à une taille pratique", dit-il. "Alors que les caractéristiques de pénétration assez bonnes de cette bande dans les bâtiments la rendent excellente pour la communication à large bande pour les deux mondes, 4G et 5G."

"Le déploiement du réseau peut être considérablement rapide en raison de ses caractéristiques de propagation qui ouvrent la porte à la réutilisation de la base installée de macrosites qui desservent des bandes inférieures à 3 GHz", conclut-il.

"Les fréquences seront finalement sélectionnées pour diverses applications 5G en fonction de la disponibilité, de la taille de la bande passante et des caractéristiques de propagation", explique Dial. « La bande passante continue relativement large du spectre 3.5 GHz, la distance de propagation moyenne et la pénétration raisonnable des bâtiments en font un bon candidat pour les applications de type petites cellules urbaines et suburbaines 5G qui nécessitent une vitesse élevée, un débit élevé, une densité élevée et une faible latence. .”

« 3.5 GHz est la fréquence la plus proche de la majorité des attributions récentes de « milieu de bande » pour le sans fil mobile dans le monde », ajoute Roger Nichols, responsable du programme 5G, Keysight Technologies. "Cette bande a suffisamment d'harmonisation dans les principaux pays du monde pour permettre une économie d'échelle pour l'investissement dans la technologie radio."

"Bien qu'il ne s'agisse pas du seul nouveau groupe réservé à la 5G, il s'agit de l'un des plus répandus au monde, commun à de nombreux grands pays modernes", a-t-il déclaré. « L'ajout de services NR (New Radio) aux bandes LTE existantes s'accompagne de nombreux défis qui ont un impact sur l'efficacité spectrale et donc sur la capacité des opérateurs de réseaux mobiles. Compte tenu de la valeur de ces bandes et de leurs revenus basés sur le LTE, les transitions sont difficiles, et l'ouverture de nouveaux services 5G dans un spectre qui n'est pas encombré par la technologie héritée signifie une opportunité pour une transition plus gracieuse.

Massive MIMO utilise des interférences constructives et destructives dans le canal et de nombreuses autres antennes au niveau de la station de base pour isoler les signaux radio spécifiques à l'utilisateur de l'emplacement physique de l'utilisateur. Selon Nichols, en raison des contraintes de propagation et de conception physique de l'antenne et de l'émetteur, les performances de la liaison montante (mobile à la station de base) à 3.5 GHz sont bien pires que les performances de la liaison descendante. C'est un problème car de nombreux nouveaux modèles d'utilisation de la 5G signifient une demande plus élevée de débits de données en liaison montante qu'en liaison descendante. En conséquence, le MIMO massif a été initialement conçu comme un moyen d'améliorer la capacité en permettant le multiplexage spatial, même au point d'utiliser les mêmes blocs de ressources temps/fréquence pour différents utilisateurs dans la même cellule.

« Le MIMO massif est considéré comme essentiel non seulement pour une meilleure efficacité spectrale, mais aussi pour faire fonctionner les systèmes 3.5 GHz dans des réseaux de production pratiques », déclare Nichols.

Dial est d'accord, disant: "" Le MIMO massif améliore l'efficacité spectrale et offre un avantage de capacité significatif par rapport au MIMO 2X2 ou 4X4, pas un avantage de couverture. "

"Bien que le MIMO massif soit techniquement possible à toutes les fréquences, la taille du réseau d'antennes requise dans les bandes de fréquences inférieures rend le déploiement de cette technologie impraticable dans le spectre inférieur d'une partie de FR1", poursuit-il. "Généralement, à mesure que nous passons au MIMO d'ordre supérieur, nous obtenons un débit bien supérieur à celui d'un système MIMO 2X2 ou 4X4."

"Les résultats expérimentaux ont montré une différence de plus de 10 dB dans les pertes globales entre 3.5 GHz et 1.8 GHz", explique Elgazzar. « Cette différence est presque également causée par les pertes de pénétration et les pertes de propagation, qui sont encore pires dans les bâtiments équipés d'une fenêtre en verre thermiquement efficace.

"En raison des pertes de propagation élevées, les bandes d'ondes millimétriques sont candidates pour les scénarios LOS et les points chauds confinés, tandis que 3.5 GHz est idéal pour une couverture urbaine dense", conclut-il.

