Technologie de réseau cellulaire à petites cellules: principale tendance IoT/5G pour 2023 et au-delà

L'une des principales tendances du milieu de la décennie pour les réseaux cellulaires 5G est l'utilisation de petites stations de base à faible consommation d'énergie comme nœuds dans le réseau cellulaire. Ces nœuds cellulaires sont connus sous le nom de petites cellules et forment un changement marqué par rapport aux grandes tours cellulaires et aux stations de base traditionnelles (appelées macrocellules) qui fournissent généralement une couverture cellulaire sur une large zone.

Bien que  la technologie des petites cellules ne soit pas nouvelle, elle prend de plus en plus d'importance dans l'infrastructure des réseaux cellulaires et est de plus en plus orientée vers le consommateur et adaptée à un large éventail de nouvelles applications de réseau. Il permettra aux opérateurs de réseau non seulement de fournir une connectivité à faible latence sur l'ensemble des réseaux, mais aussi de répondre à la demande croissante d'applications IoT. Il y a donc une empressement à augmenter la densité de l'offre de réseau actuelle avec ces nouveaux appareils radio plus petits. La technologie des petites cellules est également un moyen par lequel les réseaux cellulaires 5G sont susceptibles de devenir de plus en plus décentralisés, les modèles de réseau peer-to-peer devenant prédominants.

Ce résumé examinera ce que sont les petites cellules, la demande de réseaux cellulaires à petites cellules, les applications clés et les exigences en matière d'antennes pour les petites cellules.

Qu'est-ce qu'une petite cellule?

Le terme «petite cellule» est utilisé pour décrire une classe d'équipement de radiocommunication physiquement compact et de faible puissance, capable de fonctionner comme une station de base. À l'instar des macrocellules conventionnelles, les petites cellules peuvent transmettre des ondes millimétriques grâce aux  technologies MIMO et de formation de faisceaux à plus petite échelle.

Ces nœuds d'accès radio sont utilisés pour fournir une couverture de téléphonie cellulaire et d'Internet mobile dans leur zone immédiate. Ils peuvent être utilisés avec des parties du spectre radioélectrique sous licence ou sans licence et la distance parcourue varie, qui ne dépasse généralement pas quelques centaines de mètres par rapport à une macrocellule standard.

La prestation de services d'une petite cellule est très localisée. Cela signifie qu'ils sont utilisés pour fournir des zones de couverture ciblées, par exemple à l'intérieur d'un bâtiment ou dans des zones extérieures confinées. Plusieurs petites cellules peuvent être utilisées pour mieux répartir la couverture au sein d'un réseau cellulaire, augmentant ainsi sa capacité et la qualité de ses connexions dans une zone spécifique. Les petites cellules nécessitent un backhaul, qui peut être câblé, sans fil ou en fibre, ainsi que des connexions électriques qui détermineront leur emplacement et ajouteront des dépenses à une installation.

En quoi les petites cellules diffèrent-elles des boosters cellulaires?

Les boosters cellulaires et les petites cellules ne sont pas les mêmes, bien que les deux puissent être utilisés pour améliorer la couverture cellulaire dans une zone spécifique. Les amplificateurs cellulaires sont des répéteurs de signal cellulaire qui se composent d'une antenne donneuse, d'un amplificateur et d'une antenne intérieure qui rediffuse un signal cellulaire acquis et amplifié de l'extérieur. Les petites cellules sont des stations de base miniaturisées qui génèrent leur empreinte cellulaire plutôt que de rediffuser un signal existant.

Types de petites cellules

Il existe de nombreux types de petites cellules. Les petites cellules sont généralement classées par taille, capacité et application. Ils peuvent également être classés en fonction de leur volume et de leur niveau de puissance transmise. Par exemple, une petite cellule de moyenne portée a un volume compris entre 5 et 15 litres et est capable d'une puissance d'émission allant jusqu'à 12W. Voici quelques-uns des principaux types de petites cellules disponibles dans le commerce:

