【 01 INTRODUCTION 】
Face à l'augmentation constante du nombre d'utilisateurs de smartphones, la demande de capacité voix et données dans les réseaux cellulaires représente un défi pour tous les opérateurs à travers le monde, et ce problème ne disparaîtra pas avec l'arrivée de nouvelles technologies et de nouvelles fréquences. La croissance extraordinaire du trafic de données sans fil, notamment pour la visioconférence, le streaming multimédia et la télévision mobile, accroît continuellement la demande de capacité dans les réseaux cellulaires.
Dans les stades, les places publiques et autres lieux très fréquentés par les utilisateurs de smartphones, la demande en capacité voix et données est particulièrement forte. Pour répondre à cette demande, les opérateurs explorent différentes solutions pour étendre la capacité du réseau.
1) L'ajout de stations de base est une solution efficace, mais coûteuse, pour augmenter la capacité du réseau. De manière générale, l'acquisition de nouveaux terrains est longue et de plus en plus onéreuse. Avec des distances inter-sites médianes qui ont diminué de 5 km à 2 km, et récemment à moins de 200 m dans les zones urbaines denses, l'opérateur dispose de moins en moins de choix pour sélectionner des terrains abordables. Doubler le nombre de stations de base double approximativement la capacité du réseau et le débit par utilisateur (en supposant une densité d'utilisateurs constante), et améliore considérablement le débit maximal par utilisateur et le débit global par km².
2)L'ajout de porteuses (ou plus précisément, de bande passante) augmente directement la capacité. La norme LTE est particulièrement performante pour exploiter une bande passante accrue. De plus, aux États-Unis, la FCC autorise l'augmentation de la puissance rayonnée grâce à la bande passante des bandes PCS, AWS et inférieures à 700 MHz, ce qui améliore la pénétration et la couverture. Doubler la bande passante double au moins le débit.
3)Réduction du bruit. Dans les réseaux 3G et 4G LTE, la réduction du bruit sur le trajet radiofréquence est essentielle. Le bruit externe, provenant de diverses sources (réflexion multi-trajets, bruit ambiant et interférences des cellules adjacentes ou proches), peut considérablement diminuer la sensibilité du récepteur à la station de base. À mesure que le bruit augmente dans le secteur, les mobiles augmentent la puissance de leur signal, générant ainsi davantage d'interférences en liaison montante. Le bruit sur le trajet radiofréquence est également problématique, le bruit thermique et l'intermodulation passive (PIM) étant les principaux responsables.
4)Augmenter la réutilisation des fréquences. Une autre façon d'accroître la capacité consiste à créer davantage d'opportunités de réutilisation des fréquences grâce à une sectorisation d'ordre supérieur.
5)Parmi les différentes stratégies présentées ci-dessus, la méthode traditionnelle d'ajout de cellules et d'acquisition de spectre supplémentaire pose des problèmes importants de coûts et de délais. L'acquisition et la construction des sites peuvent généralement prendre jusqu'à deux ou trois ans. Le coût total dépasse 200 000 USD, incluant l'acquisition, la construction et la mise en service. Quant à l'ajout de spectre supplémentaire, lorsqu'il est disponible, il peut facilement coûter des milliards de dollars. Le déploiement de petites cellules est également présenté comme une excellente solution pour augmenter la capacité du réseau. Cependant, il ne permet pas de répondre immédiatement aux besoins de capacité accrue des fournisseurs de services.
【 02 SECTORISATION TRADITIONNELLE 】
Afin d'éviter les interférences dans les systèmes à canaux, les canaux de fréquence doivent être géographiquement séparés. La sectorisation permet de réduire le nombre de secteurs (cellules) sujets aux interférences, car la puissance du secteur est concentrée vers l'avant.
Au cours des 50 dernières années, la capacité des réseaux sans fil a été multipliée par environ 1 000 000⁶. Cette croissance est due à une meilleure efficacité spectrale, à un spectre plus large et à un plus grand nombre de cellules/secteurs. Depuis les années 1990, la sectorisation est l'une des stratégies les plus répandues et efficaces pour accroître la capacité des sites et des réseaux.
