La nouvelle méthode du NIST pourrait augmenter la capacité du réseau sans fil 5G et réduire les coûts.
Les systèmes 5G éviteront la saturation des canaux sans fil classiques en utilisant des bandes de fréquences millimétriques plus élevées. Les transmissions à ces fréquences subissent une importante perte d'énergie, affaiblissant ainsi le signal reçu. Une solution consiste à utiliser des antennes « intelligentes » capables de former des faisceaux extrêmement étroits (la zone de l'espace où les signaux sont émis ou reçus) et de les orienter rapidement dans différentes directions.
La largeur du faisceau d'une antenne influe sur la conception et les performances des systèmes sans fil. Une nouvelle méthode, basée sur les mesures du NIST, permet aux concepteurs et ingénieurs de systèmes d'évaluer les largeurs de faisceau d'antenne les plus adaptées aux environnements réels.
« Notre nouvelle méthode pourrait réduire les coûts en optimisant la conception initiale du réseau et en éliminant une grande partie des tâtonnements actuellement nécessaires », explique Kate Remley, ingénieure au NIST. « Elle encouragerait également l'utilisation de nouvelles stations de base capables de transmettre simultanément ou rapidement à plusieurs utilisateurs, sans interférence entre les faisceaux d'antenne. Ceci permettrait d'accroître la capacité du réseau, de réduire les coûts et d'améliorer la fiabilité. »
Il s'agit de la première étude détaillée, basée sur des mesures, de l'interaction entre la largeur et l'orientation du faisceau d'antenne et l'environnement, et de son impact sur la transmission des signaux millimétriques. Cette technique utilise des mesures du NIST couvrant un large éventail d'angles de faisceau, converties en un diagramme de rayonnement omnidirectionnel couvrant tous les angles de manière uniforme. Ce diagramme peut ensuite être segmenté en faisceaux de largeur décroissante. Les utilisateurs peuvent ainsi évaluer et modéliser les performances attendues des caractéristiques du faisceau d'antenne sur différents types de canaux sans fil.
Un ingénieur pourrait utiliser cette méthode pour sélectionner l'antenne la mieux adaptée à une application spécifique. Par exemple, il pourrait choisir une largeur de faisceau suffisamment étroite pour éviter les réflexions sur certaines surfaces ou pour permettre à plusieurs antennes de coexister dans un environnement donné sans interférence.
Pour développer cette nouvelle méthode, l'équipe du NIST a recueilli des données expérimentales dans un couloir et le hall d'un bâtiment de recherche du NIST, à l'aide d'un robot spécial équipé d'une sonde de canal personnalisée et d'autres équipements. Une sonde de canal recueille des données qui capturent les réflexions, les diffractions et la diffusion du signal se produisant entre un émetteur et un récepteur. Bon nombre de ces mesures peuvent être utilisées pour créer une représentation statistique du canal radio afin de faciliter la conception et la normalisation de systèmes fiables.
Les résultats de l'étude du NIST confirment que les faisceaux étroits peuvent réduire considérablement les interférences et la latence du signal, et qu'une orientation optimisée du faisceau réduit les pertes de puissance lors des transmissions. Par exemple, le délai de propagation RMS (temps d'arrivée des réflexions du signal) a été considérablement réduit, passant de 15 nanosecondes (ns) à environ 1,4 ns, lorsque l'ouverture du faisceau de l'antenne a été réduite d'omnidirectionnelle (360 degrés) à un faisceau étroit de 3 degrés, appelé faisceau crayon.
Les recherches futures porteront sur l'adaptation de la méthode à différents environnements et l'analyse d'autres caractéristiques des canaux sans fil.
