Systèmes d'antennes distribuées

L'un des principaux défis rencontrés dans la mise en œuvre de l'IoT est la diminution de la pénétration du signal cellulaire au sein des bâtiments. Les matériaux de construction peuvent atténuer considérablement le signal cellulaire, ce qui signifie que les fréquences de plusieurs gigahertz utilisées dans les réseaux cellulaires à bande moyenne et haute ont souvent une couverture très limitée.

L'utilisation de systèmes d'antennes distribuées, connus sous le nom de DAS, est l'une des nombreuses solutions proposées pour surmonter les limites des réseaux cellulaires intérieurs. Ils sont désormais considérés comme un élément clé de l'infrastructure d'entreprise et sont activement déployés pour créer les réseaux cellulaires privés sécurisés nécessaires à la prise en charge des applications IoT industrielles.

Cet article explique ce que sont les systèmes d'antennes distribuées, les principaux types de DAS, comment ils sont déployés et les avantages et inconvénients d'une approche DAS des réseaux cellulaires pour l'IoT.

Qu'est-ce qu'un système d'antennes distribuées ?

Un système d'antennes distribuées ou DAS est simplement un ensemble d'antennes en réseau séparées dans l'espace  qui peuvent envoyer et recevoir des signaux sur une fréquence porteuse désignée. Dans l'IoT, les antennes DAS seront utilisées pour le transfert de données à haut débit et à faible latence, mais elles peuvent également être utilisées pour la connectivité vocale et d'autres types de transfert de données.

Les DAS sont principalement déployés pour améliorer la couverture ou la capacité d'un réseau cellulaire. Les systèmes DAS peuvent ne pas être en mesure d'effectuer les deux tâches simultanément, de sorte qu'un DAS doit être sélectionné pour ses performances dans un domaine spécifique. Les environnements tels que les gares ou les stades sportifs ont besoin de capacité, tandis que les endroits éloignés comme les mines ou les environnements à haute densité qui bloquent le signal cellulaire ont besoin d'une couverture.

Composants de base d'un DAS

[A] La source du signal

Un DAS aura besoin d'avoir un signal à distribuer sur le territoire qu'il couvre. La source du signal est généralement une station de base installée pour recevoir le signal 4G/LTE ou 5G qui doit être distribué via un backhaul filaire ou une connexion sans fil. Les performances d'un DAS sont déterminées par le type (4G/LTE ou 5G) et la qualité du signal cellulaire acquis. La source du signal peut être une antenne extérieure située là où un signal cellulaire puissant peut être reçu (hors antenne), une station de base sur site ou via des installations à petites cellules. Selon le projet, les sources de signaux peuvent être combinées.

i) Hors antenne

Le DAS hors antenne est alimenté par le signal cellulaire aérien, à l'aide d'une antenne donneuse et d'un répéteur pour acquérir et acheminer le signal cellulaire à distribuer. Il est très similaire au signal cellulaire à plus petite échelle utilisé par les boosters cellulaires. Parce qu'il s'agit d'un signal répété, il n'ajoute aucune capacité au réseau qui est créé. Il se nourrit de la capacité existante. Ce type de DAS dépend de la qualité du signal acquis par l'antenne donneuse. Si le signal du donneur est faible ou si le réseau du donneur est encombré, les performances du DAS seront également médiocres. Cependant, les sources de signaux hors antenne sont les plus faciles et les moins chères à mettre en place comme solution pour étendre la couverture à l'intérieur d'un bâtiment.

ii) BTS

Les stations émetteurs-récepteurs de base (BTS) et leurs différentes technologies de nœuds (NodeB, eNodeB et gNodeB) peuvent être utilisées pour créer une source de signal dédiée qui s'appuie directement sur une connexion filaire au réseau central. Ce type de source de signal DAS est configuré par  les opérateurs de réseau cellulaire à l'aide des connexions fibre optique de chaque opérateur et est conçu pour prendre en charge des dizaines de milliers d'appareils d'utilisateurs finaux. Il s'agit d'un déploiement extrêmement coûteux, mais qui offre les performances les plus élevées et une capacité extrêmement élevée. La mise en place d'un BTS peut également prendre beaucoup de temps car il utilise des équipements spécialisés des opérateurs cellulaires et nécessite beaucoup d'espace, de refroidissement et d'alimentation.

