Technologie 5G

1. Introduction :

Le monde des télécommunications ne cesse d'augmenter donnant naissance à chaque fois à une nouvelle technologie plus performante que celle qui la précède. Les recherches en ce moment s'orientent vers une nouvelle génération la 5G qui présente une révélation des réseaux mobile basée sur le passage du mode matériel vers le mode logiciel.

 Dans ce chapitre nous allons étudier les raisons qui ont poussés les opérateur à concevoir une nouvelle génération et dans une seconde partie nous découvrirons la nouvelle architecture du réseau d'accès radio sur la quelle se base la 5G.

1. Besoin d'une nouvelle architecture:

1. Consommation massive de la puissance:

Vu que les opérateurs introduisent de  nouvelle interface air et augmentent le nombre de stations de base pour offrir des services sans fil à large bande, la consommation d'énergie augmente. Par exemple: au cours des 5 dernières années, China Mobile a presque doublé son nombre de BS, pour fournir une couverture de réseau de meilleure qualité. Par conséquent, la consommation totale d'énergie a doublé. La consommation d'énergie élevée se traduit directement par l'augmentation de l'OPEX et a un impact environnemental significatif, ce qui est de plus en plus inacceptable.

La figure ci-dessous montre que la majorité de la consommation d'énergie provient des stations de base dans le réseau d'accès radio( 72% de la consommation totale). À l'intérieur de la station de base, seule la moitié de la puissance est utilisée par l'équipement RAN alors que l'autre moitié est consommée par la climatisation et d'autres équipements intermédiaires.

La meilleure solution pour économiser l'énergie et réduire les émissions carboniques est de diminuer le nombre des BSs. Pour cela, les opérateurs adoptent des technologies de modification dans le réseau radio tels que  les solutions logicielles permettant d'éteindre les transporteurs pendant les heures d'inactivité, l'introduction des métriques "vertes" qui offre des énergies renouvelables (solaire, éolienne...) pour les station de base et la technologie de climatisation économique combiné avec les caractéristiques du climat et de l'environnement.

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Ces différentes méthodes ne peuvent pas résoudre les problèmes fondamentaux de la consommation d'énergie à cause de l'augmentation du nombre des BSs.

Pour cela, Les opérateurs ont recouru à une modification au niveau de l'architecture  du réseau d'accès à travers la centralisation de la station de base qui permet d'adopter des mécanismes de partage des ressources pour améliorer l'efficacité du taux d'utilisation des BS en charge de réseau.

1. Augmentation rapide du CAPEX/OPEX du RAN:

Au cours des dernières années, la consommation de données mobiles a connu une grande croissance vu que les abonnés utilisent des téléphones plus intelligents et d'autres appareils mobiles, comme les tablettes.

Alors, les changements technologiques rapides et la baisse des budgets de la voix ont mis  les opérateurs au défi avec le déploiement de la BS traditionnelle qui a un rendement insuffisant par rapport à son coût.

Le chiffre d'affaires mensuel moyen (Average Revenue Per User :ARPU)^[1] affectent la rentabilité de tous les opérateurs de la téléphonie mobile. Pour cela, ils deviennent de plus en plus prudents sur le coût total de possession (TCO)^[2] de leur réseau afin de rester rentable et compétitive.

Le TCO comporte le CAPEX (Capital Expenses) qui est associé à la construction de l'infrastructure de réseau et l'OPEX (Operating Expenses) qui est accordé à l'exploitation et la gestion du réseau.

1. CAPEX:

Regroupe toutes les dépenses effectuées par une société se rattachant à ses investissements matériels. Il englobe le coût principal de ces investissements ainsi qu'éventuellement leurs frais de démarrage ou d'adaptation à la production.

En général, jusqu'à 80% CAPEX d'un opérateur de téléphonie mobile est employé dans le réseau d'accès radio. Cela signifie que la plupart des CAPEX est liée à la construction de sites cellulaires pour le RAN. Les dépenses d'achat comprennent les achats de BS et des équipements supplémentaires, tels que les équipements électriques et de climatisation, etc.

D'après les recherches effectuées par Chine Mobile, le coût des grands équipements sans fil ne représente que 35% des CAPEX, alors que le coût de l'acquisition du site, travaux de génie civil, et l'installation de l'équipement est plus de 50% du coût total. Par conséquent, les moyens de réduction du coût des équipements, les dépenses d'installation et de déploiement des sites sont importants pour réduire le CAPEX des opérateurs.