• Qu'est-ce qu'une femtocellule? Les femtocellules sont les plus petites cellules (de la taille d'une paume) disponibles et fournissent une connectivité cellulaire hyper-cible dans une petite zone avec un backhaul sans fil. Leur couverture typique se situe entre 32 et 164 pieds (10 à 50 mètres). Elles consomment également moins d'énergie (110 milliwatts) et de bande passante que les autres petites cellules et sont utilisées comme des solutions à faible impact et à faible encombrement qui peuvent compléter la couverture là où il existe un backhaul réseau existant. Les femtocells grand public peuvent être utilisées à la maison pour fournir une couverture cellulaire complète pour les appels téléphoniques. Ils peuvent également être utilisés dans les petits bureaux pour fournir une couverture cellulaire à large bande au personnel et couvrent généralement entre 8 et 16 utilisateurs. Les femtocells utiliseront la bande passante existante pour fournir leur couverture, de sorte que la qualité de la connectivité à large bande diminuera si un appel téléphonique est passé.
• Que sont les picocellules? Les picocellules sont des stations de base légèrement plus grandes que les femtocellules, environ de la taille d'une rame de papier A4. Ils offrent une plus grande zone de couverture que les femtocells (jusqu'à 200 mètres / 656 pieds) et consomment plus de puissance (250 milliwatts) et de bande passante. Ils sont généralement installés dans des bâtiments ou des avions pour fournir une couverture ou augmenter la capacité du réseau dans les zones à fort trafic où l'utilisation du téléphone et des appareils est élevée. Ils sont avantageux lorsqu'il est difficile d'obtenir une couverture de macrocellules et que chaque picocellule peut être utilisée par jusqu'à 70 appareils. Les picocells se connectent à un contrôleur de station de base (BSC) qui gérera le transfert de données entre le picocell et le centre de commutation ou la passerelle le plus proche via une connexion filaire ou fibre. Les cellules Pico sont plus intégrées aux macrocellules et améliorent la capacité de données mobiles là où il existe une couverture réseau existante.
• Qu'est-ce qu'une microcellule? Les microcellules sont une autre solution pour ajouter de la capacité à une zone avec une couverture cellulaire existante et peuvent être utilisées de manière interchangeable avec les picocellules. Ces tours cellulaires miniaturisées sont légèrement plus grandes que les picocellules et peuvent atteindre une couverture allant jusqu'à 2 kilomètres (1,2 miles) avec un backhaul filaire ou en fibre. La puissance (2 à 5 watts) de la microcellule déterminera sa couverture, qui peut être utilisée dans les centres commerciaux, les gares et les stades. Les microcellules peuvent être utilisées exclusivement pour former des réseaux avec transfert entre les cellules individuelles. Les microcellules sont plus chères que les femtocellules et les picocellules et sont généralement utilisées dans des contextes commerciaux.
• Qu'est-ce que les Metrocells? Les Metrocells sont des stations de base compactes qui sont distribuées à l'extérieur dans les zones urbaines pour améliorer la capacité, la vitesse et la qualité de service des réseaux cellulaires commerciaux. Ils sont installés par des compagnies de téléphonie cellulaire et fonctionnent principalement dans le spectre sous licence. Leur taille plus petite permet de monter discrètement les metrocells sur des lampadaires, des abribus ou des panneaux publicitaires, ainsi que sur d'autres structures urbaines. Les Metrocells sont conçues pour fournir un niveau de couverture spécifique spécifié par l'opérateur de réseau. Ils sont surveillés et gérés par l'opérateur pour s'assurer qu'ils offrent une faible latence et une couverture sans interférence allant jusqu'à 200 mètres (328 pieds).

Les petites cellules peuvent être utilisées comme:

• Stations de base domestiques (Home BS): Petites cellules utilisées dans le cadre domestique.

Stations de base locales (Local Area BS): Il s'agit de solutions de réseau cellulaire d'entreprise conçues pour les bureaux et autres environnements commerciaux. Ils peuvent fournir des services au grand public qui passent par des environnements intérieurs comme les gares ferroviaires ou routières.

• Stations de base de moyenne portée (Medium Range BS): Ces stations de base offrent une couverture étendue et sont mises en réseau pour une utilisation dans des zones rurales ou éloignées comme les villages. Selon la conception de la station de base, ces stations de base peuvent être rapidement déployées en cas d'urgence ou de catastrophe.
• Systèmes intégrés aux bâtiments (SCI): Un système intérieur est conçu pour fournir une couverture cellulaire dans un bâtiment.

Il est également possible de mettre en réseau de petites cellules en tant que nœuds au sein d'un  système d'antennes distribuées, chaque petite cellule du système fournissant une zone de couverture individuelle à faible puissance. La couverture équivalente de tous les nœuds correspondrait à celle d'une macrocellule sans l'espace et l'infrastructure nécessaires à la construction d'une grande tour cellulaire. Les installations de petites cellules peuvent être mobiles ou fixes, les petites cellules étant de plus en plus utilisées à bord des avions, des navires et des trains.

Pourquoi les petites cellules sont-elles importantes?