Nichols approfondit les aspects pratiques des systèmes MIMO multi-utilisateurs 2X2 et 4X4, notant les opportunités offertes par "l'exploitation de plusieurs chemins radio entre l'émission et la réception (les exemples les plus simples étant deux chemins : un chemin direct et un chemin réfléchi)".

"Les systèmes MIMO déterminent que le canal a deux (ou plus) chemins de signal non corrélés grâce à la détermination de l'état du canal (signaux déterministes transmis et analyse de l'impact du canal à l'autre extrémité)", dit-il. "Ils précodent ensuite les transmissions de données vers plusieurs antennes indépendantes de sorte qu'elles arrivent à des antennes indépendantes au niveau du récepteur dans deux flux de données indépendants, augmentant ainsi le nombre effectif de canaux de communication."

Selon Powell, les réseaux d'auto-optimisation ont été utilisés lorsque le système répond à divers KPI de manière plus régulière pour modifier l'inclinaison, mais l'inclinaison serait la même pour chaque fréquence. Néanmoins, comme l'explique Powell, les scénarios MIMO 2 × 2 ou 4 × 4 étaient limités aux antennes de station de base typiques qui ne pouvaient pas orienter leurs faisceaux dans le plan d'azimut. "Normalement, la largeur de faisceau en azimut était de 65°, certains sites ayant une largeur de faisceau plus étroite de 32 ou 45°", dit-il. "Le modèle d'élévation était capable d'une certaine optimisation à l'aide de l'inclinaison électrique à distance, mais cette optimisation ne se produisait souvent que lors de l'installation initiale du site."

"Massive MIMO tire parti des multiples connexions radio-antenne pour permettre la formation dynamique de faisceaux dans le plan d'azimut et d'élévation pour chaque utilisateur. Cela signifie que si l'utilisateur est proche de la tour ou au bord de la cellule, à gauche ou à droite, l'antenne pourra diriger un faisceau étroit de 12° droit vers l'utilisateur. Combiné à la possibilité de diriger un zéro sur n'importe quel brouilleur, cela crée un rapport C/I capable de prendre en charge des vitesses 5G pour de nombreux utilisateurs simultanément.

"Cela a le potentiel de réduire la quantité de puissance de transmission RF totale pour un nombre donné d'utilisateurs", explique Nichols. "En obtenant une efficacité spectrale plus élevée en utilisant les mêmes blocs de ressources temps/fréquence pour différents utilisateurs dans la même cellule, ce dernier est possible car un bloc de ressources devient effectivement temps-fréquence-espace."

Lorsque l'on parle de sites émetteurs, il est essentiel de comprendre d'abord que les "sites émetteurs" incluent les stations de base, les récepteurs et les émetteurs-récepteurs. Comme l'explique Powell, le nombre de sites d'émetteurs utilisés s'applique principalement aux zones urbaines denses où des antennes à ondes millimétriques sont utilisées.

Nichols ajoute également que d'une manière générale, les nouvelles bandes FR1 sont plus élevées que les applications cellulaires traditionnelles généralement inférieures à 2.6 GHz et que la perte de propagation radio est plus élevée à ces fréquences. Par conséquent, "assurer des budgets de liaison appropriés avec ces bandes signifie des cellules plus petites (distance plus courte sur laquelle le signal se déplace), beaucoup plus aiguës dans l'espace FR2, pour FR2, où même pour les systèmes sans fil fixes, nous ne pouvons pas nous attendre à ce que les cellules soient plus grandes que peut-être un rayon de 300 mètres. Par conséquent, plus de cellules seront nécessaires », conclut-il.

« Les pertes de propagation nécessiteront des cellules plus petites et donc beaucoup plus de sites cellulaires. Et l'avantage de capacité en ajoutant ces sites profitera aux zones à plus forte densité de population. il dit. "Que la zone soit prise en charge par 600 MHz ou jusqu'à 3.5 GHz, le nombre de sites cellulaires est susceptible d'augmenter."

Dial ajoute qu'un nouveau matériel doit être déployé chaque fois que de nouvelles bandes de fréquences sont utilisées. « Les nouvelles bandes qui deviennent disponibles ont tendance à avoir une fréquence plus élevée que celles actuellement déployées, dit-il, « et par conséquent, elles ne se propagent pas aussi loin. Par conséquent, plus de sites doivent être construits pour couvrir une géographie donnée qu'il n'en fallait pour déployer le réseau actuel à des fréquences plus basses.

