Lefficacité énergétique des communications 5G est devenue une préoccupation majeure dans l'évolution des communications radio, dans un contexte où l'impact environnemental du numérique devient plus important. Du côté des opérateurs, l'utilisation de la technologie Massive MIMO, une nouvelle organisation d'accès au réseau mobile ainsi qu'une concentration des équipements vont permettre une meilleure efficacité énergétique. Du côté des utilisateurs, des technologies sont déployables, tel le mode veille permettant d'économiser la batteries et les communications directes entre terminaux.
Suivre l'évolution des technologies de la 1G à la 4G permettra de comprendre l'évolution et les priorités de chaque évolution technologique.
Contexte
Selon l'association française The Shift Project, le numérique était responsable de 3,7 % des émissions de gaz à effet de serre mondiales en 2018 (contre 2,5 % en 2013). C'est plus que le trafic aérien. En outre, l'empreinte énergétique du numérique est en croissance de 9 % par an.. En outre, comme le souligne Frédéric Bordage, expert en GreenIT, l'impact environnemental du numérique ne se limite pas à la consommation d'électricité, mais il inclut aussi l'épuisement des ressources abiotiques (minerais). Il est donc nécessaire d'adopter une posture de sobriété numériqueFrédéric Bordage, Sobriété numérique, les clés pour agir, Buchet Chastel, 2019, p. 92.
Définition
Il n’existe pas de définition universelle de l’efficacité énergétique. Généralement, elle consiste à utiliser moins d'énergie pour produire le même service ou le même rendement utile (Patterson, 1996)., mais qui physiquement tend à atteindre ses limites selon le principe de Landauer. D'un point de vue macroscopique, de simultanéité, par exemple une voiture qui fait du covoiturage aura une meilleure efficacité énergétique qu'une voiture avec seulement le conducteur.
On utilise des indicateurs d’efficacité énergétique pour estimer l’importance des améliorations apportées à l’efficacité énergétique pour réduire la consommation d’énergie..
La définition de l'efficacité énergétique courante est le rapport entre l'efficacité spectrale (en ) et la puissance émise (en utilisation Joule/canal).. Réseau : définie comme la quantité de bits d’information transmis ou reçus par les utilisateurs par unité de consommation d’énergie RAN en bit/Joule ; Terminal : définie comme la quantité de bits d'information par unité de consommation d'énergie du module de communication en bit/Joule.
Dans le domaine des communications mobiles, plusieurs facteurs sont à prendre en compte : l'énergie coûte cher aux opérateurs et aux utilisateurs et sa production a des effets sur l'environnement ; la capacité de la batterie n'augmente que d'un facteur 1,5 par décennie (ou de 4 % par an) ; le trafic mobile augmente de manière exponentielle et la consommation d'énergie doit être adaptée à la charge de trafic.
Optimisation de l'infrastructure en 5G
Antennes et stations de base
Technologie Massive MIMO
Pour la 5G, plusieurs recherches ont été faites pour augmenter le débit fourni, mais également pour réduire l’impact sur l’environnement. Tout d’abord le côté financier qui permet d’estimer les dépenses d’installation par rapport au débit fourni, mais aussi l’optimisation de la consommation d’énergie et de l’efficacité énergétique pour la transmission de données. La consommation électrique de chaque antenne peut être réduite par l’augmentation du nombre d’antennes.
C’est là qu’intervient la technologie Massive MIMO.
L’idée de massive MIMO consiste à densifier le nombre d’antennes déployées. En massive MIMO, les réseaux conventionnels avec seulement quelques antennes alimentées par du matériel volumineux et coûteux sont remplacés par des centaines de petites antennes alimentées par des amplificateurs et des circuits peu coûteux.
La densification des antennes présente deux avantages principaux :
Une excellente efficacité spectrale, obtenue par multiplexage spatial de nombreux terminaux dans la même ressource temps-fréquence. Un multiplexage efficace exige que les canaux de différents terminaux soient suffisamment différents, ce qui s’est avéré réaliste, théoriquement et expérimentalement, dans divers environnements de propagation. Plus précisément, il est connu que Massive MIMO fonctionne aussi bien en visibilité directe qu’en diffusion dense. Une efficacité énergétique supérieure, grâce au gain de réseau, qui permet une réduction de la puissance rayonnée. De plus, la capacité à obtenir d’excellentes performances tout en utilisant des signaux de faible niveaux et un traitement linéaire permet en outre des économies considérables.
Jusqu’à récemment, la puissance de calcul des stations de base était ignorée ou simplement fixée comme une petite constante de l’énergie consommée. Avec la 5G et la technologie Massive MIMO, il a été constaté par des simulations que la puissance de calcul des stations de base augmente à mesure que le nombre d’antennes augmente et que la largeur de bande augmente. Par rapport à la puissance de transmission, la puissance de calcul jouera un rôle plus important dans l’optimisation de l’efficacité énergétique des réseaux à petite cellule 5G. L’optimisation de l’efficacité énergétique des réseaux de petites cellules 5G devrait prendre en compte simultanément calcul et puissance de transmission. Malgré l’augmentation du nombre d’antennes, les stations de base de la 5G seront moins énergivores qu’en 4G selon Emil Björnson. En effet la technologie Massive MIMO grâce au multiplexage spatial, va permettre de servir beaucoup plus d’utilisateurs en même temps et sur les mêmes fréquences. E. Björson déclare : « Si vous multiplexez spatialement 10 utilisateurs et que vous devez dépenser deux fois plus d’énergie pour le faire, vous aurez toujours une efficacité énergétique cinq fois plus grande » .
