Quels sont les différents types de beamforming dans la 5G ?
Le beamforming, ou formation de faisceaux, est une technologie clé utilisée dans les réseaux 5G pour améliorer la couverture, la capacité et l’efficacité spectrale. Cette technique permet de diriger de manière dynamique les signaux radio vers un utilisateur spécifique au lieu d’émettre dans toutes les directions comme dans les systèmes traditionnels. Dans le contexte de la 5G, qui utilise des fréquences élevées (surtout dans les bandes millimétriques), le beamforming devient essentiel pour compenser les pertes de propagation et assurer une communication stable et performante.
Il existe plusieurs types de beamforming en 5G, chacun ayant des caractéristiques, des avantages et des cas d’utilisation spécifiques. On distingue généralement trois catégories principales : analogique, numérique (digital), et hybride.
Beamforming analogique (Analog Beamforming)
Le beamforming analogique repose sur l’utilisation de phase shifters (changeurs de phase) dans le domaine RF (radiofréquence), généralement après un seul convertisseur numérique-analogique (DAC). Il contrôle la direction du faisceau en ajustant la phase du signal envoyé à chaque antenne dans un réseau d’antennes (antenna array).
Ce type de beamforming est principalement utilisé dans les terminaux ou dans les stations de base à faible complexité, car il est peu coûteux en ressources matérielles.
- Utilise un seul canal RF pour tout l’antenna array
- Direction du faisceau contrôlée par des déphasages appliqués
- Faible coût et faible consommation d’énergie
- Limité à un seul faisceau à la fois
Limite : comme l’architecture ne permet pas d’envoyer plusieurs faisceaux simultanément, elle n’est pas adaptée aux scénarios nécessitant des communications multi-utilisateurs en parallèle.
Beamforming numérique (Digital Beamforming)
Le beamforming numérique opère dans le domaine numérique avant l’étage RF. Il utilise des algorithmes DSP (Digital Signal Processing) sophistiqués pour générer plusieurs faisceaux indépendants et gérer plusieurs utilisateurs en même temps (MU-MIMO – Multi User Multiple Input Multiple Output).
Chaque antenne ou sous-groupe d’antennes est alimenté par un convertisseur numérique-analogique dédié, permettant un contrôle individuel des signaux.
- Permet la création de multiples faisceaux simultanés
- Supporte MU-MIMO et le beamforming adaptatif par utilisateur
- Très grande flexibilité de traitement
- Nécessite plus de circuits RF, donc plus coûteux
C’est l’approche la plus puissante mais aussi la plus complexe, réservée en général aux stations de base (gNodeB) haut de gamme ou aux réseaux denses.
Beamforming hybride (Hybrid Beamforming)
Le beamforming hybride combine les avantages du beamforming analogique et numérique. Il permet d’atteindre un compromis entre performance et complexité. Il utilise plusieurs chaînes RF mais en nombre réduit par rapport au beamforming numérique pur, avec des phase shifters analogiques pour affiner les directions de faisceaux.
Cette approche est largement utilisée dans les systèmes 5G NR, notamment dans les bandes FR2 (mmWave) où un grand nombre d’éléments d’antenne est nécessaire.
- Combinaison de contrôle numérique et analogique
- Moins de convertisseurs que le beamforming numérique
- Meilleure efficacité énergétique que le numérique pur
- Capacité à gérer plusieurs utilisateurs avec une bonne couverture
Le beamforming hybride est souvent le choix privilégié pour les stations de base 5G de nouvelle génération, car il offre un bon équilibre entre performance, coût et efficacité énergétique.
Autres classifications importantes
Outre la classification selon la méthode de traitement du signal, le beamforming peut également être différencié selon son mode d’opération :
- Beamforming statique : les faisceaux sont prédéfinis et ne changent pas dynamiquement en fonction des mouvements de l’utilisateur
- Beamforming adaptatif : les faisceaux sont ajustés en temps réel selon la position, la vitesse et les conditions radio de l’utilisateur
- Beam sweeping : technique utilisée dans la phase initiale pour balayer différentes directions et identifier la meilleure orientation de faisceau
Applications spécifiques du beamforming en 5G
Dans les bandes millimétriques (24 GHz et plus), les pertes de propagation sont significatives. Le beamforming est alors essentiel pour concentrer l’énergie dans une direction spécifique afin de maintenir une liaison stable et de bonne qualité.
Dans les bandes sub-6 GHz, bien que les pertes soient moindres, le beamforming permet d’augmenter la capacité du réseau en permettant une meilleure séparation spatiale entre les utilisateurs.
Pourquoi le beamforming est-il crucial en 5G ?
Parce que la 5G vise à offrir des débits très élevés et une latence très faible dans des environnements très denses. Le beamforming permet d’optimiser l’utilisation du spectre radio, de réduire les interférences entre les utilisateurs, et d’augmenter la portée des cellules, en particulier dans les bandes à haute fréquence.
Le beamforming nécessite-t-il des antennes spéciales ?
Oui, les systèmes 5G utilisant le beamforming emploient des réseaux d’antennes appelés Massive MIMO (Multiple Input Multiple Output), capables de transmettre et de recevoir plusieurs signaux simultanément avec une haute précision directionnelle.