Les antennes relais intègrent divers composants tels que des antennes, des stations émettrices-réceptrices de base, des mâts et des équipements au sol, qui permettent une communication cellulaire efficace en gérant les signaux émis par les appareils mobiles. La différence entre les antennes relais 4G et 5G réside dans l’amélioration de la vitesse, de la capacité et de la latence offerte par la technologie 5G. Des tests approfondis garantissent des performances et une fiabilité optimales de ces antennes.

Notre monde est plus connecté que jamais, et maintenir la stabilité des réseaux sur lesquels nous comptons tous nécessite une quantité énorme de ressources. Les antennes relais, communément appelées sites cellulaires ou stations émettrices-réceptrices de base, sont des composants essentiels des systèmes de télécommunications modernes. La structure physique contient l'équipement nécessaire à la transmission et à la réception des signaux radio pour une « cellule » ou une zone spécifique, d'où son nom. Les antennes relais facilitent les communications sans fil entre les appareils mobiles et le réseau. Ces structures jouent un rôle indispensable dans l'écosystème des communications sans fil, en nous permettant de passer des appels, d'envoyer des SMS et d'accéder à Internet depuis nos appareils mobiles. Elles nécessitent des tests intensifs.

En proposant des solutions flexibles, évolutives et rentables pour le test de nouvelles technologies complexes, NI contribue de manière significative à la mise en place d'infrastructures sans fil fiables. À mesure que les technologies sans fil évoluent et deviennent de plus en plus complexes, ce qui est particulièrement vrai avec l'avènement de la 6G, des solutions innovantes aideront les ingénieurs de test à acquérir une compréhension approfondie de la conception de réseau et des technologies de test nécessaires pour maintenir la disponibilité des antennes relais.

Si vous scrutez l'horizon, il est presque certain que vous apercevrez une antenne relais, même si vous ne la reconnaissez pas immédiatement. Les stations émettrices-réceptrices de base sont disponibles dans une grande variété de tailles, de la tour familière aux petites unités à peine plus grandes qu'un détecteur de fumée. Tout dépend de la couverture nécessaire et de la densité du trafic dans la région.

À quoi ressemble une antenne relais ? Les antennes relais ressemblent à de grands mâts verticaux auxquels sont accrochés plusieurs ensembles d’antennes, généralement alignées dans trois ou quatre directions, leur conférant une silhouette distincte et reconnaissable. Cependant, toutes les antennes relais ne se distinguent pas aussi clairement. Les antennes-relais discrètes se fondent davantage dans leur environnement, discrètement intégrées à des structures existantes telles que des toits ou même des clochers d’églises. Qu'elles soient immédiatement reconnaissables ou subtilement intégrées à leur environnement, ces structures imposantes sont dotées d'une gamme d'équipements essentiels qui assurent une connectivité cellulaire fluide sur l'ensemble de la zone qu'elles desservent.

Bien que chaque antenne relais puisse être légèrement différente, en fonction des besoins du réseau et de la zone spécifique qu'elle couvre, les composants suivants sont généralement présents dans la plupart des installations :

• Antennes— Elles sont cruciales pour transmettre et recevoir des signaux vers et depuis des appareils mobiles dans une cellule spécifique. Il existe deux principaux types d’antennes relais.

             - Antennes panneaux : ce sont des dispositifs plats et rectangulaires qui desservent une vaste zone. Elles sont polyvalentes et peuvent être configurées de différentes manières pour obtenir la couverture et la capacité souhaitées. Elles peuvent utiliser la technologie MIMO (Multiple Input, Multiple Output), qui augmente la capacité en transmettant plusieurs flux de données sur la même voie.

             - Antennes secteur : souvent groupées par trois ou quatre sur une tour, les antennes secteur sont conçues pour assurer une couverture dans une direction ou un « secteur » spécifique. Cette segmentation élargit efficacement la zone de couverture globale et réduit les interférences entre les signaux. Ces antennes sont souvent disposées selon une configuration géométrique, offrant une couverture à 360 degrés.

• Station émettrice-réceptrice de base (BTS) : la BTS héberge les émetteurs-récepteurs radio qui reçoivent et transmettent les signaux RF. Chaque émetteur-récepteur ou voie prend en charge un certain nombre d'appels simultanés. La BTS comprend également des équipements permettant de crypter et de décrypter les communications, des outils de filtrage spectral, des duplexeurs et des amplificateurs.

• Tour ou mât : cette grande structure physique maintient les antennes en l'air et est généralement construite en acier. Sa hauteur est stratégique : plus les antennes sont hautes, plus la zone qu’elles peuvent couvrir est large. La structure doit également pouvoir résister aux facteurs de stress environnementaux tels que le vent et le poids des équipements.