Mode veille des stations de base L'efficacité énergétique avec de multiples stations de base et des petites cellules pourraient entraîner une augmentation de la consommation d'énergie en raison des cellules supplémentaires déployées. Néanmoins, en introduisant le mode veille dans les stations de base, les réseaux cellulaires peuvent désormais surpasser les homologues classiques constitués uniquement de macrocellules du point de vue de l'efficacité énergétique. Pendant les heures de pointe, il est possible de déployer des cellules plus petites et plus efficaces sur le plan énergétique, en remplaçant certaines des macrocellules du réseau constitué uniquement de macrocellules. Ensuite, ces petites cellules sont mises en veille pendant les heures de faible trafic lorsque les macrocellules restantes sont capables de maintenir le débit et la couverture. Plusieurs niveaux de veille sont décrits pour les stations de base. En effet, une station de base ne peut être complètement désactivée car elle doit écouter pour identifier le moment où elle doit se réactiver. On distingue 4 niveaux de veille :
Le premier est le mode actif, la station de base est pleinement opérationnelle et consomme son maximum d'énergie ; Le second niveau est : station de base prête, elle est en attente et peut se réactiver rapidement ; Ensuite vient le niveau "en sommeil". Dans ce mode, seuls l'alimentation électrique et quelques composant fonctionnent. Le temps de réveil est plus long ; Et enfin le mode éteint. La petite cellule est hors ligne mais consomme quand même une certaine quantité d'énergie pour être activée. Cependant, la consommation électrique est négligeable et estimée à zéro. Mode veille Consommation énergétique Station de base active 100% Station prête 50% Station en sommeil 15% Station "éteinte" 0% Deux approches reviennent pour définir à quel moment la station de base doit être active ou inactive : une approche aléatoire et une approche stratégique. L'approche aléatoire consiste à donner, indépendamment de chaque station de base, une probabilité de chaque niveau de veille possible. L'approche stratégique consiste à prendre en compte la charge du trafic. L’objectif de la veille stratégique est de maximiser l’utilisation des stations de base pour servir les utilisateurs actifs. Des améliorations sont constatées, d'environ 30% d'efficacité énergétique avec une politique de veille aléatoire, cette étude indique que l'efficacité énergétique instantanée peut encore être améliorée de 15% avec une politique de veille stratégique.
Architecture des points d'accès L'architecture des points d'accès va évoluer avec la 5G. Cette dernière sera formée de petites cellules comportant des stations de base miniatures nécessitant un minimum d'énergie. Contrairement aux technologies actuelles, ces mini stations de base seront déployées tous les environ. Cette structure de réseau radicalement différente devrait permettre une utilisation plus ciblée et plus efficace du spectre. Avoir plus de stations signifie que les fréquences qu'une station utilise pour se connecter à des appareils situés dans une zone donnée peuvent être réutilisées par une autre station située dans une zone différente pour desservir un autre client. Il y a cependant un problème: le grand nombre de petites cellules nécessaires à la construction d'un réseau 5G peut rendre difficile l'installation dans les zones rurales.
Les stations de base 4G actuelles disposent d’une douzaine de ports pour les antennes qui gèrent tout le trafic cellulaire: huit pour les émetteurs et quatre pour les récepteurs. Mais les stations de base 5G peuvent prendre en charge une centaine de ports, ce qui signifie que de nombreuses autres antennes peuvent tenir sur un même réseau. Cette capacité signifie qu'une station de base peut envoyer et recevoir des signaux de beaucoup plus d'utilisateurs à la fois, augmentant ainsi la capacité des réseaux mobiles. Attention toutefois, cette multiplication des antennes peut causer de nombreuses interférences, c'est pour cela que cette architecture doit comprendre la technologie beamforming.
Beamforming est un système de signalisation du trafic pour les stations de base cellulaires qui identifie la route de transmission de données la plus efficace pour un utilisateur particulier et réduit les interférences pour les utilisateurs à proximité.
L'organisation en petites cellules consiste à définir des stations de base de faible puissance et de faible coût qui peuvent être déployées de manière dense pour fournir des débits élevés. Cela réduit la distance entre l'utilisateur et la station de base, ce qui réduit également la puissance de transmission, améliorant ainsi l'efficacité énergétique des communications en liaison montante et en liaison descendante.
Une étude a montré que selon le scénario de déploiement d'antennes utilisé, l'efficacité énergétique de Massive MIMO pouvait différer. En effet, plus les antennes sont réparties plus l'efficacité spectrale est importante mais pas forcément l'efficacité énergétique. Il est intéressant de voir que l'augmentation d'antennes a pour effet d'augmenter simultanément l'efficacité énergétique et l'efficacité spectrale. Cela s’explique par le fait qu’avec le nombre croissant de cellules sur la même zone, le nombre total d’utilisateurs desservis augmente, ce qui entraîne à son tour une augmentation de la puissance de calcul.
Les équipements réseau
La couche physique des communications sans fil (modulation, codage, réseaux d’accès aux canaux, etc.) consomme plus de puissance par rapport à un accès fixe en raison de graves dégradations du signal des canaux radio mobiles. La communication entre la station d’accès réseau et l’utilisateur mobile nécessite des frais généraux de transfert de données qui augmentent le rapport watt/Gbit/s requis. Pour cette raison l’impact de la couche physique sur la consommation d’énergie des réseaux sans fil est étudié.