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OFDMA, MU-MI-machin : le beamforming, c'est quoi ?

3/6/2020

Traduction : Sophie Boissonneau

Sans le beamforming, pas de 5G possible. Le « filtrage spatial » permet également aux routeurs Wi-Fi d'émettre un signal plus puissant avec une meilleure portée.

Le beamforming est notamment utilisé pour la diffusion des ondes radio, mais cette technique peut, en théorie, être appliquée partout où il existe des champs d'ondes. En acoustique, les algorithmes de beamforming peuvent être utilisés avec des microphones directionnels pour localiser les sources sonores. La technologie permet ainsi de s'assurer que le son trouve le chemin optimal entre les haut-parleurs surround et le siège. La « formation de faisceau » (traduction mot pour mot) consiste à déterminer la position d'une source dans des champs d'ondes afin d'y projeter les ondes ou de la sonoriser de manière ciblée.

Un routeur Wi-Fi non doté de cette technologie diffuse le signal dans toutes les directions, au petit bonheur la chance, tant que ce dernier ne rencontre pas d'obstacle sur son chemin. Équipé du beamforming, un routeur envoie le signal directement à l'appareil cible. Cela implique toutefois que l'appareil en question indique dans un premier temps sa position au routeur. Il doit donc, lui aussi, être doté de cette technologie.

L'utilisation du beamforming remonte à la Deuxième Guerre mondiale. La technologie était effectivement utilisée pour améliorer les sonars des sous-marins dans les années 40. Les scientifiques ont pour cela utilisé des calculs mathématiques complexes, mais aussi des technologies sophistiquées avec notamment un convertisseur, un préamplificateur, un numériseur et du matériel pour calculer le beamforming.

Beamforming : quand une antenne ne suffit pas

Dans un réseau local sans fil, le beamforming permet de s'assurer que le routeur concentre son signal sur le dispositif de réception. Et c'est bien ce qu'il fait en envoyant plusieurs signaux qui se chevauchent, nous y reviendrons plus tard. Pour mettre en place le beamforming dans votre réseau sans fil, il vous faudra un routeur équipé de plusieurs antennes ou disposant de la technologie MIMO. Les routeurs Wi-Fi dotés de la technologie MIMO (Multiple Input, Multiple Output) sont en mesure d'utiliser différentes antennes. Cela leur permet d'envoyer quatre flux de données descendants simultanément. Les premiers routeurs MIMO ont été mis sur le marché fin 2009, soit en même temps que la norme Wi-Fi 4 802.11n. Mais la norme 802.11n ne précise pas comment implémenter le beamforming dans les routeurs. Par conséquent, seuls quelques produits propriétaires 802.11n disposaient du beamforming.

Ce n'est qu'avec le Wi-Fi-5, ou 802.11ac, que le beamforming devient accessible au grand public. Depuis 2014, les nouveaux routeurs transmettent jusqu'à huit flux de données descendants simultanément via plusieurs antennes. Et grâce à la technique MU-MIMO, il devient également possible d'alimenter différents terminaux simultanément. La nouvelle norme apporte non seulement la technologie « multi-utilisateurs entrées multiples, sorties multiples », mais aussi un débit de données plus important et de nombreuses autres améliorations ; elle inclut enfin certaines techniques spécifiques au beamforming. Et bien qu'un routeur 802.11ac ne soit pas nécessaire pour disposer du beamforming, presque tous les fabricants l'intègrent désormais dans leurs produits.

Beam me up, Scotty : MU-MIMO ascendant et OFDMA

Pour qu'une nouvelle technologie fonctionne, elle doit être prise en charge non seulement par le routeur Wi-Fi, mais aussi par le terminal correspondant. Si votre vieille PS3 ne tient toujours pas la route après la mise à niveau du routeur, le problème ne vient donc pas du routeur, mais de la chip 802.11g un peu datée qui se trouve dans la console.

Depuis la certification Wi-Fi-6, sortie en septembre 2019, la technologie MU-MIMO a été mise à niveau. La technologie MU-MIMO ascendante se fait cependant encore attendre. Les routeurs Wi-Fi 6 actuels n'en sont pas encore dotés. Mais la technologie devrait être intégrée dans les prochains produits Wave-2-802.11ax. Le flux ascendant n'est pas une totale nouveauté, il était en effet déjà présent dans quelques produits Wave-2-802.11ac.