1. OPEX:

Ce sont des charges supportées par une entreprise pour les besoins de son activité. Il s'agit des dépenses inhérentes à l'activité elle-même.

Dans le fonctionnement et l'entretien du réseau l'OPEX joue un rôle important dans le TCO. La figure ci-dessous montre une analyse du TCO affirmant que l'OPEX représente de 60% du coût total de possession, alors que le CAPEX est d'environ 40% du coût total de possession. L'OPEX est alors un facteur clé qui doit être considéré par les opérateurs dans la construction du RAN.

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Figure 1: Analyse du TCO

1. Evolution de l’architecture du réseau d’accès radio RAN :

    Le besoin de l'internet à haut débit présente une occasion pour le développement d'une architecture de réseau évoluée qui permet de maintenir la rentabilité et la croissance, de réduire les coûts ainsi que d’économiser l’énergie. De ce fait quelques modifications sont apportées au niveau du réseau d’accès radio.

1. Architecture traditionnelle :

L'architecture traditionnelle de RAN présente les caractéristiques suivantes:

Premièrement, chaque station de base (BS) connecte uniquement un nombre fixe d'antennes sectorielles qui couvrent une petite zone et ne traitent que les signaux d'émission / réception dans sa zone de couverture.

Deuxièmement, la capacité du système est limitée par les interférences, il est difficile d'améliorer la capacité du spectre, et les stations de base sont construites sur des plateformes propriétaires.

Côté installation, les RRH (Remote Radio Head) qui sont situées dans les armoires de sites de cellules avec les BBU (Base Band Unit) responsables tous deux des fonctions de traitement des signaux radio, étaient liées aux antennes  situées au sommet du pylône par un câblage en cuivre comme il est indiqué dans la figure ci-dessous.

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Figure 2: Architecture traditionnelle d'une BS

Les opérateurs doivent donc tenir compte des constructions des armoires, de l’alimentation, assurer une alimentation de secours et de l’installation de conditionnement d’air et il faut aussi mettre des amplificateurs afin de contourner les affaiblissements dues aux câbles de cuivre afin de construire une station de base.

Et afin de répondre à la croissance du trafic, les opérateurs doivent augmenter leurs capacités de réseau en déployant un grand  nombre de stations de bases ce qui est très couteux vu les exigences pour assurer les recommandations du réseau et sa maintenance et c’est la limitation majeur des anciennes générations.

1. L’apport des nouvelles architectures :

Dans les nouvelles cellules, tout le câblage en cuivre est remplacé par un câblage en fibre optique et les RRH sont découplées des BBU et sont déplacées au sommet du pylône tout près des antennes comme il est illustré dans la figure ci-dessous.

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Ce passage vers une infrastructure en fibre  nous offre plus d’évolutivité. En effet ça  permet d’accroitre la capacité du réseau, la bande passante et les débits, et nous offre aussi la possibilité d’atteindre de plus grandes distances avec le minimum de pertes.

Le RRH est le module RF qui joue le rôle d'interface entre le système antennaire et le BBU, du fait qu'il reçoit les signaux en bande de base de la BBU et les convertit en signaux RF pour le système antennaire. Le BBU quant à lui, représente l’équipement intelligent qui se charge de fournir des transmissions en bande de base.

Le lien en fibre entre le RRH et la BBU est assuré par des Protocoles D-ROF (Digital Radio Over Fiber) tel que CPRI (Common Public Radio Interface) ou encore OBSAI (Open Base Station Architecture Initiative).

1. Centralisation des BBU :

Le meilleur avantage de la migration vers un lien optique entre les RRH et les BBU et le fait que ça offre la possibilité de déplacer les BBU vers de très grandes distances et de les centraliser dans des emplacements centralisés qu’on appelle datacenter ou même encore un seul BBU peut prendre le contrôle de plusieurs stations de base  comme il est indiqué dans la figure suivante.

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Cette centralisation  permet aux opérateurs  de réduire le CAPEX et l’OPEX, en effet, un seul BBU peut contrôler 24 cellules ou plus donc on peut augmenter le nombre des sites tout en consommant moins d’énergie, moins de puissance et avec le moindre cout.