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BAFU-D-963E3401/1511
Département fédéral de l'environnement, des transports, de l'énergie et de la communication DETEC
Office fédéral de l'environnement OFEV Division Bruit et RNI
23.2.2021
Explications concernant les antennes adaptatives et leur Ă©valuation selon lâordonnance sur la protection contre le rayonnement non ionisant (ORNI)
Contenu
1 Introduction : 5G et antennes adaptatives .................................................................................2 2 Ordonnance sur la protection contre le rayonnement non ionisant (ORNI) ...........................3
2.1 RĂ©vision de lâORNI de 2019 concernant la tĂ©lĂ©phonie mobile .............................................3 2.2 Informations de base sur la prĂ©vision et la mesure du rayonnement de la tĂ©lĂ©phonie
mobile ...................................................................................................................................3 3 5G ....................................................................................................................................................4
3.1 Informations techniques ........................................................................................................4 3.2 Prévision et mesure de la 5G ...............................................................................................5
4 Antennes adaptatives et formation de faisceau ........................................................................5 4.1 Construction dâantennes exploitables en mode adaptatif et dĂ©finitions des termes .............5 4.2 Technologies de formation de faisceaux (beamforming) ......................................................7 4.3 Applications de la formation de faisceaux ............................................................................7 4.4 Conclusions ..........................................................................................................................8
5 Rayonnement des antennes adaptatives : prĂ©vision et mesure ..............................................8 5.1 DonnĂ©es de base ..................................................................................................................8 5.2 Diagrammes dâantenne des antennes conventionnelles ......................................................9 5.3 Diagrammes dâantenne enveloppants des antennes adaptatives ..................................... 10 5.4 Prise en compte des diagrammes dâantenne enveloppants dans la prĂ©vision du
rayonnement des antennes adaptatives selon la recommandation dâexĂ©cution de lâORNI................................................................................................................................. 12
5.5 Mesures de rĂ©ception : utilisation des diagrammes dâantenne des antennes adaptatives ......................................................................................................................... 13
6 Exposition aux antennes adaptatives ...................................................................................... 15 6.1 Ătudes de simulation et considĂ©rations thĂ©oriques ........................................................... 15 6.2 Etudes de mesures ........................................................................................................... 17 6.3 Mesures et simulations rĂ©alisĂ©es par lâOFCOM ................................................................ 17 6.4 Conclusions ....................................................................................................................... 20
7 Facteur de correction et limitation automatique de la puissance......................................... 21 8 Autres considérations ............................................................................................................... 22
8.1 Prise en compte de lâexploitation en TDD.......................................................................... 22 8.2 Recommandation dâexĂ©cution : suivi et expĂ©riences ......................................................... 24
9 Informations complémentaires ................................................................................................. 25
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Référence : OFEV-322.3-5/7
1 Introduction : 5G et antennes adaptatives
Les antennes de tĂ©lĂ©phonie mobile actuellement utilisĂ©es en Suisse Ă©mettent essentiellement avec une rĂ©partition spatiale constante du rayonnement. En revanche, les antennes adaptatives sont capables de focaliser le signal dans la direction de lâutilisateur ou de lâappareil de tĂ©lĂ©phonie mobile et de le rĂ©duire dans des autres directions (beamforming ou formation de faisceaux). De telles antennes seront de plus en plus utilisĂ©es Ă lâavenir, notamment avec la 5e gĂ©nĂ©ration de tĂ©lĂ©phonie mobile (5G), mais elles peu-vent Ă©galement ĂȘtre utilisĂ©es pour des technologies antĂ©rieures, comme la 4G.
En Suisse, lâutilisation dâantennes en mode adaptatif est Ă mettre sur le compte des facteurs suivants :
â DĂ©but 2019, la ConfĂ©dĂ©ration a libĂ©rĂ© des frĂ©quences supplĂ©mentaires dans les bandes des 700 mĂ©gahertz (MHz), 1400 MHz et 3500 Ă 3800 MHz (= 3,5 Ă 3,8 gigahertz [GHz]) pour la tĂ©lĂ©pho-nie mobile. Des antennes adaptatives seront utilisĂ©es en particulier dans la bande de frĂ©quences comprise entre 3,5 et 3,8 GHz. Dâune part, dâun point de vue technique, ces frĂ©quences ont une ca-pacitĂ© de transmission plus faible que les frĂ©quences utilisĂ©es jusquâĂ prĂ©sent autour de 2 GHz et en dessous, car leurs signaux sont davantage attĂ©nuĂ©s Ă mesure quâils se propagent dans lâair ou dans lâenveloppe des bĂątiments. Dâautre part, en raison de la faible longueur dâonde du rayonnement dans cette gamme de frĂ©quences (environ 8 cm), il est possible de construire des antennes plus petites et plus complexes avec lesquelles les signaux peuvent ĂȘtre rassemblĂ©s en un faisceau dirigĂ© dans la direction souhaitĂ©e. De cette maniĂšre, les caractĂ©ristiques de propagation de moins bonne qualitĂ© peuvent ĂȘtre compensĂ©es.
â Fin 2018, les organismes de normalisation des tĂ©lĂ©communications ont publiĂ© le premier jeu complet de normes pour la norme 5G. Par rapport aux gĂ©nĂ©rations prĂ©cĂ©dentes de tĂ©lĂ©phonie mobile, la 5G prĂ©sente une structure de signal plus souple et prĂ©voit aussi explicitement lâutilisation dâantennes adaptatives. En avril 2019, les premiĂšres antennes Ă©mettant des signaux 5G sont entrĂ©es en service en Suisse.
