Aider la technologie cellulaire 5G de nouvelle génération à voir au-delà des arbres

Les chercheurs du NIST ont étudié les effets des arbres sur les ondes millimétriques, qui sont prévues pour être utilisées dans la communication 5G. Crédit : N. Hanacek/NIST

Les mesures de l’impact des arbres sur les transmissions 5G pourraient s’avérer vitales pour l’utilisation d’une nouvelle classe de signaux.

À mesure que la technologie 5G sera pleinement mise en œuvre au cours des prochaines années, les téléphones portables et autres technologies sans fil deviendront plus puissants avec un flux de données accru et une latence plus faible. Mais avec ces avantages vient une question : votre téléphone portable de nouvelle génération sera-t-il incapable de voir la forêt pour les arbres ?

C’est une façon de décrire le problème auquel sont confrontés les concepteurs de réseaux cellulaires, qui doivent profiter à la fois des avantages et des inconvénients d’une nouvelle classe de signaux que la 5G utilisera : les ondes millimétriques. Non seulement ces ondes peuvent transporter plus d’informations que les transmissions conventionnelles, mais elles occupent aussi utilement une partie du spectre de diffusion que les technologies de communication utilisent rarement – une préoccupation majeure à une époque où les radiodiffuseurs se disputent des portions de spectre comme les prospecteurs jalonnant le territoire.

Cependant, les ondes millimétriques présentent également des inconvénients, notamment leur capacité limitée à pénétrer les obstacles. Ces obstacles incluent les bâtiments, mais aussi les arbres qui parsèment le paysage. Jusqu’à récemment, on savait peu de choses sur la façon dont les arbres affectaient la propagation des ondes millimétriques. Et tout comme peu d’entre nous voudraient imaginer un paysage sans verdure, peu de concepteurs seraient capables de planifier des réseaux autour de lui sans un détail fondamental aussi crucial.

Le National Institute of Standards and Technology (NIST) a entrepris de résoudre ce problème en mesurant l’effet des arbres sur les ondes millimétriques. L’effort pourrait faire une différence profonde dans la capacité de nos appareils de prochaine génération à voir les antennes 5G qui pourraient bientôt germer.

L’ère de la 5G comportera une communication sans fil non seulement entre les personnes, mais également entre les appareils connectés à l’Internet des objets. La demande accrue de téléchargements plus importants par les clients cellulaires et la réponse sans décalage du réseau par les joueurs ont incité l’industrie du sans fil à rechercher une communication plus rapide et plus efficace. Non seulement nos appareils et services actuels pourraient fonctionner plus efficacement, mais nous pourrions en réaliser de nouveaux : les véhicules autonomes dépendront d’une réponse réseau aussi rapide pour fonctionner.

« Nous pourrons faire de nouvelles choses si nos machines peuvent échanger et traiter des informations rapidement et efficacement », a déclaré Nada Golmie, chef de la division des réseaux sans fil du NIST au laboratoire de technologie des communications. « Mais vous avez besoin d’une bonne infrastructure de communication. L’idée est de se connecter, de traiter les données à un endroit et d’en faire des choses ailleurs.

Les ondes millimétriques, qui sont un nouveau terrain pour l’industrie du sans fil, pourraient faire partie de la solution. Leurs crêtes d’ondes ne sont distantes que de quelques millimètres, une distance très courte par rapport aux ondes radio qui peuvent atteindre plusieurs mètres de long. Et leurs fréquences sont très élevées, quelque part entre 30 et 300 gigahertz, ou milliards de crêtes d’ondes par seconde. Par rapport aux transmissions radio conventionnelles, qui se situent dans les gammes kilohertz (pour AM) et mégahertz (pour FM), les nouveaux signaux 5G seront en effet très haute fréquence – quelque chose comme un oiseau tweetant dans la gamme supérieure de l’audition humaine par rapport à la profondeur de la radio, basses basses.

C’est la haute fréquence des ondes millimétriques qui les rend à la fois alléchantes en tant que supports de données et difficiles à exploiter. D’une part, plus de crêtes d’onde par seconde signifie que les ondes peuvent transporter plus d’informations, et notre époque avide de données a besoin de cette capacité pour fournir ces téléchargements et réponses réseau plus rapides. D’autre part, les ondes à haute fréquence ont du mal à traverser les obstacles. Quiconque est passé près d’une maison ou d’une voiture dont les occupants jouent de la musique de danse forte sait que les basses fréquences lancinantes sont la plupart de ce qui atteint l’extérieur, pas les aigus d’une soprano chantante.