Augmentation de la demande des utilisateurs finaux

Les petites cellules sont de plus en plus nombreuses pour répondre à la demande croissante de connectivité mobile. Cela est principalement dû au smartphone, qui représente plus de 50 % des connexions au réseau cellulaire dans le monde. Les smartphones sont également responsables de l'utilisation accrue des appareils cellulaires à l'intérieur (maintenant plus de 80 % de l'utilisation mobile), avec une augmentation de la consommation de données par appareil.

Les smartphones et les ordinateurs portables étant de gros consommateurs de données, ils nécessitent une connexion haut débit mobile de qualité. Cependant, des débits de données plus élevés ne sont obtenus qu'à proximité des antennes des stations de base du réseau.

Un besoin de couverture intérieure robuste

L'augmentation de la couverture intérieure est un casse-tête pour les opérateurs de réseau, car les améliorations apportées à l'isolation et au vitrage des bâtiments ont réduit la pénétration du signal cellulaire dans les bâtiments. Il a été démontré que l'atténuation du signal cellulaire est plus importante dans les bâtiments plus récents et mieux isolés. Les petites cellules sont donc privilégiées comme solution pour améliorer la couverture à l'intérieur des bâtiments, car elles peuvent être déployées à l'intérieur des bâtiments pour fournir directement la couverture requise.

Dans les environnements commerciaux ou les bâtiments publics, les petites cellules sont nécessaires pour fournir la qualité de service que le public exige. Alors que l'utilisation des téléphones mobiles à l'intérieur atteint plus de 90 % au milieu de la décennie, le nombre et la distribution des petites cellules augmenteront également.

Une alternative à faible impact à la macrocellule

Les petites cellules sont également discrètes, ce qui signifie qu'elles sont susceptibles de pouvoir être installées dans des endroits où une macrocellule n'obtiendrait pas de permis de construire. Leur faible encombrement signifie qu'ils peuvent être installés à proximité de bâtiments d'intérêt culturel ou historique, tout en restant respectueux de l'environnement environnant. Les petites cellules sont avantageuses pour les urbanistes car elles sont généralement montées à une hauteur ne dépassant pas 45 pieds, par rapport aux tours cellulaires qui peuvent atteindre 200 pieds de hauteur. Les planificateurs semblent favoriser les infrastructures à petites cellules, car elles peuvent se fondre dans l'environnement environnant et fournir un service localisé efficace. Cela permet aux déploiements de réseaux cellulaires de se dérouler avec peu de retard administratif de la part du gouvernement local.

Un paysage réglementaire en mutation

En tant que modules d'accès radio de faible puissance, les petites cellules sont soumises à des réglementations nationales et internationales. À l'heure actuelle, l'approche de réglementation des petites cellules n'est pas harmonisée à l'échelle mondiale, car les déploiements de petites cellules sont largement ponctuels et ne font pas l'objet d'une approche uniforme. Le déploiement de la 5G a mis en évidence la question, car les petites cellules sont un composant clé des réseaux cellulaires 5G, leur permettant d'atteindre la capacité de réseau requise en particulier pour la connectivité IoT. Le réseau 5G sera hétérogène ou un hetnet, constitué d'une couverture étendue fournie par des macrocellules ainsi que de poches de couverture localisée ciblée à l'échelle d'une petite cellule. Les processus réglementaires et administratifs et les limites d'exposition aux RF pour le développement de nouveaux sites cellulaires sont actuellement basés sur l'évaluation des exigences des macrocellules plutôt que des petites cellules, ce qui nécessitera presque certainement un examen de leurs exigences d'enregistrement.

Déploiement rapide et facile

Le matériel à petites cellules est conçu pour un déploiement rapide et facile avec du matériel compact qui peut être facilement monté dans des emplacements discrets et à espace limité. Cela signifie que le déploiement de petites cellules au sein d'un réseau particulier peut être réalisé rapidement.

Antennes à petites cellules pour les réseaux cellulaires peer-to-peer et privés

Les petits appareils radio cellulaires sont déjà utilisés pour fournir une couverture 3G et 4G/LTE pour les réseaux cellulaires privés. L'expansion des réseaux cellulaires privés à l'ère de la 5G a ouvert la voie à la création d'un réseau 5G peer-to-peer qui utilise de petites cellules privées comme passerelles.

L'exemple le plus mature de cette forme de réseau 5G open source est le partenariat entre FreedomFi et Wi-Fi HaLow.

