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Des réseaux denses pour des réseaux 5G efficaces en termes énergétiques

Au cours des dix prochaines années, le trafic de données sur mobiles devrait augmenter d'un facteur 1 000, mais cette révolution ne doit pas se produire avec une augmentation équivalente de la consommation d'énergie si nous ne voulons pas causer des dommages à l'environnement. Un projet financé par l'UE a étudié comment augmenter simultanément le débit et l'efficacité énergétique des réseaux en déployant des petites cellules et des systèmes d'antennes à grande échelle.
Des réseaux denses pour des réseaux 5G efficaces en termes énergétiques
Le principal défi qui se présente pour la prochaine génération de systèmes de communication sans fil (5G) consiste à fournir des débits de données élevés à de nombreux utilisateurs mobiles tout en assurant la qualité de service tout au long de la chaîne. Si la 5G promet d'atteindre des vitesses plus élevées et une connectivité universelle, elle présente inévitablement un certain nombre de défis: la consommation d'énergie et les émissions de dioxyde de carbone augmentent rapidement avec l'augmentation de la consommation de données numériques des clients.

Les points d'accès de type petite cellule et la technologie massive MIMO d'antennes multiples sont deux voies prometteuses pour réaliser des déploiements denses de connexions qui devraient permettre d'améliorer considérablement les débits et l'efficacité énergétique. Dans le cadre du projet DENSE4GREEN (Dense deployments for green networks), des scientifiques ont utilisé des outils mathématiques avancés et développé de nouveaux modèles pour simuler les performances de ce type de réseaux denses et évaluer leur robustesse face aux interférences.

Les chercheurs ont commencé par élaborer un nouveau modèle de la consommation d'énergie totale des réseaux à petites cellules et MIMO, incluant tous les composants analogiques et numériques. Ce modèle a ensuite servi à optimiser l'efficacité énergétique du réseau comment une fonction de la densité des stations de base, de la puissance de transmission, du nombre d'antennes de station de base et d'utilisateurs par cellule, ainsi que du facteur de réutilisation de pilote pour l'acquisition du canal. Les résultats ont montré que les petites cellules peuvent sans aucun doute améliorer l'efficacité énergétique, mais que l'alimentation du circuit électronique ne doit pas dépasser la puissance de transmission des cellules. L'ajout d'antennes supplémentaires dans la technologie MIMO a encore permis d'améliorer l'efficacité énergétique.

L'équipe DENSE4GREEN a développé de nouveaux algorithmes linéaires qui permettent de réduire au minimum la consommation électrique totale des réseaux, en prenant en compte différents degrés de coopération des stations de base: aucune coopération ou coopération totale, et échange d'informations sur l'état des canaux. La coopération entre stations de base a ensuite été classifiée en fonction du fait que le traitement de la bande de base est effectué localement sur des stations de base particulières ou sur une unité centrale unique (traitement centralisé et décentralisé).

Le travail a également consisté à étudier l'impact de la mobilité des utilisateurs sur la consommation électrique du réseau. Les chercheurs ont étudié la consommation électrique d'un réseau hétérogène dans lequel une partie dense de points d'accès de type petite cellule est superposée à une partie macro massive MIMO, en utilisant une liaison terrestre pour le trafic. Les résultats ont montré que lorsque la mobilité des utilisateurs atteint un niveau critique, la puissance de tous les émetteurs augmente rapidement.

L'équipe DENSE4GREEN a également développé un cadre pour comprendre à quoi doit ressembler un réseau cellulaire conçu pour une efficacité énergétique maximum. L'analyse montre que la réduction de la taille de cellule est sans doute le moyen d'atteindre une efficacité énergétique élevée, mais l'effet positif de l'augmentation de la densité de la station de base arrive à saturation lorsque la puissance du circuit est supérieure à la puissance de transmission. Un bond supplémentaire en efficacité énergétique peut certainement être réalisé en ajoutant des antennes de station de base supplémentaires pour multiplexer plusieurs utilisateurs par cellule, montrant que le déploiement dense de petites cellules et de la technologie MIMO peut augmenter de manière significative la capacité réseau, garantissant que la consommation d'énergie du réseau ne sera pas proportionnelle au volume de trafic géré.

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Mots-clés

Réseaux denses, 5G, petites cellules, efficacité énergétique, DENSE4GREEN, massive MIMO