Pour les réseaux 5G, le mur d’obstruction ne peut être qu’une feuille de chêne. Pour cette raison, les scientifiques du NIST se sont lancés dans une tâche quelque peu inhabituelle en septembre 2019 : ils ont installé des équipements de mesure à proximité d’arbres et d’arbustes de différentes tailles autour du campus de l’agence à Gaithersburg, dans le Maryland. L’étude s’est poursuivie pendant des mois, en partie parce qu’ils avaient besoin d’une perspective saisonnière.

« L’étude des arbres est l’une des rares à examiner l’effet du même arbre sur une fréquence de signal particulière au cours de différentes saisons », a déclaré Golmie. « Nous ne pouvions pas seulement faire l’enquête en hiver, car les choses auraient changé en été. Il s’avère que même la forme des feuilles affecte la réflexion ou la transmission d’un signal.

L’équipe a travaillé avec la communauté sans fil pour développer l’équipement mobile nécessaire pour prendre les mesures. Les chercheurs se sont concentrés sur des arbres isolés et ont dirigé vers eux des signaux d’ondes millimétriques à partir d’une gamme d’angles et de positions, pour simuler des ondes provenant de différentes directions. Ils ont mesuré la perte, ou l’atténuation, en décibels. (Chaque 10 dB de perte est une réduction d’une puissance de 10 ; une atténuation de 30 dB signifierait que le signal est réduit d’un facteur de 1 000.)

« L’étude sur les arbres est l’une des rares à examiner l’effet du même arbre sur une fréquence de signal particulière au cours de différentes saisons. Même la forme des feuilles affecte la réflexion ou la transmission d’un signal. – Nada Golmie, chercheuse NIST

Pour un type d’arbre feuillu, l’ortie européenne, l’atténuation moyenne en été était de 27,1 dB, mais elle s’est relâchée à 22,2 dB en hiver lorsque l’arbre était nu. Evergreens a bloqué une plus grande partie du signal. Leur atténuation moyenne était de 35,3 dB, un nombre qui n’a pas changé avec la saison.

(À titre de comparaison, l’équipe a également examiné différents types de matériaux de construction. Les portes en bois, les murs en plaques de plâtre et le verre intérieur ont montré des pertes allant jusqu’à 40,5 dB, 31,6 dB et 18,1 dB, respectivement, tandis que les matériaux de construction extérieurs présentaient des pertes encore plus importantes , jusqu’à 66,5 dB.)

Alors que les contributions du NIST aux efforts de développement du réseau 5G pourraient finir par être aussi omniprésentes que les arbres eux-mêmes, pour la plupart d’entre nous, elles seront considérablement moins visibles. Les mesures effectuées par l’équipe sont principalement destinées aux entreprises qui créent des modèles de la façon dont différents objets affectent les ondes millimétriques. Une partie de l’effort était une collaboration avec Ansys Inc. La société a utilisé les données de mesure partagées par le NIST pour régler les modèles de simulation d’arbre, que les sociétés de téléphonie mobile utilisent pour planifier leurs réseaux d’antennes en détail.

« La plupart des modèles n’incluent pas d’informations basées sur des mesures sur les arbres », a déclaré David Lai du NIST, l’un des scientifiques qui a mené l’étude. « Ils pourraient simplement dire que pour une forme arborescente donnée, nous devrions nous attendre à une certaine perte de signal. Nous voulons améliorer leurs modèles en fournissant des données de propagation précises basées sur des mesures. »

La collaboration du NIST avec Ansys a contribué aux directives publiées par l’Union internationale des télécommunications (UIT), l’organisation qui crée des lignes directrices pour les normes de télécommunications. Les résultats apparaissent désormais sous la forme d’une nouvelle section sur les arbres dans la Recommandation UIT-R P.833-10 de l’UIT. Cette publication sert de référence pour les modèles de propagation du signal, que d’autres développeront.

« Notre objectif est d’obtenir ces mesures devant l’ensemble de la communauté sans fil », a déclaré Golmie. « Nous espérons que cet effort aidera l’ensemble du marché. »