Wi-Fi HaLow 5G fournira un réseau national de passerelles de réseau cellulaire privées fonctionnant sur la  bande de fréquence du Citizens Broadband Radio Service (CBRS). Ce réseau peer-to-peer de nœuds cellulaires sera disponible pour l'utilisation d'applications IoT et le déchargement des réseaux de l'opérateur. Les participants privés au réseau peuvent acheter du matériel de passerelle qui peut être connecté à une petite cellule pour fournir une partie de la couverture cellulaire du réseau. Le propriétaire de la passerelle est alors payé dans une crypto-monnaie propriétaire pour fournir du temps de fonctionnement du réseau.  Les passerelles 5G Wi-Fi HaLow fonctionnent avec des femtocellules, des picocellules ou des microcellules de bande CBRS appropriées. La qualité de la petite cellule et de toute antenne cellulaire externe connectée déterminera les performances de la passerelle et son potentiel de gain.

De nouvelles antennes pour les petites cellules

Le choix de l'antenne est essentiel aux performances d'une solution de réseau cellulaire à petites cellules. Ils affectent non seulement la qualité de la couverture obtenue, mais aussi le nombre de petites cellules nécessaires, ainsi que le coût global de déploiement, y compris la location et l'entretien continus du site. Les radios à petites cellules seront équipées d'une antenne interne, qui est l'antenne par défaut et est régulièrement utilisée pour sa commodité. Cependant, une approche plus judicieuse de la sélection des antennes pourrait réduire considérablement le nombre de sites de petites cellules.

Les opérateurs de réseau et les petits fournisseurs de réseaux cellulaires recherchent des antennes pour répondre aux différentes exigences d'utilisation rencontrées dans un déploiement de petites cellules 4G ou 5G. Les solutions d'antenne pour les petites cellules doivent être faciles à obtenir et simples. Les antennes utilisées sont généralement des antennes panneau (directionnelles) ou des antennes omnidirectionnelles.

Les conceptions d'antenne sont sélectionnées pour un impact visuel minimal. Les conceptions discrètes comprennent des cartouches cylindriques   et des omni-antennes pour l'éclairage, ainsi  que des antennes et des panneaux Yagi enveloppés  dans les centres commerciaux et les stades.

Pour les opérateurs de réseau, la priorité dans le choix des antennes pour les petites cellules, outre le respect de la capacité RF et des objectifs de conception, est la capacité à faire évoluer les installations de petites cellules et à réduire le temps de cycle et les coûts permanents.

Antennes externes pour les réseaux à petites cellules

L'antenne interne d'un petit site cellulaire est enfermée dans le dispositif radio, pour un encombrement réduit qui facilite l'acquisition d'emplacements et d'autorisations de planification pour des installations discrètes sur le mobilier urbain dans les zones où une capacité accrue est nécessaire. L'antenne incluse avec une petite cellule a sans aucun doute un gain inférieur à celui des antennes externes et également une inclinaison fixe qui ne peut pas être ajustée. Les radios à petites cellules permettent toutefois de connecter une antenne externe compatible, généralement via un connecteur SMA. Une antenne externe aura un gain plus élevé et fournira également une inclinaison variable, ce qui signifie que l'antenne peut être ajustée manuellement pour concentrer la zone du faisceau vers le bas afin d'améliorer le débit de données dans une zone à forte utilisation. Étant donné que les antennes externes peuvent être sélectionnées et montées avec plus de discernement et d'ajustements si nécessaire, la couverture de petites cellules obtenue peut faire face à un débit et à des débits de données plus élevés avec moins d'interférences.

En tant que l'un des principaux distributeurs de nouvelles antennes à petites cellules du Sud-Ouest, nous comprenons que la qualité des antennes est essentielle pour le déploiement d'une petite cellule.

Le choix d'une antenne interne ou externe pour votre installation de petites cellules peut affecter le déploiement de votre réseau cellulaire de plusieurs façons:

• Nos antennes de qualité sont construites selon les normes de fabrication les plus élevées et sont donc moins susceptibles d'être affectées par des défauts et des dégradations qui, au mieux, compromettent la qualité du service et, au pire, peuvent provoquer une défaillance du réseau et des temps d'arrêt coûteux. Sur un vaste réseau comptant des milliers d'antennes, même un taux de défaillance de 1 % peut coûter des centaines de milliers de dollars en visites sur site.
• Le vaste inventaire d'antennes cellulaires de Data Alliance  offre les performances constantes dont les utilisateurs finaux et les appareils IoT ont besoin. Grâce à des matériaux et à une fabrication durables, nos antennes cellulaires extérieures peuvent résister aux défis de chaque saison tout en conservant des performances exemplaires.

Parcourez notre inventaire ou contactez-nous directement par téléphone ou par courriel pour savoir comment nous pouvons vous aider à réussir le déploiement de petites cellules à n'importe quelle échelle.

5G Antennas: Types, Connector Types, Specifications: 

Nova Labs (Helium Miners) - Frequency Bands and Antenna Connector Types.