• Équipement au sol : cet équipement comprend les enceintes ou abris qui hébergent divers systèmes auxiliaires tels que les systèmes d'alimentation des antennes relais (souvent des batteries de secours pour la fiabilité), les systèmes HVAC pour le contrôle de température et les récepteurs de bande de base utilisés pour le traitement des données d'appels.

• Antennes paraboliques hyperfréquences : pour les antennes relais non connectées par un câble physique au réseau de télécommunications (généralement dans des endroits éloignés), les antennes paraboliques hyperfréquences sont utilisées pour les connexions de liaison. Ces antennes paraboliques facilitent la communication point à point avec d'autres antennes relais ou un nœud de réseau. Elles sont souvent visibles sur les côtés de la tour et sont particulièrement utiles dans les zones où il est difficile de faire passer des câbles.

• Câblage : le câblage connecte tous les composants de l'antenne relais pour leur permettre de communiquer entre eux. Le câblage peut mettre en œuvre divers types de câbles, notamment des câbles coaxiaux, des guides d'ondes pour la transmission hyperfréquence et des câbles à fibres optiques. Les câbles RF relient la BTS aux antennes et aux câbles réseau pour la transmission des données.

Le fonctionnement harmonieux de ces composants d'antennes relais constitue l'épine dorsale des réseaux de communications sans fil.

Les antennes relais servent d'intermédiaires entre les appareils mobiles et le réseau de télécommunications. En d'autres termes, les antennes relais fonctionnent en recevant des signaux de votre appareil mobile, en les convertissant en format numérique, puis en les envoyant vers leur destination, soit vers un autre téléphone, soit sur Internet. Pour les données ou les appels entrants, le processus est inversé. Ce processus peut sembler simple, mais il implique de nombreuses étapes et de nombreux équipements. Entrons dans les détails.

Le processus de communication commence lorsqu'un appareil mobile, tel qu'un téléphone portable, envoie un signal. Ce signal est une onde électromagnétique, plus précisément une onde RF, qui est essentiellement une version modulée de la voix ou des données de l'utilisateur. Le signal est capté par l'une des antennes montées sur le mât. Ces antennes peuvent utiliser la technologie MIMO, transmettant plusieurs flux de données sur le même canal pour augmenter la capacité.

Une fois que l'antenne a reçu le signal, il passe par une série de câbles coaxiaux haute fréquence ou de guides d'ondes jusqu'au BTS logé à la base du mât. La BTS convertit le signal RF en un format numérique qui peut être traité par le réseau. Le signal traité est ensuite envoyé au centre de commutation mobile (MSC) via des connexions de raccordement. Selon l'emplacement et l'infrastructure, cette connexion peut être physique, par exemple par le biais de câbles en fibre optique (pour les zones urbaines ou périphériques) ou de liaisons sans fil de type hyperfréquence (pour les zones reculées).

Le MSC, le centre névralgique d'un réseau cellulaire, achemine ensuite l'appel ou les données vers la destination correcte, qui peut être un autre appareil mobile ou un serveur sur Internet. Pour des données ou un appel entrant, le processus est essentiellement inversé. Le MSC envoie le signal à la BTS, qui le reconvertit ensuite en signal RF. Ce signal RF est ensuite transmis par les antennes du mât à l'appareil mobile de destination.

Une antenne relais peut envoyer des signaux à des téléphones se trouvant à une distance pouvant atteindre 32,2 km, dans des zones rurales. Dans les villes densément peuplées, avec de nombreux obstacles physiques tels que des bâtiments, la portée peut être réduite à un ou deux kilomètres. Les antennes relais peuvent gérer des milliers d’appels ou de connexions Internet en même temps.

La portée des antennes relais, appelée techniquement « rayon cellulaire », peut être fortement influencée par plusieurs facteurs. Les signaux haute fréquence, tels que ceux généralement utilisés dans les réseaux 5G, ont tendance à avoir des portées plus courtes mais des capacités plus élevées, tandis que les fréquences plus basses, souvent utilisées dans les zones rurales pour la 4G LTE, peuvent se déplacer plus loin mais transporter moins de données. La hauteur et le type d'antenne jouent également un rôle essentiel dans la détermination de la couverture. Des antennes plus hautes peuvent surmonter les obstacles et couvrir une plus grande surface. Les antennes secteur peuvent être utilisées pour fournir une couverture ciblée dans des directions spécifiques, tandis que les antennes panneaux offrent une large couverture. La formation de faisceaux, une technique utilisée dans les configurations MIMO avancées, peut également être utilisée pour concentrer le signal vers des utilisateurs spécifiques afin d’étendre la portée et d’améliorer la qualité du signal.

