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La 5G : l’efficacité énergétique “by design”

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“La 5G intègre des mécanismes d’efficacité énergétique by design afin de réduire significativement sa consommation d’énergie par bit d’information transporté”


Un des grands apports des réseaux 5G est d’intégrer les enjeux énergétiques dès leur conception, via la mise en œuvre de mécanismes d’efficacité calibrés. A terme, ceux-ci seront susceptibles de réduire la consommation d’énergie du futur réseau jusqu’à un facteur 20 par rapport à la 4G. Ils le feront, notamment, en activant des modes de veille gradués.

Les progrès affichés par les réseaux de téléphonie mobile au fil des ans ne se mesurent pas uniquement à l’aune de leur performance opérationnelle et du service délivré au client final. Ils se jugent aussi au regard de leur capacité à prendre en compte les enjeux sociétaux et environnementaux, notamment ceux liés à la consommation d’énergie. Sur ce thème, les avancées réalisées sont substantielles et documentées : chaque transition d’une génération de réseaux à une autre a apporté un gain d’un facteur 10 en matière d’efficacité énergétique[1].

Un gain d’efficacité déjà visible

Le passage à la 5G devrait même améliorer cette performance. Sur les villes-tests, le nouveau réseau est déjà deux fois plus efficace du point de vue énergétique que la 4G. Et il ne s’agit ici que de premiers déploiements, réalisés avec des technologies encore jeunes et des réseaux très peu chargés.

Cette amélioration se fonde sur un bond en avant technologique. En 5G, la charge du trafic écoulée sur les réseaux sera plus importante pour une consommation énergétique du même ordre de grandeur, résultant mécaniquement en une réduction de la part des consommations d’électricité par bit transporté. La 5G sera plus efficace que la 4G s’agissant de la quantité de bits d’information délivrée pour une unité de consommation d’énergie donnée. Les leviers techniques et opérationnels qui soutiennent cette progression sont notamment liés à l’optimisation des technologies de processeurs et des émetteurs ou encore à la mise en œuvre des mécanismes de partage des réseaux.

Des antennes intégrées pour plus de sobriété

Une grande rupture apportée par la 5G concerne l’implémentation de nouvelles antennes dites Massive Multiple-Input Multiple-Output (Massive MIMO). Ces dernières émettent le signal uniquement dans la direction du mobile en communication (on parle de faisceaux), plutôt que dans un large secteur comme le font les antennes communément utilisées en 4G. Cette caractéristique augmente significativement le débit délivré par une antenne, car plusieurs faisceaux peuvent être utilisés simultanément, chacun pouvant réutiliser les fréquences de la cellule. Les antennes Massive MIMO se distinguent par une conception ultra-intégrée. Elles concentrent les amplificateurs de puissance (dont le rendement a été amélioré par rapport à la 4G) au niveau du radôme (abri pour antenne) en y combinant les éléments rayonnants, de l’électronique analogique et une partie digitale dédiée aux fonctions de gestion des faisceaux. Si les premières implémentations sont encore peu optimisées aujourd’hui, les progrès attendus dans l’intégration et la densification des éléments constitutifs de l’antenne vont fortement réduire la consommation énergétique des briques qui la composent.

“Les projections qui ont été faites par les fabricants d’antennes sont encourageantes”, précise Eric Hardouin, Directeur du Domaine de Recherche Connectivité Ambiante, Orange. “Si une antenne 5G consomme en moyenne aujourd’hui trois fois plus qu’une antenne 4G, ce rapport devrait passer à 50% à l’horizon 2021 et 25 % en 2022. Surtout, pour cette consommation énergétique, une antenne 5G gère une largeur de bande 5 fois plus importante et pourra délivrer un débit supérieur pour servir plus d’utilisateurs simultanément.”

Des modes “veille” avancés

L’un des développements les plus marquants associés à la 5G concerne la généralisation des modes de veille profonde (“Sleep Mode”). Le principe de base est simple : il s’agit d’éteindre sélectivement un ou des équipements en l’absence de trafic. Sur ce sujet, la 4G était limitée du fait de la conception de son interface radio, une station de base devant transmettre des signaux de référence environ 1000 fois par seconde, même sans mobile actif dans la cellule. De fait, la dernière génération en date de réseaux mobiles ne pouvait autoriser la mise en œuvre que d’un premier niveau de Sleep Mode (4 en tout) ‑ le plus basique.

La 5G quant à elle prévoit la configuration d’intervalles de temps sans aucune transmission en cas de non-trafic, afin de permettre l’activation de modes de veille plus avancés et plus efficaces en termes de gain énergétique. “Cette fonctionnalité a été poussée dès la conception du nouveau réseau”, reprend Eric Hardouin, “et a donné lieu à un travail entre opérateurs et fournisseurs d’équipements au sein du forum NGMN, en amont de la normalisation. Un Livre Blanc publié en 2015[2] revient sur cette exigence d’efficacité énergétique intégrée by design et poussée par Orange. Il organise la possibilité pour un opérateur de paramétrer un compromis entre performance du réseau et consommation d’énergie : une réduction des capacités opérationnelles du réseau peut se justifier au regard du bénéfice énergétique associé. C’est le cas s’agissant des Sleep Modes. Un intervalle sans transmission peut être configuré sur une plage allant de 5 à 100 ms. Mais cela signifie qu’un terminal peut mettre plus de temps pour s’accrocher à une cellule – sans que cela ne soit perceptible par l’utilisateur.”

20 fois moins d’énergie consommée

Le premier niveau de mode de veille, déjà actif en 4G, consiste à éteindre l’amplificateur de puissance et génère une diminution de 20 % de la consommation énergétique. La 5G pourra aller jusqu’au niveau 3, avec la mise en veille de certaines parties de l’étage radiofréquence et de la partie digitale des antennes, pour une économie énergétique de l’ordre de 50 %.

Parce qu’elles ont intégré l’enjeu d’efficacité énergétique dès leur conception, on prévoit que les technologies 5G, une fois arrivées à maturité à l’horizon 2025, devraient diviser par 10 la consommation énergétique par gigabit transporté par rapport à la 4G, puis par 20 en 2030.

Pour autant, et si l’on se réfère à l’augmentation du trafic attendu dans la même période, un nécessaire travail de pédagogie et d’accompagnement sur les usages clients devra aussi être réalisé pour tendre vers une sobriété énergétique optimale.

 

[1] L’efficacité énergétique se définit comme l’inverse de l’énergie consommée par bit transmis, ou comme le nombre de bits transmis par unité d’énergie consommée.

[2] https://www.ngmn.org/work-programme/5g-white-paper.html


“La 5G intègre des mécanismes d’efficacité énergétique by design afin de réduire significativement sa consommation d’énergie par bit d’information transporté”


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