"L'efficacité spectrale est essentielle dans les communications mobiles", explique Nichols, qui explique que l'efficacité spectrale est mesurée en bits/seconde/Hz/mètre carré, où "Hz" est la bande passante disponible. Jusqu'à présent, les améliorations de l'efficacité spectrale ont été significatives, basées sur des investissements technologiques dans de nouvelles formes d'onde radio, des techniques de modulation et de codage en plus des nouvelles technologies MIMO.

"Mais les améliorations de l'efficacité spectrale résultant de la réduction de la taille des cellules sont des milliers, voire des dizaines de milliers de fois plus importantes que les améliorations apportées à l'aide de toute autre technique", déclare Nichols. "C'est le cas depuis que la communication radio a été inventée."

"La diminution de la taille des cellules permet une plus grande réutilisation des fréquences, mais signifie également plus de stations de base", ajoute-t-il.

"Pour réaliser la vision de la 5G, davantage de sites cellulaires, dans la plupart des cas, beaucoup plus petits et de faible puissance sont nécessaires."

Selon Powell, dans les zones prises en charge par les radios 5G à ondes millimétriques, un amplificateur sera nécessaire car «les fréquences sont trop élevées pour une pénétration suffisante dans les bâtiments».

« Cela rend les solutions intégrées au bâtiment plus importantes que jamais », déclare-t-il. "Un émetteur 5G enverra un signal très propre à l'antenne externe du booster, qui traversera ensuite le mur du bâtiment via un câble, avant d'être amplifié et retransmis à l'intérieur.

Elgazzar ajoute que les répéteurs seront utilisés dans certains cas d'utilisation de la 5G "uniquement pour les très petits bureaux/magasins".

« Les répéteurs peuvent contrer les problèmes associés à la pénétration dans les bâtiments, en particulier dans le FR2, dit-il, », mais il s'agit d'une vision du marché de l'extérieur vers l'intérieur. Pour la 5G et la densification, une stratégie intégrée/haute densité est nécessaire pour prendre en charge à la fois le débit ultra large bande et les cas d'utilisation à faible latence.

Nichols convient de l'importance de prendre en compte les performances de l'intérieur vers l'extérieur dans les systèmes cellulaires. "C'est un défi technologique depuis la 1G", explique-t-il. "De nombreuses approches différentes ont été mises en œuvre, notamment des boosters, des systèmes d'antennes distribuées, des schémas MIMO tridimensionnels et même des petites cellules montées à l'intérieur (ou dans des parkings à plusieurs étages, ou des stades, etc.)."

"La tendance à cela se poursuivra puisque la même physique s'applique à l'acheminement des signaux vers et depuis l'endroit où ils doivent être", conclut Nichols. "La situation FR2 est plus aiguë, la propagation à travers les murs et les fenêtres et dans les coins étant beaucoup moins fiable que les bandes cellulaires et Wi-Fi traditionnelles."

« Pour optimiser les performances des systèmes FR2, nous pouvons nous attendre à voir des relais et boosters FR2 sur le marché. Certaines premières versions de ceux-ci attirent déjà beaucoup d'attention sur les circuits de parole technique en 5G.

Dial prédit que « les sites dans les bâtiments auront besoin de réseaux à débit extrêmement élevé et à faible latence pour prendre en charge des applications telles que la réalité virtuelle et l'apprentissage automatique. Mais il y aura d'autres applications auxquelles on n'a pas encore pensé, activées par le nouvel ensemble de fonctionnalités de la 5G. Alors que pour Chuck Powell, le lieu idéal pour la 5G serait "un environnement de visibilité directe avec un niveau extrêmement élevé de densité d'utilisateurs".

"Cela permettrait aux antennes à ondes millimétriques à haute capacité d'être utilisées sans aucune des limitations normales causées par leur plage de propagation plus petite", déclare, citant les stades de football et les parkings comme de bons exemples.