Lâintroduction dâantennes adaptatives a donc Ă©tĂ© encouragĂ©e avec les frĂ©quences supplĂ©mentaires dans la gamme comprise entre 3,5 et 3,8 GHz utilisĂ©es pour la tĂ©lĂ©phonie mobile depuis le dĂ©but de 2019, et avec la normalisation 5G qui est entiĂšrement disponible depuis la fin de 2018. Cependant, la norme 5G ne dĂ©finit que la maniĂšre dont les signaux numĂ©riques sont transmis Ă lâantenne (câest-Ă -dire la façon dont ils sont rĂ©partis entre les diffĂ©rents ports dâune antenne adaptative). En revanche, le mode de fonc-tionnement des antennes adaptatives ne fait pas partie de la normalisation 5G, mais dĂ©pend du fabricant (cf. Figure 1).
Figure 1 Représentation schématique de la relation entre la 5G et les antennes adaptatives. La norme 5G
dĂ©finit lâarchitecture frĂ©quence-temps des signaux et la maniĂšre dont ils sont acheminĂ©s vers les diffĂ©rents ports dâantenne. En revanche, le mode de fonctionnement de lâantenne adaptative est indĂ©pendant de la 5G (source : METAS).
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2 Ordonnance sur la protection contre le rayonnement non ionisant (ORNI)
2.1 RĂ©vision de lâORNI de 2019 concernant la tĂ©lĂ©phonie mobile
Lâordonnance sur la protection contre le rayonnement non ionisant (ORNI) nâest pas liĂ©e Ă une techno-logie particuliĂšre ; elle sâapplique aussi bien Ă la technologie de tĂ©lĂ©phonie mobile de type 2G (GSM), 3G (UMTS), 4G (LTE) ou 5G (New Radio). En raison des frĂ©quences autour des 1400 MHz nouvellement attribuĂ©es Ă la tĂ©lĂ©phonie mobile au dĂ©but de 2019 et compte tenu de lâutilisation dâantennes adaptatives qui se dessinait, une modification de lâORNI Ă©tait nĂ©anmoins nĂ©cessaire. Elle a Ă©tĂ© adoptĂ©e le 17 avril 2019 :
â Pour la gamme de frĂ©quences comprises entre 900 et 1800 MHz, aucune valeur limite de lâinstalla-tion (VLInst) nâavait Ă©tĂ© dĂ©finie Ă lâannexe 1, ch. 64, ORNI. Le Conseil fĂ©dĂ©ral a fixĂ© cette valeur - en accord avec le niveau de prĂ©caution prĂ©cĂ©dent - Ă 5 volts par mĂštre (V/m).
â Pour les antennes adaptatives, le Conseil fĂ©dĂ©ral a Ă©tabli le principe selon lequel la variabilitĂ© de leurs directions dâĂ©mission et de leurs diagrammes dâantenne doit ĂȘtre prise en compte lors de la dĂ©-termination du mode dâexploitation dĂ©terminant dans lequel les VLInst doivent ĂȘtre respectĂ©es con-formĂ©ment Ă lâannexe 1, ch. 64, ORNI.
Le 23.2.2021, lâOFEV a publiĂ© un complĂ©ment Ă lâaide Ă lâexĂ©cution de lâORNI pour les antennes adap-tatives dĂ©crivant comment la variabilitĂ© de leurs diagrammes dâantenne peut ĂȘtre prise en compte dans lâĂ©valuation selon lâORNI. Des informations gĂ©nĂ©rales sur cette recommandation dâexĂ©cution et sur des aspects fondamentaux de la 5G et des antennes adaptatives sont prĂ©sentĂ©es ci-aprĂšs.
2.2 Informations de base sur la prévision et la mesure du rayonnement de la téléphonie mo-bile
Les cantons et les communes sont responsables de lâoctroi des autorisations et du contrĂŽle des instal-lations de tĂ©lĂ©phonie mobile ainsi que du respect des valeurs limites de lâORNI. Les procĂ©dures peuvent diffĂ©rer quelque peu dâun canton Ă lâautre, mais les principes sont les mĂȘmes :
â Calcul dâune prĂ©vision : si de nouvelles installations de tĂ©lĂ©phonie mobile sont construites ou si les installations existantes sont Ă©tendues, le rayonnement attendu Ă proximitĂ© de lâinstallation est calculĂ© Ă lâavance pour vĂ©rifier si les valeurs limites de lâORNI sont respectĂ©es. Ces calculs sont basĂ©s sur des paramĂštres dâexploitation de lâinstallation tels que les directions et les puissances dâĂ©mission. Ces informations et les rĂ©sultats des calculs sont documentĂ©s dans la fiche de donnĂ©es spĂ©cifique au site et sont vĂ©rifiĂ©s par les autoritĂ©s.
â Mesure de rĂ©ception aprĂšs la mise en service : si les calculs montrent que la VLInst de lâORNI est Ă©puisĂ©e Ă plus de 80 % dans des lieux Ă utilisation sensible (LUS) tels que les appartements, les Ă©coles, les hĂŽpitaux, les lieux de travail permanents ou les terrains de jeux pour enfants, les autori-tĂ©s ordonnent gĂ©nĂ©ralement une mesure de rĂ©ception aprĂšs la mise en service de lâinstallation nou-velle ou transformĂ©e. Ainsi, le respect de la VLInst est contrĂŽlĂ© non seulement en thĂ©orie, mais aussi dans les conditions rĂ©elles dâexploitation.