iii) Petites cellules

Un DAS peut également être configuré avec de petites cellules, notamment des femtocellules, des picocellules, des nanocellules pour fournir une connectivité sans fil de haute qualité aux environnements intérieurs. Les différentes petites cellules se connectent toutes individuellement au réseau de porteuses et génèrent un signal cellulaire puissant à l'intérieur. Ils nécessitent une connexion de raccordement à Internet pour le transfert de données. La couverture des petites cellules est limitée à des centaines de mètres, mais elles peuvent augmenter la capacité et peuvent même être utilisées comme source de signal. Les petites cellules sont moins chères et plus rapides à déployer que les BTS, avec des performances comparables et la possibilité d'augmenter la capacité si nécessaire.

[B] Le réseau de distribution

Le signal cellulaire reçu peut ensuite être distribué dans tout un bâtiment à l'aide d'un système de distribution filaire ou « actif » ou d'un réseau hybride ou numérique, comme expliqué plus loin. La distribution filaire utilise un câble Ethernet ou une fibre. Les technologies de distribution amplifient et distribuent toutes le signal cellulaire acquis à la source. Voici les principales options :

i) DAS actif

Le DAS actif prend le signal délivré par la source du signal et peut le convertir pour la transmission via la fibre (DAS fibre) ou Ethernet. Cela est fait par une unité maîtresse qui peut convertir et même numériser les signaux entrants d'autant de supports cellulaires que nécessaire. Le signal est ensuite transmis à des unités radio distantes, des nœuds qui convertissent le signal en un signal de fréquence radio qui peut être diffusé par les antennes. Il s'agit d'une stratégie hautement évolutive pour la distribution du signal, avec le potentiel d'être desservie par des câbles presque illimités.

(ii) DAS passif

Avec le DAS passif, le signal cellulaire est transféré dans tout un bâtiment à l'aide d'un câble coaxial, de répartiteurs et d'autres composants RF. Il s'agit de la forme la plus simple de DAS, ce qui la rend populaire auprès des entreprises à la recherche d'une solution facile à gérer. Cette stratégie est vulnérable aux effets de l'atténuation du signal, en particulier avec l'augmentation de la distance entre les antennes de rediffusion et la source du signal. Il s'agit d'une stratégie peu coûteuse qui ne nécessite pas de conversion analogique-numérique et qui est facile à entretenir. Il s'agit d'un système de distribution plus coûteux que les DA passifs et a une consommation d'énergie plus élevée.

iii) DAS numérique

Le DAS numérique utilise un signal porteur numérisé qui est transmis via la fibre ou Ethernet  . Il s'agit d'un système coûteux mais très résistant à la distorsion et aux interférences qui peuvent être essentielles pour des applications critiques ou sensibles. Il y a également un meilleur contrôle sur la distribution et la capacité du réseau, car il peut être rapidement mis à l'échelle. Le DAS numérique est moins bruyant et offre d'excellentes performances, mais c'est le plus cher des systèmes DAS.

iv) DAS hybride

Le DAS hybride est un système qui combine des éléments actifs et passifs. Les unités radio distantes ne sont pas directement connectées aux antennes, mais connectées aux antennes à l'aide d'un câble à fibre ou coaxial. Cette stratégie utilise moins d'unités radio distantes, ce qui permet de réaliser des économies. Dans les grands bâtiments, les unités radio déportées sont installées à chaque étage pour convertir le signal (alimenté par la fibre) et l'envoyer à plusieurs antennes qui y sont connectées par coaxial. Il est plus cher que le DAS passif, mais moins cher que le DAS actif ou numérique.

En conclusion

Les systèmes d'antennes distribuées sont une option viable pour déployer une couverture de réseau cellulaire robuste et fiable pour l'IoT au sein des bâtiments. Le DAS nécessite d'importants investissements dans l'infrastructure, en plus des coûts et de la planification nécessaires à la configuration du réseau cellulaire privé qui sera diffusé à l'aide de celui-ci.

Dans une variété de cas d'utilisation, le DAS a démontré son efficacité en offrant une excellente couverture intérieure, ce qui en fait une solution clé pour prendre en charge la connectivité IoT. Il s'agit toutefois d'une solution coûteuse et son déploiement s'accompagne d'une variété de défis pratiques qui peuvent limiter ses performances.