Pour couvrir des milliers de requêtes simultanées, les antennes relais modernes ont recours à des technologies sophistiquées afin de maximiser le nombre d'appels ou de sessions de données simultanées. La technologie MIMO permet la transmission et la réception simultanées de plusieurs flux de données, multipliant ainsi la capacité sans nécessiter de bande passante supplémentaire. Des techniques avancées d'efficacité spectrale, telles que la modulation d'amplitude en quadrature (QAM), sont également utilisées pour transmettre davantage de bits par Hz de bande passante. La technologie spécifique utilisée change la capacité. La technologie à ondes millimétriques offre de la place pour des bandes passantes plus élevées, ce qui peut augmenter considérablement la capacité. De plus, la gamme de fréquences allouées à l'utilisation de cellules dans une zone spécifique, appelée aussi quantité de spectre disponible, peut avoir une incidence sur la capacité.

Dans le domaine des communications sans fil, la ligne de visée fait référence au chemin direct et non obstrué par les ondes radio, de l'antenne de transmission, par exemple une antenne relais, à l'antenne de réception, qui pourrait être un smartphone.

Pour une force et une qualité de signal optimales, une ligne de visée dégagée entre l’émetteur et le récepteur est importante Les obstacles comme les bâtiments, les arbres, les collines ou même les conditions atmosphériques peuvent provoquer une atténuation du signal, ou un affaiblissement, et une propagation par trajets multiples, où les signaux rebondissent sur les surfaces et arrivent au récepteur à des moments différents, ce qui risque de causer des interférences et une dégradation des performances.

La ligne de visée devient particulièrement importante dans les bandes de fréquences plus élevées, comme celles utilisées dans les réseaux 5G, qui ont des longueurs d'onde plus courtes et sont plus susceptibles d'être absorbées ou réfléchies par des obstacles. La ligne de visée est la raison pour laquelle vous voyez souvent des antennes relais placées bien au-dessus du niveau du sol et pourquoi des technologies telles que la formation de faisceaux sont utilisées pour concentrer le signal radio dans une direction spécifique vers le récepteur.

Les types de tour varient en fonction de la construction, de l’emplacement et du type de technologie utilisé par l’antenne relais. Les types de tour les plus courants sont les tours monopôles, en treillis, à mât haubané, discrètes, de toit et de petite taille.

Il s’agit du type de tour le plus simple, mais aussi de celui qui est le plus couramment utilisé, notamment en milieu urbain. Une tour monopôle est un mât unique et indépendant qui mesure généralement entre 15 et 60 mètres de haut. Les antennes sont généralement situées en haut à l’intérieur d’une boîte métallique ou sont montées à l’extérieur.

Ces tours sont souvent visibles dans les campagnes ou le long des autoroutes. Plus résistantes que les tours monopôles, elles peuvent prendre en charge davantage d'équipements et atteindre de plus grandes hauteurs. Les tours en treillis sont autoportantes et présentent une structure de barres horizontales et diagonales créant un effet de treillis. 

Ces tours sont souvent visibles dans les campagnes ou le long des autoroutes. Plus résistantes que les tours monopôles, elles peuvent prendre en charge davantage d'équipements et atteindre de plus grandes hauteurs. Les tours en treillis sont autoportantes et présentent une structure de barres horizontales et diagonales créant un effet de treillis. 

Comme leur nom l'indique, les tours discrètes ou dissimulées sont conçues pour se fondre dans leur environnement. Elles peuvent être conçues pour ressembler à des arbres (souvent des pins), à des tours d’horloge, à des mâts pour drapeaux, à des clochers d’église, ou encore pour être intégrées dans des structures existantes comme des bâtiments ou de la signalisation.

Dans les zones urbaines densément peuplées, il peut ne pas être pratique ou possible de construire une tour autonome. Dans ces cas-là, les antennes peuvent être installées sur les toits des bâtiments ou d'autres structures existantes. Ces installations peuvent être beaucoup plus basses que les tours traditionnelles, mais doivent souvent être réparties de manière plus denses pour fournir une couverture suffisante.

Avec l'avènement de la technologie 5G, les tours de petite taille deviennent de plus en plus courantes. Ces petites cellules, appelées micro-cellules, pico-cellules ou femto-cellules, ont une portée plus courte mais peuvent transmettre rapidement de grandes quantités de données. Les petites antennes relais sont souvent fixées aux lampadaires, aux poteaux électriques ou aux bâtiments dans les zones à forte densité de population.

Ces différents types de tour pour antennes relais servent tous le même objectif fondamental : transmettre et recevoir des signaux d'appareils mobiles. Le type d'antenne utilisé dépend de divers facteurs tels que la zone géographique, la densité de population et les exigences spécifiques du réseau mobile.