â VĂ©rification en cours dâexploitation : Ă©tant donnĂ© que certains paramĂštres ayant une influence sur le rayonnement Ă proximitĂ© dâune installation (tels que les puissances dâĂ©missions) peuvent ĂȘtre rĂ©-glĂ©s et modifiĂ©s Ă distance, les opĂ©rateurs ont mis en place un systĂšme dâassurance de la qualitĂ© dans leurs centres de rĂ©seau. Il sâagit de bases de donnĂ©es dans lesquelles les valeurs paramĂ©trĂ©es pour la direction dâĂ©mission et la puissance Ă©mettrice maximale de chaque installation, pour chaque frĂ©quence et chaque service de radiocommunication, sont saisies et comparĂ©es quotidiennement avec les valeurs autorisĂ©es. Les divergences par rapport aux paramĂštres autorisĂ©s doivent ĂȘtre cor-rigĂ©es dans les 24 heures si elles peuvent lâĂȘtre Ă distance ou, au plus, en lâespace dâune semaine ouvrable. Certaines donnĂ©es opĂ©rationnelles et dâapprobation (selon la fiche de donnĂ©es spĂ©cifique au site) de toutes les installations sont Ă©galement contenues dans une base de donnĂ©es de lâOffice fĂ©dĂ©ral de la communication (OFCOM) et peuvent y ĂȘtre contrĂŽlĂ©es par les autoritĂ©s.
Cette procĂ©dure dâautorisation et de contrĂŽle est dĂ©crite ici sous une forme trĂšs abrĂ©gĂ©e et uniquement dans la mesure nĂ©cessaire aux explications ultĂ©rieures. Des informations dĂ©taillĂ©es sur lâautorisation
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et le contrÎle des installations de téléphonie mobile figurent au point 7.2 du Rapport du groupe de travail Téléphonie mobile et rayonnement du 18 novembre 2019.
3 5G
3.1 Informations techniques
La 5G sâappuie sur la norme 4G existante (LTE). Dans lâespace frĂ©quence-temps, le signal 5G prĂ©sente une architecture similaire Ă celle du signal 4G ; en outre il est dotĂ© de la mĂȘme modulation, Ă savoir le multiplexage par rĂ©partition orthogonale en frĂ©quence (en anglais Orthogonal Frequency-Division Multiplexing, OFDM).
La 5G peut donc ĂȘtre exploitĂ©e en mĂȘme temps que la 4G. Dans ce mode dâexploitation non autonome (non-standalone), la signalisation (câest-Ă -dire lâenvoi dâinformations Ă une cellule radio pour lâidentifier) est fournie par un rĂ©seau 4G existant. Les donnĂ©es dâutilisation sont toutefois diffusĂ©es avec la norme 5G dans la mĂȘme bande de frĂ©quences que la 4G (les canaux dits de trafic). La 5G peut Ă©galement ĂȘtre exploitĂ©e indĂ©pendamment de la 4G. Dans le mode dâexploitation autonome (standalone), la signalisation et les donnĂ©es dâutilisation sont transmises via la 5G. La pleine efficacitĂ© de celle-ci nâest atteinte que de cette maniĂšre.
La 5G dispose donc de canaux de signalisation et de donnĂ©es, tout comme les prĂ©cĂ©dentes technologies de tĂ©lĂ©phonie mobile. Contrairement aux gĂ©nĂ©rations prĂ©cĂ©dentes, oĂč les canaux de signalisation et de donnĂ©es Ă©taient toujours diffusĂ©s avec le mĂȘme diagramme dâantenne, avec la 5G, les canaux de signalisation et de donnĂ©es peuvent ĂȘtre diffusĂ©s avec des diagrammes diffĂ©rents (voir point 5.3 pour plus de plus amples informations).
Dans la normalisation internationale, deux gammes de frĂ©quences sont envisagĂ©es pour la 5G : une pour les frĂ©quences infĂ©rieures Ă 6 GHz (FR1 : 450 Ă 6000 MHz) et une pour les frĂ©quences supĂ©rieures Ă 6 GHz (FR2 : 24,25 Ă 52,6 GHz). Dans le cas de cette derniĂšre, on parle Ă©galement dâ« ondes milli-mĂ©triques ». En Suisse, la 5G est utilisĂ©e entre 700 et 3800 MHz (= 3,8 GHz) (cf. Figure 2 ; quant aux ondes millimĂ©triques, elles ne sont pas encore prĂ©vues pour la tĂ©lĂ©phonie mobile. Concernant lâutilisation de telles ondes, câest au Conseil fĂ©dĂ©ral dâen dĂ©cider, dans le cadre de lâapprobation du Plan national dâattribution des frĂ©quences (PNAF).
Figure 2 En Suisse, la 5G peut ĂȘtre utilisĂ©e sur toutes les frĂ©quences autorisĂ©es pour la tĂ©lĂ©phonie mobile
entre 700 MHz et 3,8 GHz. Les premiÚres antennes adaptatives sont utilisées dans la gamme entre 3,4 et 3,8 GHz (source : groupe de travail RNI du Cercl'Air).
En Suisse, dans les bandes de frĂ©quences comprises entre 700 MHz et 2,6 GHz, les signaux diffusĂ©s de la station de base vers lâappareil mobile (liaison descendante) sont actuellement transmis sur une frĂ©quence autre (ou dans une bande de frĂ©quences adjacente sĂ©parĂ©e) que celle utilisĂ©e pour les si-gnaux allant du terminal vers lâantenne (liaison montante). Câest ce que lâon appelle le duplexage par rĂ©partition en frĂ©quence (en anglais Frequency Division Duplex, FDD).