«Ce sont les types de sites qui bénéficient déjà d'antennes multifaisceaux hautement spécialisées telles que les lentilles Luneburg», explique-t-il. "Les réseaux 5G Massive MIMO remplaceront la lentille de Luneburg avec la capacité d'orienter plus de faisceaux dans de nombreuses directions différentes."

Auparavant, le « terrain d'entente pour la fréquence moyenne » impliquait la technologie 8T8R largement déployée dans la bande 2.5 GHz en Amérique du Nord et dans d'autres parties de l'Asie. Comme l'explique Powell, les formateurs de faisceaux 8T8R permettaient une direction en azimut pour chaque utilisateur, mais l'inclinaison en élévation était contrôlée par un mécanisme de déphasage mécanique qui exige que toutes les fréquences s'inclinent au même angle.

"Ce type d'antenne peut être meilleur pour les zones modérément denses qui ont besoin de capacité qu'un système MIMO x4 typique", dit-il, "mais il n'a pas assez d'utilisateurs dans le rayon de la cellule pour justifier un système MIMO massif."

Parce que la 600G à 5 MHz continuera de s'appuyer sur le MIMO 4×4. C'est parce que, selon Powell, les longueurs d'onde nécessaires pour une version MIMO massive sont « beaucoup trop grandes pour être installées sur une tour. Leur modèle de couverture ne sera pas très différent des technologies précédentes.

"Dans les zones urbaines denses, où les ondes millimétriques sont utilisées, beaucoup de gens parlent de la "tour" retirée du réseau", poursuit-il. "Ils ont raison, la taille des cellules de 200 m ne nécessite pas une grande tour", dit-il. « Les antennes elles-mêmes sont relativement petites et seront plus proches du sol pour réduire les pertes de propagation.

« La bande 3.5 GHz sera un mélange intéressant entre les deux extrêmes », dit-il. "Certains réseaux 3.5 GHz seront simplement intégrés dans des antennes macro traditionnelles pour fournir 4xMIMO, d'autres seront massivement MIMO, tandis que d'autres encore pourront choisir une technologie qui se situe entre x4 MIMO et Massive MIMO."

Comme l'explique Tom Kuklo, Global Product Manager In-Building Solutions chez RFS, "Lorsque nous envisageons de fournir la 5G dans des environnements de tunnel, les opérateurs sont confrontés à des défis encore plus importants en matière de pénétration et de densité du signal s'ils veulent atteindre les vitesses de téléchargement nécessaires".

"Les tunnels nécessiteront une antenne distribuée MIMO pour former l'épine dorsale de l'infrastructure afin de fournir le signal 5G", poursuit-il. "Il existe plusieurs façons d'aborder cela, mais nous avons constaté que l'utilisation de câbles polarisés verticalement et horizontalement offre le moyen optimal de fournir la 5G dans un environnement aussi difficile."

"Parce que les environnements de tunnel rendent les installations particulièrement délicates, ceux qui prennent des décisions sur les produits doivent réfléchir à la manière dont l'équipement dans lequel ils investissent aujourd'hui répondra aux besoins de couverture futurs pour éviter d'avoir à détruire et à remplacer plus tard", conclut-il.

«Lors de la sélection du câble rayonnant qui aidera à créer cette dorsale pour la livraison 5G, les responsables des achats doivent se tourner vers l'avenir en sélectionnant des équipements sans bandes d'arrêt. Cela donne une flexibilité maximale et permet à l'infrastructure d'aujourd'hui de répondre aux exigences de demain.

Le potentiel de la 5G pour étendre les utilisations et les capacités de la technologie mobile est énorme, c'est pourquoi il est si crucial que les plans de spectre 5G tiennent compte de la bande passante et de la propagation. Étant donné que la 5G doit fonctionner sur trois spectres - bas, moyen et haut - pour offrir une couverture et une prise en charge adéquates pour tous les cas d'utilisation, les bandes mobiles choisies doivent tenir compte de ces exigences. En général, le spectre 3.5 GHz est la véritable option "Goldilocks" car il peut convenir à la fois aux environnements urbains à haute densité et satisfaire les macrocellules nécessaires à la couverture de zones plus larges, y compris l'accès sans fil fixe. En raison de sa polyvalence et de son adaptabilité, de nombreux fournisseurs de réseau pensent que 3.5 GHz est la meilleure option pour la plupart des réseaux 5G.

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