La distinction principale entre les antennes relais 4G et 5G concerne les changements technologiques qui affectent la vitesse, la capacité et la latence du réseau sans fil. Les réseaux 4G fonctionnent généralement sur des bandes de fréquences basses, jusqu'à 2,5 GHz, tandis que la technologie 5G est conçue pour utiliser un spectre plus large, intégrant des bandes de fréquences plus élevées, jusqu'à 100 GHz. L'utilisation de ces fréquences plus élevées, en particulier les bandes d'ondes millimétriques au-dessus de 24 GHz, peut permettre une transmission réseau plus rapide, mais avec une portée inférieure.

L’une des différences les plus remarquables concerne les vitesses de transfert de données. Les antennes relais 5G peuvent fournir des débits de données nettement supérieurs à leurs équivalents 4G. Pour mettre cela en perspective, alors que les réseaux 4G LTE peuvent fournir des vitesses de pointe autour de 100 Mbit/s, les réseaux 5G ont le potentiel théorique d’offrir des vitesses allant jusqu’à 10 Gbit/s, soit une multiplication par cent.

La latence, ou le retard de transfert de données suivant une instruction pour leur transfert, est un autre domaine où la 5G excelle. Comparée à la latence typique d'environ 50 millisecondes sur les réseaux 4G, la 5G vise à la réduire à quelques millisecondes, ce qui est particulièrement important pour les applications en temps réel, telles que les véhicules autonomes. La technologie 5G nécessite une densité plus élevée d'antennes relais, en particulier dans les zones à forte densité de population ou pour la couverture intérieure, en raison de la gamme plus courte des fréquences plus élevées. Pour résoudre ce problème, de petites antennes relais sont utilisées pour augmenter la couverture et la capacité.

Par rapport aux antennes relais 4G, les antennes relais 5G intègrent beaucoup plus d'antennes sur une même tour, ce que l’on appelle la technologie « MIMO massif », afin d'améliorer la capacité et l'efficacité du réseau. Ils utilisent également une technique appelée formation de faisceaux, qui concentre le signal sans fil dans une direction spécifique plutôt que de le diffuser sans discernement dans toutes les directions comme les antennes relais 4G. Cette approche permet d'améliorer la puissance du signal de l'antenne relais et de diminuer les interférences.

Malgré leurs différences, il convient de noter que les technologies 4G et 5G ne sont pas mutuellement exclusives. La majorité des réseaux 5G partagent leur liaison et la structure entière du réseau avec la 4G, ne différant que par l'interface sans fil. Ces types de déploiements sont généralement appelés réseaux NSA (Non-Stand Alone). La popularité des réseaux NSA est en grande partie due au fait que tous les composants, à l’exception de la station de base, peuvent être réutilisés, réduisant ainsi le coût de construction du réseau. Il existe également des réseaux autonomes, ou réseaux SA, qui pourraient potentiellement offrir une meilleure capacité, mais ceux-ci nécessitent de construire intégralement tous les composants du réseau, ce qui les rend nettement plus coûteux. De plus, la plupart des appareils peuvent basculer entre la 4G et la 5G selon les besoins sur les réseaux NSA.

Le test est essentiel pour assurer la fiabilité de l'infrastructure des antennes relais, car il permet d'identifier et de corriger les problèmes potentiels, en garantissant des performances optimales, une disponibilité continue ainsi qu'une connectivité sans fil robuste et transparente pour les utilisateurs. Le test O-RAN, qui évalue les performances et l'interopérabilité des composants de l'Open Radio Access Network, est particulièrement important pour garantir le bon fonctionnement des réseaux cellulaires avancés. 

En proposant des solutions flexibles, évolutives et rentables, NI joue un rôle central dans le test des composants d'antennes relais. À mesure que les technologies sans fil évoluent et gagnent en complexité, en particulier avec l'émergence de la 6G, il existe une demande accrue pour des solutions de test innovantes. NI répond à ce besoin en combinant des mesures RF de haute qualité avec sa vaste expertise dans le test des communications sans fil.

Ces derniers temps, le passage des protocoles propriétaires aux interfaces standard dans la désagrégation des composants des stations émettrices-réceptrices de base a nécessité des tests et des émulations in-the-loop spécialisés. NI répond à cette demande en proposant ces tests spécialisés, facilités par des mesures RF de haute qualité. Le partenariat avec NI garantit des solutions de test robustes, reposant sur des décennies d'expérience dans l'industrie des technologies sans fil. En savoir plus sur le développement d’infrastructures sans fil rapides et connectées.