De 3,4 Ă 3,8 GHz et en partie Ă 2,6 GHz, les liaisons descendante et montante sont rĂ©alisĂ©es sur la mĂȘme frĂ©quence, mais Ă des moments diffĂ©rents, ce qui sâappelle le duplexage par rĂ©partition
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dans le temps (en anglais Time Division Duplexing, TDD). Les crĂ©neaux temporels prĂ©vus pour la liaison descendante et la liaison montante sont clairement dĂ©finis ; le rapport entre la liaison descendante et la liaison montante est actuellement de 4:1 (ou 80:20). Durant un cycle liaison descendante - liaison montante, la station de base Ă©met donc au maximum pendant 80 % du temps tandis que 20 % du temps est rĂ©servĂ© Ă la transmission du dispositif mobile vers la station de base. Le TDD est utilisĂ© lorsque les donnĂ©es Ă transmettre sont beaucoup plus nombreuses sur la liaison descendante que sur la liaison montante. En outre, les liaisons descendante et montante ont les mĂȘmes caractĂ©ristiques de propaga-tion.
Lâutilisation de la technologie FDD ou TDD ne dĂ©pend pas de la gĂ©nĂ©ration de tĂ©lĂ©phonie mobile, mais est spĂ©cifiĂ©e dans les concessions pour les frĂ©quences respectives. En consĂ©quence, le FDD est Ă©ga-lement utilisĂ© pour la 5G entre 700 MHz et 2,6 GHz et le TDD en partie Ă 2,6 GHz et entre 3,4 et 3,8 GHz.
3.2 Prévision et mesure de la 5G
Les valeurs limites dâimmissions (VLI) et les VLInst spĂ©cifiĂ©es dans lâORNI varient en fonction de la frĂ©quence du rayonnement, mais elles ne dĂ©pendent pas de la technologie de tĂ©lĂ©phonie mobile ; elles sâappliquent donc indĂ©pendamment du fait quâil sâagisse de la 2G (GSM), de la 3G (UMTS), de la 4G (LTE) ou de la 5G (New Radio). Les prĂ©visions de rayonnement calculĂ©es dans le cadre de la procĂ©-dure dâautorisation sont neutres sur le plan technologique. Elles sont donc Ă©galement applicables Ă la 5G.
La technologie de tĂ©lĂ©phonie mobile utilisĂ©e ne joue un rĂŽle que pour les mesures de rĂ©ception aprĂšs la mise en service, la forme du signal utilisĂ©e dĂ©pendant de la norme de tĂ©lĂ©phonie mobile. Dans le rapport technique « MĂ©thode de mesure des stations de base 5G NR jusquâĂ 6 GHz » du 18 fĂ©vrier 2020, lâInstitut fĂ©dĂ©ral de mĂ©trologie (METAS) a prĂ©sentĂ© les dĂ©finitions des signaux 5G et les composantes du signal devant ĂȘtre mesurĂ©es. De plus amples informations Ă ce sujet figurent Ă©galement sous le point 2.1 des « Explications concernant la mĂ©thode de mesure des antennes adaptatives » de lâOFEV du 30 juin 2020.
4 Antennes adaptatives et formation de faisceau
4.1 Construction dâantennes exploitables en mode adaptatif et dĂ©finitions des termes
Une antenne exploitable en mode adaptatif est constituĂ©e dâun rĂ©seau dâantennes Ă©lĂ©mentaires (Ă pola-risation croisĂ©e) ou dâĂ©lĂ©ments dâantenne en colonnes et en lignes, Ă©galement appelĂ©e antenne rĂ©seau (cf. Figure 3) :
â Lâinterconnexion de plusieurs Ă©lĂ©ments dâantenne permet de gĂ©nĂ©rer un effet directionnel appliquĂ© au rayonnement Ă©mis, se concluant en un faisceau (beam). En termes simplifiĂ©s, on peut dire que plus le nombre dâĂ©lĂ©ments dâantenne est Ă©levĂ©, plus lâeffet directionnel possible est important, câest-Ă -dire plus le faisceau Ă©mis est Ă©troit et plus le gain dâantenne est Ă©levĂ©.
â Si les Ă©lĂ©ments dâantenne individuels ou interconnectĂ©s sont activĂ©s diffĂ©remment (par exemple par des dĂ©phasages), la direction dâĂ©mission principale du faisceau peut ĂȘtre dĂ©placĂ©e horizontalement et verticalement.
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Figure 3 SchĂ©ma de principe dâune antenne adaptative dotĂ©e de 64 Ă©lĂ©ments dâantenne constituĂ©s de di-
pĂŽles croisĂ©s (reprĂ©sentĂ©s en rouge et en vert). Dans cet exemple, deux Ă©lĂ©ments dâantenne sont Ă chaque fois couplĂ©s pour former un sub array. Lâantenne est donc constituĂ©e de 4 Ă 8 = 32 sub ar-rays.
Des notions utilisĂ©es dans le cadre du complĂ©ment Ă lâaide Ă lâexĂ©cution de lâORNI pour les antennes adaptatives sont dĂ©finies ci-aprĂšs.
Au sens de lâORNI, les antennes adaptatives sont des antennes Ă©mettrices ou des systĂšmes dâan-tennes ajustant automatiquement leur direction dâĂ©mission et/ou leur diagramme dâantenne Ă intervalles rapprochĂ©s sans modification de la direction de montage..