Les premiers systèmes sectorisés ont remplacé les antennes omnidirectionnelles standard à 360 degrés par trois antennes directionnelles distinctes. La configuration la plus courante utilise trois antennes, chacune ayant une ouverture de faisceau azimutale nominale de 65 degrés. Bien que les antennes d'une cellule sectorisée partagent une station de base émettrice-réceptrice (BTS), chacune est gérée et exploitée indépendamment, avec son propre niveau de puissance, ses fréquences et ses canaux.
L'utilisation de trois antennes sectorielles directionnelles au lieu d'une seule antenne omnidirectionnelle réduit considérablement les interférences entre cellules co-canal et triple les possibilités de réutilisation des fréquences. De ce fait, les fournisseurs de services bénéficient de gains de capacité significatifs.
【 03SECTORISATION DE HAUT ORDRE 】
Il y a plus de dix ans, les fournisseurs de services ont commencé à explorer le potentiel de capacité offert par la sectorisation d'ordre supérieur, qui consiste à diviser le système conventionnel à trois secteurs en un système à six secteurs. Un déploiement à six secteurs utilise deux faisceaux étroits de 33° en remplacement d'une antenne sectorielle à faisceau de 65°. Grâce à la faible largeur de faisceau en azimut, la sectorisation d'ordre supérieur réduit non seulement les interférences par chevauchement, mais aussi la zone de transition douce, améliorant ainsi l'efficacité de la réutilisation des fréquences.
En comparant l'antenne à faisceau étroit à 33° avec une antenne sectorielle classique à 65°, l'antenne à faisceau étroit offre une atténuation rapide, ainsi qu'une meilleure suppression des lobes secondaires et du lobe arrière. De plus, lorsqu'un secteur de 120° est divisé en deux petits secteurs égaux en remplaçant une antenne sectorielle classique par deux antennes à faisceau étroit, chacun de ces secteurs peut être contrôlé indépendamment afin d'optimiser le réseau et de personnaliser la zone de couverture du site cellulaire.
La figure 1 illustre la réduction significative du chevauchement intersecteur lors du passage d'une antenne à 65 degrés à une antenne à 33 degrés. La réduction du chevauchement diminue la zone de transition douce et permet des gains de capacité supplémentaires.
Pour le déploiement à six secteurs, deux points de niveau de croisement entre les secteurs divisés peuvent être optimisés à -6 à -10 dB, ce qui est un bon niveau de croisement pour le transfert entre les secteurs pour les systèmes 2G, 3G et LTE.
【 04 L'INCONVÉNIENT DE LA SECTORISATION D'ORDRE SUPÉRIEUR PAR 】
La méthode traditionnelle de déploiement d'un site à six secteurs consiste à remplacer trois antennes sectorielles de 65° par six antennes panneaux à faisceau étroit, ce qui double le nombre d'antennes avec une sectorisation d'ordre supérieur. Ce nombre accru d'antennes implique un doublement des coûts, incluant l'achat, l'emballage, le transport et le déploiement.
En général, une antenne à faisceau étroit de 33° est beaucoup plus large qu'une antenne panneau de 65°, car elle nécessite un réseau d'antennes supplémentaire pour obtenir un faisceau azimutal plus étroit. Cette largeur accrue a un impact visuel important sur le site. De plus, la grande surface de l'antenne panneau génère une prise au vent nettement supérieure à celle de l'antenne panneau de 65°. Enfin, l'antenne à faisceau étroit, plus volumineuse, alourdit également le pylône.
Un autre problème lié à l'utilisation de deux antennes à faisceau étroit en remplacement de l'antenne panneau de 65° réside dans les erreurs d'alignement lors du déploiement. Ces deux antennes doivent être alignées avec précision pour remplacer une antenne secteur de 120° et optimiser ainsi la zone de recouvrement, les interférences intra-secteur et les points de croisement.
Pour la raison évoquée ci-dessus, le site à six secteurs utilisant des antennes à faisceau étroit n'a pas suscité beaucoup d'intérêt sur le marché des télécommunications.
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