En outre, dans le Wi-Fi 6, la technologie MU-MIMO est dotée d'un partenaire solide. Le même partenaire qui l'accompagne dans la technologie 5G : l'OFDMA.

Le MU-MIMO ainsi que l'OFDMA sont des technologies multi-utilisateurs. À l'avenir, elles pourront toutes deux échanger des flux de données indépendants avec différents appareils en ascendant et en descendant simultanément. Elles permettent toutes deux de réduire les temps de latence et d'améliorer l'efficacité du réseau local sans fil. Mais la technologie « orthogonal frequency-division multiple access » adopte une approche différente en divisant un canal radio en sous-canaux. Un canal de 20 MHz peut, par exemple, être divisé en un maximum de neuf canaux. On attribue ensuite un intervalle de temps à chaque sous-canal. Puis le routeur alimente alternativement les sous-canaux ou les différents terminaux en données, tout cela se faisant à des intervalles extrêmement courts. Ces minuscules fenêtres de temps garantissent que tout se déroule apparemment sans heurts.

À première vue, l'OFDMA concurrence le MU-MIMO. Les apparences sont cependant trompeuses, car les deux technologies se complètent parfaitement. Si une application nécessite une bande passante élevée, le MU-MIMO est plus en mesure d'améliorer l'efficacité de la connexion que l'OFDMA. En revanche, ce dernier est plus performant en cas de faible bande passante ou de petits paquets de données. Dans le cas de bandes passantes larges et étroites mélangées, l'OFDMA est également un choix judicieux. Un routeur AX décide, sur la base d'algorithmes prédéfinis ou adaptés, s'il transmet les données par MU-MIMO, OFDMA ou même SU-MIMO.

En fin de compte, l'OFDMA augmente l'efficacité, réduit plus efficacement la latence et peut desservir beaucoup plus d'appareils simultanément avec de petits paquets que le MU-MIMO. Tandis que le MU-MIMO augmente la capacité, améliore le débit par utilisateur et convient mieux pour télécharger un fichier volumineux comme un film.

Alors, qu'est-ce que le beamforming ?

La condition préalable pour qu'un routeur Wi-Fi puisse gérer différentes antennes est une procédure telle que le MU-MIMO ou l'OFDMA. Mais ce n'est qu'une petite partie de ce dont les routeurs actuels sont capables. Avec le Wi-Fi-6, plus de 50 fonctionnalités sont prévues, dont certaines sont déjà disponibles dans les produits actuels ou arriveront bientôt. De nombreux facteurs peuvent alors affecter les performances. Il faut également citer la modulation d'amplitude en quadrature, qui, comme les deux technologies multi-utilisateurs, est également utilisée pour la 5G.

Mais revenons au beamforming, qui a l'avantage d'offrir un meilleur débit : lorsqu'une antenne envoie son signal de façon circulaire dans toutes les directions, le signal est plus faible au bord de la zone de réception. Il est possible de compenser cela en envoyant le signal sous forme de faisceau et non de cercle en direction de l'appareil. Les antennes n'ont pas besoin d'être physiquement alignées pour cela. Un faisceau puissant ciblé est obtenu par déphasage et maximisation des trajets du signal. Différentes antennes, situées à proximité les unes des autres, transmettent le même signal à des intervalles extrêmement courts. Les différentes ondes de signal sont superposées et provoquent des interférences. Or, selon l'endroit, la superposition des ondes peut entraîner une interférence destructrice ou constructive. Les ondes peuvent s'annuler ou s'amplifier et agir en faisceaux.

Le beamforming doit par conséquent être effectué correctement afin d'obtenir un signal fort et ciblé. Nous sommes donc face à une technologie complexe, mais nécessaire au réseau 5G. La 5G passe en effet par des bandes de fréquences plus élevées. Ces dernières ayant une portée plus courte que les basses fréquences, nous avons besoin de technologies pour compenser cela.

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Martin Jud

Senior Editor

martin.jud@digitecgalaxus.ch

Le baiser quotidien de la muse stimule ma créativité. Si elle m’oublie, j’essaie de retrouver ma créativité en rêvant pour faire en sorte que mes rêves dévorent ma vie afin que la vie ne dévore mes rêves.

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