Dans les antennes de tĂ©lĂ©phonie mobile couramment utilisĂ©es aujourdâhui, un Ă©lĂ©ment dâantenne se compose de deux dipĂŽles Ă polarisation croisĂ©e ; sur la Figure 3 le dipĂŽle vert est polarisĂ© Ă +45° et le dipĂŽle rouge Ă -45°. Les signaux Ă©mis ont donc deux plans de polarisation diffĂ©rents.
Les Ă©lĂ©ments dâantenne couplĂ©s physiquement sont appelĂ©s sub array. Par exemple, si sur une antenne composĂ©e de 96 Ă©lĂ©ments dâantenne (= 192 dipĂŽles) 3 Ă©lĂ©ments dâantenne sont interconnectĂ©s, lâan-tenne dispose de 32 sub arrays ; si 6 Ă©lĂ©ments dâantenne sont groupĂ©s, lâantenne dispose de 16 sub arrays. Autre exemple : une antenne composĂ©e de 64 Ă©lĂ©ments dâantenne (= 128 dipĂŽles) dispose de 32 sub arrays si 2 Ă©lĂ©ments dâantenne sont interconnectĂ©s et de 16 sub arrays si 4 Ă©lĂ©ments sont inter-connectĂ©s
Dans le prĂ©sent exemple, chaque polarisation dâun sub array est desservie par une voie dâĂ©mission distincte, ou exprimĂ© dans lâautre sens : une voie dâĂ©mission dessert toujours tous les dipĂŽles intercon-nectĂ©s de mĂȘme polarisation dâun sub array. Dans le cas des antennes constituĂ©es de dipĂŽles Ă polari-sation croisĂ©e, un sub array est donc desservi par deux voies dâĂ©mission.
Chaque voie dâĂ©mission est initiĂ©e via un Ă©tage de sortie distinct (appelĂ© Ă©metteur (transmitter) ou Ă©lĂ©-ment TX). Une voie dâĂ©mission correspond normalement aussi Ă une voie de rĂ©ception (rĂ©cepteur ou RX), alors que les signaux circulent dans le sens opposĂ© lors de la rĂ©ception. Une antenne dite 64T/64R dispose donc de plus de 64 voies dâĂ©mission, soit de 32 sub arrays, et une antenne 32T/32R dispose de plus de 32 voies dâĂ©mission, soit de 16 sub arrays (cf. Tableau 1).
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Tableau 1 Exemples numĂ©riques en lien avec les dipĂŽles, les Ă©lĂ©ments dâantenne, les sub arrays et les voies dâĂ©mission pour les antennes constituĂ©es de dipĂŽles Ă polarisation croisĂ©e
Nombre de di-pĂŽles
Nombre dâĂ©lĂ©-ments d'antenne
Nombre dâĂ©lĂ©-ments dâantenne physiquement interconnectĂ©s
Nombre de sub arrays
Nombre de voies dâĂ©mis-sion
Ătages de sortie (voie dâĂ©mission x voie de rĂ©ception)
192 96 3 32 64 64Ă64 ou 64T/64R
192 96 6 16 32 32Ă32 ou 32T/32R
128 64 2 32 64 64Ă64 ou 64T/64R
128 64 4 16 32 32Ă32 ou 32T/32R
Le nombre de faisceaux quâune antenne adaptative peut gĂ©nĂ©rer dĂ©pend du nombre dâunitĂ©s dâantennes contrĂŽlĂ©es de maniĂšre individuelle. En ce qui concerne lâexposition de lâĂȘtre humain oĂč les diffĂ©rents niveaux de polarisation ne jouent pas un rĂŽle significatif, le nombre de sub arrays est donc pertinent. Le nombre de voies dâĂ©mission (ou dâĂ©metteurs-rĂ©cepteurs [transciever], par exemple 64T) est gĂ©nĂ©rale-ment publiĂ© dans les fiches techniques des antennes. Pour les antennes Ă deux plans de polarisation, cette information peut ĂȘtre divisĂ©e par deux pour obtenir le nombre de sub arrays par antenne.
4.2 Technologies de formation de faisceaux (beamforming) Lâactivation diffĂ©renciĂ©e des divers Ă©lĂ©ments dâantenne est devenue possible grĂące Ă la haute perfor-mance des ordinateurs actuels, qui peuvent traiter les signaux en moins de temps quâauparavant. Se-lon lâendroit du processus de traitement du signal, oĂč sont effectuĂ©s les dĂ©phasages pour piloter diffĂ©-remment les Ă©lĂ©ments d'antenne, diffĂ©rents nombres de faisceaux Ă©mis simultanĂ©ment sont possibles et la technologie de formation des faisceaux est dĂ©signĂ©e diffĂ©remment, bien que les dĂ©finitions ne soient pas toujours utilisĂ©es exactement de la mĂȘme maniĂšre.
Si le dĂ©phasage appliquĂ© au signal pour les diffĂ©rents Ă©lĂ©ments de lâantenne sâopĂšre aprĂšs la conversion du signal numĂ©rique en signal analogique (dans la partie haute frĂ©quence de lâantenne), on parle de formation de faisceau analogique. Les antennes fonctionnant de cette maniĂšre ne peuvent Ă©mettre quâun seul faisceau ou un seul diagramme de rayonnement spĂ©cifique Ă la fois. Des diagrammes ou des directions dâĂ©mission (faisceaux) diffĂ©rents doivent donc ĂȘtre Ă©mis successivement. En outre, le dĂ©pha-sage Ă©tant appliquĂ© Ă toute la bande de frĂ©quences, les diffĂ©rentes gammes de frĂ©quences ne peuvent pas ĂȘtre Ă©mises simultanĂ©ment dans des directions diffĂ©rentes. Dans la formation de faisceaux analo-gique, la phase est appliquĂ©e linĂ©airement Ă tous les Ă©lĂ©ments dâune antenne, ce qui signifie que le nombre maximal de caractĂ©ristiques spatiales ou de faisceaux diffĂ©rents pouvant ĂȘtre gĂ©nĂ©rĂ© est Ă©gal au nombre dâunitĂ©s activables sĂ©parĂ©ment dans lâantenne (sub arrays).
