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Antennes adaptatives

Champs électromagnétiques à la demande

La cinquième génération de communication mobile (5G) recourt pour la première fois aux antennes adaptatives à grande échelle. Ces dernières n’émettent pas tous azimuts, mais ciblent les utilisateurs et les suivent lorsqu’ils se déplacent. Les antennes adaptatives sont ainsi plus économiques et ont tendance à entraîner des immissions plus faibles. S’agit-il donc d’une technologie verte?
Res Witschi
Res Witschi, Délégué à la numérisation durable
20 juillet 2020

En matière de technologie radio, plus la fréquence est élevée, plus les conditions de propagation sont mauvaises et les pertes de transmission sont importantes. Pour compenser cette loi physique, des antennes adaptatives sont utilisées avec les fréquences légèrement supérieures de la 5G (3.8 GHz maximum) et face aux exigences considérables de cette nouvelle norme de téléphonie mobile.

Arrosage ciblé plutôt qu’automatique

Ce type d’antennes permet de focaliser le signal dans la direction de l’utilisateur. On parle également de formation de faisceau (beamforming) ou de «Massive MIMO». En concentrant le signal émis sur une zone plus limitée dans l’espace, les perturbations dans le réseau mobile sont aussi réduites, ce qui se traduit par moins d’interférences et un meilleur signal utile. En outre, cette focalisation signifie également que les signaux peuvent être transmis de manière plus ciblée, avec moins d’énergie électrique. Pour comparer avec une image, une antenne de téléphonie mobile classique fonctionne comme un arrosage automatique en couvrant l’intégralité d’un secteur, tandis qu’une antenne adaptative se rapproche davantage d’un arrosoir, permettant de distribuer l’eau de façon ciblée et mesurée.

Grâce à cette nouvelle technologie de diffusion avec formation de faisceau, les antennes génèrent beaucoup de petits champs électriques ciblés, dont la puissance est précisément adaptée à l’utilisateur concerné.

Comment fonctionnent les antennes adaptatives?

Les antennes adaptatives sont composées d’un grand nombre d’éléments d’antenne contrôlés individuellement. Il s’agit typiquement de 32 ou 64 éléments, dotés chacun de son propre amplificateur et rangés en lignes et en colonnes. Un ajustement électrique ciblé (décalage de phase) permet de modifier la direction de transmission sans avoir à déplacer physiquement les éléments de l’antenne. Plus le nombre d’éléments d’antenne coordonnés simultanément est grand, plus le signal est concentré et plus le volume de la zone de réception est restreint.

«Les antennes adaptatives et la 5G sont non seulement plus efficaces, mais peuvent également transmettre des données avec moins d’immissions.»

Hugo Lehmann, responsable du Centre de compétences Champs électromagnétiques

Une efficacité énergétique nettement améliorée

«Les antennes adaptatives et la 5G sont non seulement plus efficaces, mais peuvent également transmettre des données avec moins d’immissions», souligne Hugo Lehmann, le responsable du Centre de compétences Champs électromagnétiques. Si les antennes adaptatives pouvaient être utilisées à leur plein potentiel, un nombre plus restreint de nouvelles installations devraient être construites en Suisse, poursuit l’expert. Chaque installation consommant une certaine quantité d’énergie de base, un nombre moins élevé d’installations signifierait également une consommation moindre d’énergie. En outre, en raison de sa structure de signal réduite à l’essentiel, la 5G dispose d’un potentiel d’économie d’électricité plus élevé que la 4G. En utilisant la technologie 5G pour la suite du développement des réseaux de communication mobile au lieu de la technologie LTE, des économies d’énergie de 50 à 70% pourraient être réalisées.

 

L’utilisation d’antennes adaptatives constitue un élément important pour la réalisation d’un réseau de communication mobile 5G performant. Les avantages en termes de flexibilité, de gain de capacité, d’exposition moindre et liée à l’utilisation, ainsi que de réduction de la consommation d’électricité sont évidents.

Potentiel considérable de réduction de l’exposition

Grâce à la transmission ciblée de l’information à l’utilisateur individuel depuis la cellule radio, les signaux ne sont envoyés que là où ils sont nécessaires. En moyenne temporelle, cette diversité spatiale conduit également à une moindre exposition qu’avec les technologies antérieures.

 

Une simulation pour la ville de Gand, en Belgique, montre qu’un réseau prenant en charge le «Massive MIMO» génère cinq fois moins d’exposition pour les mêmes scénarios d’utilisation qu’un réseau 4G sans antennes adaptatives. Toujours d’après l’analyse, plus le nombre d’antennes élémentaires est élevé, plus l’exposition est faible. Les réseaux 5G n’étant qu’en phase de déploiement, ceci n’a pas encore été prouvé par des mesures, mais le potentiel de la technologie en matière de réduction des immissions est évident.

Seule une fraction de la puissance est émise en fonctionnement réel

Des simulations et des mesures sur des antennes adaptatives individuelles montrent que, généralement, seule une fraction de la valeur maximale théorique de la puissance de transmission est émise en cas d’utilisation du beamforming. Même en cas d’utilisation importante de la capacité et pour différents scénarios, jamais plus d’un quart de la puissance maximale théorique n’est émis sur une durée moyenne de six minutes. La durée moyenne de six minutes est pertinente pour le respect des valeurs limites d’immissions. Ces simulations ont été confirmées par des mesures de la puissance d’émission moyenne sur six minutes des stations de base dotées d’antennes adaptatives. En résumé, cela signifie que l’exposition par unité d’information transmise au moyen du beamforming diminue par rapport aux réseaux de communication mobile actuels.

Les valeurs limites sont toujours respectées

En Suisse, dans la réglementation, les antennes adaptatives sont aujourd’hui évaluées de la même manière que les antennes passives. On se base sur l’hypothèse qu’à tout moment, toute la puissance est émise dans toutes les directions. Cependant, ce cas ne se produit jamais dans la réalité, puisque la puissance totale de l’antenne est répartie entre les utilisateurs actifs: avec deux utilisateurs actifs simultanément, la puissance de transmission par faisceau correspond à la moitié de la puissance maximale. S’il y a quatre utilisateurs, un quart de la puissance maximale est émis dans chacune des quatre directions. Dans le cas de nombreux utilisateurs spatialement bien répartis, l’exposition est d’autant plus réduite. D’un autre côté, si un seul utilisateur ou plusieurs utilisateurs sont actifs dans la même direction, toute la puissance est certes émise dans cette direction mais, grâce au beamforming, pas sur l’ensemble de la zone de couverture de l’antenne. Cela signifie que dans ce cas, l’exposition est focalisée sur les utilisateurs, tout en restant faible dans le reste de la zone de transmission. La population craint souvent que l’exposition dans le faisceau généré par les antennes adaptatives soit excessive. C’est sans compter que même dans ces faisceaux, les valeurs limites pertinentes doivent toujours être respectées.

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Contribution à la durabilité

Les antennes adaptatives contribuent concrètement à la réalisation des objectifs de développement durable ci-après des Nations Unies:

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Un réseau de communication mobile à base d’antennes adaptatives génère jusqu’à cinq fois moins d’immissions et contribue ainsi activement à promouvoir la santé et le bien-être.

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L’extension de l’infrastructure de communication mobile avec les dernières technologies favorise une industrialisation aussi large que durable et soutient l’innovation.

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En consommant de 40 à 70% d’énergie en moins que la 4G, la 5G contribue à lutter contre le changement climatique.