Les chercheurs du NIST ont étudié les effets des arbres sur les ondes millimétriques, dont l’utilisation est prévue pour la communication 5G. Crédit : N. Hanacek/NIST
Les mesures de l’impact des arbres sur les transmissions 5G pourraient s’avérer vitales pour utiliser une nouvelle classe de signaux.
Avec la mise en œuvre complète de la technologie 5G au cours des prochaines années, les téléphones portables et autres technologies sans fil deviendront plus puissants grâce à l’augmentation du flux de données et à la réduction de la latence. Mais ces avantages s’accompagnent d’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 tenir compte à la fois des avantages et des inconvénients d’une nouvelle catégorie 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 radiodiffusion que les technologies de communication utilisent rarement – une préoccupation majeure à une époque où les radiodiffuseurs se disputent les portions de spectre comme des prospecteurs jalonnant un territoire.
Cependant, les ondes millimétriques présentent également des inconvénients, notamment leur capacité limitée à pénétrer les obstacles. Ces obstacles comprennent les bâtiments, mais aussi les arbres qui parsèment le paysage. Jusqu’à récemment, on savait peu de choses sur l’influence des arbres sur la propagation des ondes millimétriques. Et tout comme peu d’entre nous souhaiteraient imaginer un paysage sans verdure, peu de concepteurs seraient en mesure de planifier des réseaux 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. Cet effort pourrait faire une différence profonde dans la capacité de nos appareils de prochaine génération à voir les antennes 5G qui pourraient bientôt pousser.
L’ère de la 5G sera caractérisée par une communication sans fil non seulement entre les personnes, mais aussi entre les appareils connectés à l’Internet des objets. La demande accrue de téléchargements plus importants de la part des clients des réseaux cellulaires et de réponses sans délai des joueurs a 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 créer de nouveaux : Les véhicules autonomes dépendront d’une réponse réseau aussi rapide pour fonctionner.
“Nous serons en mesure de faire de nouvelles choses si nos machines peuvent échanger et traiter des informations rapidement et efficacement”, a déclaré Nada Golmie, responsable de la division des réseaux sans fil du laboratoire des technologies de communication du NIST. “Mais il faut une bonne infrastructure de communication. L’idée est de se connecter, de traiter les données à un endroit et de faire des choses avec ailleurs.”
Les ondes millimétriques, qui constituent un nouveau terrain de jeu 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, entre 30 et 300 gigahertz, soit un milliard de crêtes d’ondes par seconde. Par rapport aux transmissions radio classiques, qui se situent dans la gamme des kilohertz (pour l’AM) et des mégahertz (pour la FM), les nouveaux signaux de la 5G seront en effet à très haute fréquence – un peu comme le gazouillis d’un oiseau dans la gamme supérieure de l’audition humaine par rapport aux basses profondes de la radio.
C’est la haute fréquence des ondes millimétriques qui les rend à la fois séduisantes comme supports de données et difficiles à exploiter. D’une part, un plus grand nombre de crêtes d’ondes par seconde signifie que les ondes peuvent transporter plus d’informations, et notre époque avide de données a besoin de cette capacité pour fournir des téléchargements et des 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 jouaient de la musique de danse forte sait que ce sont les basses fréquences lancinantes qui atteignent le plus l’extérieur, et non les aigus d’un soprano chantant.
Pour les réseaux 5G, le mur d’obstruction ne peut être plus 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 près 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 sur les arbres est l’une des rares à examiner l’effet d’un même arbre sur une fréquence de signal particulière en fonction des saisons”, a déclaré M. Golmie. “Nous ne pouvions pas faire l’étude uniquement 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 du sans fil pour mettre au point l’équipement mobile qui a servi à l’étude.a été nécessaire pour effectuer les mesures. Les chercheurs l’ont concentré sur un seul arbre et ont dirigé les signaux d’ondes millimétriques vers eux à partir d’une série d’angles et de positions, afin de simuler des ondes provenant de différentes directions. Ils ont mesuré la perte, ou l’atténuation, en décibels. (Chaque 10 dB de perte correspond à une réduction par une puissance de 10 ; une atténuation de 30 dB signifierait que le signal est réduit par un facteur de 1 000).
“L’étude de l’arbre est l’une des rares à examiner l’effet du même arbre sur une fréquence de signal particulière au cours des différentes saisons. Même la forme des feuilles affecte la réflexion ou la transmission d’un signal.” – Nada Golmie, chercheur au NIST
Pour un type d’arbre feuillu, l’ortie européenne, l’atténuation moyenne en été était de 27,1 dB, mais elle se relâchait à 22,2 dB en hiver lorsque l’arbre était dénudé. Les arbres à feuilles persistantes bloquaient une plus grande partie du signal. Leur atténuation moyenne était de 35,3 dB, un chiffre qui ne changeait pas avec la saison.
(A titre de comparaison, l’équipe a également examiné différents types d’arbres. matériaux de construction. Les portes en bois, les murs en plaques de plâtre et les vitres intérieures présentaient 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, allant jusqu’à 66,5 dB).
Alors que les contributions du NIST à l’effort 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 a été collaboration avec Ansys Inc.. Cette société a utilisé les données de mesure que le NIST lui a communiquées pour ajuster les modèles de simulation d’arbres, que les entreprises de téléphonie mobile utilisent pour planifier en détail leurs réseaux d’antennes.
“La plupart des modèles n’incluent pas d’informations sur les arbres basées sur les mesures”, a déclaré David Lai du NIST, l’un des scientifiques qui ont mené l’étude. “Ils peuvent simplement dire que pour une forme arborescente donnée, nous devons 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 entre le NIST et Ansys a contribué à l’élaboration de directives par l’Union internationale des télécommunications (UIT), l’organisation qui crée des lignes directrices pour les normes de télécommunications. Les résultats apparaissent maintenant sous la forme d’une nouvelle section sur les arbres dans le document de l’UIT intitulé ” Les arbres “. Recommandation UIT-R P.833-10. Cette publication sert de référence pour les modèles de propagation des signaux, que d’autres développeront.
“Notre objectif est de présenter ces mesures à l’ensemble de la communauté sans fil”, a déclaré M. Golmie. “Nous espérons que cet effort aidera l’ensemble du marché”.