Si le signal est rĂ©parti entre les diffĂ©rents Ă©lĂ©ments dâantenne dans la partie numĂ©rique du traitement du signal et donc avant la conversion du numĂ©rique en analogique, on parle de formation de faisceau numĂ©rique. Avec la formation de faisceau numĂ©rique, il est thĂ©oriquement possible de gĂ©nĂ©rer simulta-nĂ©ment un nombre quelconque de faisceaux dans nâimporte quelle orientation, puisque chaque Ă©lĂ©ment dâantenne peut se voir attribuer ses propres caractĂ©ristiques dâamplitude et de phase. De plus, le dia-gramme dâantenne ainsi formĂ© ne doit pas nĂ©cessairement prĂ©senter une direction claire du faisceau principal. Par exemple, si la liaison avec la station de base nâest pas en visibilitĂ© directe, un canal peut ĂȘtre « taillĂ© sur mesure » Ă un terminal en utilisant diffĂ©rentes voies de propagation.
Les antennes adaptatives utilisĂ©es aujourdâhui emploient souvent une combinaison de formations de faisceau analogique et numĂ©rique, appelĂ©e formation de faisceau hybride. Dans ce cas, plusieurs Ă©lĂ©ments dâantenne sont combinĂ©s en un « bloc fonctionnel », exploitĂ© avec une technologie de forma-tion de faisceau analogique. Il en rĂ©sulte une limitation du nombre de faisceaux pouvant ĂȘtre transmis simultanĂ©ment. Si plusieurs faisceaux sont Ă©mis simultanĂ©ment, la puissance dâĂ©mission dont dispose la station de base est rĂ©partie entre les diffĂ©rents faisceaux (OFCOM 2021).
4.3 Applications de la formation de faisceaux
En plus des diffĂ©rentes maniĂšres de former des faisceaux, il existe Ă©galement diffĂ©rentes façons dâap-pliquer la technologie de formation de faisceaux. En pratique, les variantes suivantes sont mentionnĂ©es, bien que les dĂ©signations ne soient pas toujours cohĂ©rentes entre les sources (OFCOM 2021) :
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â Pour les liaisons radio sans rĂ©flexion, gĂ©nĂ©ralement en transmission Ă vue, la station de base Ă©met un seul faisceau direct avec la meilleure qualitĂ© de connexion vers le terminal (SISO : Single Input, Single Output).
â Dans le cas de connexions radio moins bonnes, lâantenne peut Ă©mettre le mĂȘme flux de donnĂ©es vers lâappareil mobile par des voies diffĂ©rentes, par exemple via les rĂ©flexions sur des structures en-vironnantes telles que les façades des maisons ou des reliefs, et rĂ©duire le rayonnement en direction des autres utilisateurs (SIMO : Single Input, Multiple Output).
â Pour augmenter le dĂ©bit de donnĂ©es, plusieurs flux de donnĂ©es peuvent Ă©galement ĂȘtre Ă©mis simul-tanĂ©ment vers un appareil mobile via diffĂ©rents faisceaux (SU-MIMO : Single User - Multiple Input, Multiple Output).
â En utilisation quotidienne, plusieurs terminaux sont visĂ©s simultanĂ©ment par une antenne de la sta-tion de base via diffĂ©rents faisceaux. Les connexions individuelles sâadaptent Ă la structure de la cel-lule radio et peuvent Ă©tablir Ă la fois des connexions directes et des connexions par rĂ©flexion (MU-MIMO : Multi User - Multiple Input, Multiple Output).
â Si lâantenne de la station de base se compose dâun grand nombre dâĂ©lĂ©ments dâantenne (plus de cent) et peut donc gĂ©nĂ©rer de nombreux faisceaux individuels, alors un terminal peut ĂȘtre activĂ© si-multanĂ©ment via de nombreuses voies de connexion (mMIMO : massive Multiple Input, Multiple Output).
4.4 Conclusions
Quelle que soit la façon dont sont nommĂ©es les applications et les technologies de formation de fais-ceaux, les questions suivantes sont pertinentes en ce qui concerne lâapplication de lâORNI en matiĂšre dâantennes adaptatives :
â Lâinterconnexion de plusieurs Ă©lĂ©ments dâantenne (sub arrays) permet de gĂ©nĂ©rer un effet direction-nel appliquĂ© au rayonnement Ă©mis, se concluant en un faisceau (beam). En termes simplifiĂ©s, on peut dire que plus le nombre dâĂ©lĂ©ments dâantenne est Ă©levĂ©, plus lâeffet directionnel possible est im-portant, câest-Ă -dire plus le faisceau Ă©mis est Ă©troit et plus le gain de lâantenne est Ă©levĂ©.
â Le nombre de faisceaux quâune antenne adaptative peut gĂ©nĂ©rer dĂ©pend du nombre dâunitĂ©s dâan-tennes activables sĂ©parĂ©ment - le nombre de sub arrays.
â Selon la technologie utilisĂ©e, soit un seul faisceau peut ĂȘtre Ă©mis Ă la fois, soit plusieurs faisceaux peuvent ĂȘtre Ă©mis simultanĂ©ment.
â Le diagramme de lâantenne ne doit pas nĂ©cessairement prĂ©senter une direction claire du faisceau principal, mais peut avoir des formes diffĂ©rentes.
â Cependant, tous les faisceaux et formes de propagation possibles restent dans un diagramme dâan-tenne enveloppant (cf. point 5.3).
â Si un seul faisceau est Ă©mis Ă la fois, la puissance dâĂ©mission maximale peut ĂȘtre concentrĂ©e dans ce faisceau. Si plusieurs faisceaux sont Ă©mis simultanĂ©ment, la puissance Ă©mettrice dont dispose la station de base est rĂ©partie entre eux. Câest ce que montrent, entre autres, les mesures effectuĂ©es par lâOFCOM en Ă©tĂ© 2020 (OFCOM 2021).
5 Rayonnement des antennes adaptatives : prévision et mesure
5.1 Données de base
Lâexposition Ă proximitĂ© dâune station de base dĂ©pend essentiellement de la puissance apparente rayon-nĂ©e (effective radiated power, ERP) de lâantenne, du diagramme de rayonnement spatial de lâantenne (diagramme dâantenne), de la distance et de lâorientation par rapport Ă lâantenne et de lâattĂ©nuation par lâenveloppe des bĂątiments (murs, toitures). Si ces facteurs sont connus pour une situation spĂ©cifique, on peut calculer, en termes dâintensitĂ© de champ Ă©lectrique exprimĂ©e en volts par mĂštre (V/m), lâimmission causĂ©e par une antenne de tĂ©lĂ©phonie mobile Ă un endroit prĂ©cis dans lâenvironnement. Tous ces
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paramĂštres et les rĂ©sultats des calculs sont documentĂ©s dans la fiche de donnĂ©es spĂ©cifiques au site que les exploitants doivent soumettre Ă lâautoritĂ© et que celle-ci vĂ©rifie.
Les diagrammes dâantenne dĂ©crivant le rayonnement spatial de lâantenne constituent un paramĂštre cen-tral du calcul de la prĂ©vision dans le cadre des autorisations, tant pour les antennes conventionnelles que pour les antennes adaptatives.
5.2 Diagrammes dâantenne des antennes conventionnelles
MĂȘme les antennes conventionnelles nâĂ©mettent pas uniformĂ©ment dans toutes les directions, mais ras-semblent les signaux radio en un faisceau dirigĂ© dans la direction principale souhaitĂ©e. En dehors du cĂŽne de propagation, le rayonnement ne disparaĂźt pas totalement, mais il est nettement estompĂ©. Tou-tefois, Ă cĂŽtĂ© du faisceau principal apparaissent des « lobes secondaires » dans lesquels le rayonnement est Ă©galement plus Ă©levĂ©. La Figure 4 montre une reprĂ©sentation 3D du rayonnement dâune antenne LTE mesurĂ© Ă lâaide dâun drone.
Figure 4 ReprĂ©sentation 3D du rayonnement dâune antenne LTE Ă©mettant sur une frĂ©quence de 1800 MHz.
Lâantenne est situĂ©e au milieu du diagramme et Ă©met avec une lĂ©gĂšre inclinaison vers le bas (Ă©lĂ©-vation) dans la direction portant la marque « 90° » (azimut). En plus du faisceau principal (rou-geĂątre), des lobes latĂ©raux sont Ă©galement visibles (source : STRAPAG 2018).
Si lâon observe la figure tridimensionnelle par le cĂŽtĂ© et que lâon procĂšde Ă une coupe verticale, on obtient le diagramme dâantenne vertical Ă deux dimensions (cf. Figure 5, Ă gauche). Dans lâexemple en question, on peut constater que lâantenne nâĂ©met pas horizontalement (0°), mais lĂ©gĂšrement vers le bas.
Si lâon observe lâantenne depuis le haut et que lâon procĂšde Ă une coupe horizontale Ă travers le dia-gramme dâantenne en 3D, on obtient le diagramme dâantenne horizontal Ă deux dimensions (cf. Figure 5, Ă droite). Il indique la direction (azimut en degrĂ©s) dans laquelle lâantenne Ă©met.
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Figure 5 Diagrammes dâantenne vertical (Ă gauche) et horizontal (Ă droite) dâune antenne LTE Ă©mettant
dans la gamme des 1800 MHz. Le diagramme original mesurĂ© en laboratoire est en vert, celui me-surĂ© sur le terrain Ă lâaide dâun drone est en bleu (en termes dâintensitĂ© du champ Ă©lectrique) (source : STRAPAG 2018).
Les diagrammes dâantenne horizontaux et verticaux sont fournis par le fabricant dâantennes et sont joints Ă la fiche de donnĂ©es spĂ©cifique au site que les opĂ©rateurs doivent soumettre dans le cadre de la pro-cĂ©dure dâautorisation. Elle fournit des informations essentielles au calcul de lâintensitĂ© du champ Ă©lec-trique crĂ©Ă© dans les LUS Ă proximitĂ© de lâinstallation.
Les diagrammes dâantenne sont mesurĂ©s par le fabricant en laboratoire. En 2018, dans le cadre dâune Ă©tude pilote, lâOFEV a fait mesurer, Ă lâaide dâun drone, lâorientation du rayonnement de lâantenne dâune installation de tĂ©lĂ©phonie mobile existante dans un environnement rĂ©el. Il ressort des rĂ©sultats que les diagrammes dâantenne mesurĂ©s sont en bonne concordance avec les diagrammes originaux (cf. STRA-PAG 2018).
5.3 Diagrammes dâantenne enveloppants des antennes adaptatives
Lâannexe 1, ch. 63, de lâORNI dĂ©finit le mode dâexploitation dĂ©terminant pour une installation de tĂ©lĂ©pho-nie mobile, dans lequella valeur limite de lâinstallation doit ĂȘtre respectĂ©e sur les lieux Ă utilisation sen-sible. En principe, il sâagit du mode dâexploitation dans lequel un maximum de conversations et de don-nĂ©es est transfĂ©rĂ©, lâĂ©metteur Ă©tant au maximum de sa puissance.
Dans le cas des antennes conventionnelles, lâorientation du rayonnement (reprĂ©sentĂ©e par un dia-gramme dâantenne) est toujours la mĂȘme. En revanche, dans le cas des antennes adaptatives, elle peut prendre des caractĂ©ristiques spatiales diffĂ©rentes lorsquâun maximum de conversations et de donnĂ©es est transfĂ©rĂ©, lâĂ©metteur Ă©tant au maximum de sa puissance. Par exemple, un seul faisceau peut ĂȘtre formĂ©. Ce faisceau peut ĂȘtre Ă©mis dans diffĂ©rentes directions (cf. Figure 6), ce qui permet aux antennes adaptatives dâobtenir une couverture horizontale Ă©levĂ©e et dâalimenter, si nĂ©cessaire, les zones prĂ©cĂ©-demment mal couvertes en bordure des cellules cibles avec une intensitĂ© de champ plus Ă©levĂ©e. Plu-sieurs faisceaux peuvent Ă©galement ĂȘtre Ă©mis simultanĂ©ment, et leur direction dâĂ©mission principale peut aussi varier.
0°
30°
60°
90°
120°
150°
180°
210°
240°
270°
300°
330°
-30.0 -24.0 -18.0 -12.0 -6.0 0.0
Measured Pattern [dB]
Original Pattern [dB]
0°
30°
60°
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120°
150°
180°
210°
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270°
300°
330°
-30.0
-24.0
-18.0
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0.0
Measured Pattern [dB]
Original Pattern [dB]
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Figure 6 Exemples de diagramme dâantenne horizontal dâune antenne adaptative dans le mode dâexploita-
tion dĂ©terminant. Sur lâimage de gauche, lâazimut de la direction dâĂ©mission principale est de 0° et sur celle de droite de 340°.
Le diagramme dâantenne dans le mode dâexploitation dĂ©terminant nâest donc pas toujours le mĂȘme pour les antennes adaptatives, câest pourquoi les prĂ©visions calculĂ©es pour les antennes adaptatives sont basĂ©es sur un diagramme dâantenne enveloppant. Celui-ci comprend tous les diagrammes dâantenne pouvant exister dans le mode dâexploitation dĂ©terminant (cf. Figure 7). Les diagrammes dâantenne en-veloppants prennent en compte le fait que les faisceaux Ă©mis dans des directions sâĂ©cartant fortement de la direction principale sont moins concentrĂ©s et prĂ©sentent un gain dâantenne plus faible.
Figure 7 Exemple de diagramme dâantenne enveloppant horizontal dâune antenne Ericsson (AIR6488) Ă©met-
tant dans la gamme des 3,6 GHz. Le diagramme dâantenne enveloppant comprend tous les dia-grammes dâantenne pouvant thĂ©oriquement exister dans le mode dâexploitation dĂ©terminant. Ce-pendant, ces diagrammes dâantenne individuels ne peuvent pas ĂȘtre Ă©mis tous en mĂȘme temps.
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Dans lâexemple de la Figure 7, les caractĂ©ristiques des diffĂ©rents faisceaux sont clairement visibles dans le diagramme dâantenne enveloppant. Ceci est la consĂ©quence du fait que cette antenne utilise des diagrammes dâantenne prĂ©dĂ©finis. Cependant, il existe Ă©galement des antennes adaptatives qui calcu-lent et ajustent en permanence le diagramme dâantenne afin dâoffrir la meilleure couverture possible aux appareils mobiles actifs dans la cellule. Outre la position des terminaux et leurs exigences de qualitĂ© pour la communication radio, les rĂ©flexions et les obstacles existants ainsi que dâautres conditions limites telles que la topographie sont Ă©galement pris en compte. Ainsi, les formes de faisceau et les diagrammes dâantenne appliquĂ©s concrĂštement prennent des contours variĂ©s, mais restent toujours inscrits dans le diagramme dâantenne enveloppant. Un exemple de ce type est reprĂ©sentĂ© par la Figure 8.
Figure 8 Exemple de diagramme dâantenne enveloppant horizontal dâune antenne Huawei (AAU5313) Ă©met-
tant dans la gamme des 3,6 Ă 3,8 GHz, oĂč les diffĂ©rents diagrammes dâantenne peuvent prendre des formes variĂ©es, ce qui explique que des faisceaux distincts ne sont plus visibles dans lâenve-loppe. Cependant, les diffĂ©rents diagrammes dâantenne individuels restent toujours Ă lâintĂ©rieur de lâenveloppe.
5.4 Prise en compte des diagrammes dâantenne enveloppants dans la prĂ©vision du rayonne-ment des antennes adaptatives selon la recommandation dâexĂ©cution de lâORNI
Comme mentionnĂ© ci-dessus, le calcul des prĂ©visions concernant les antennes adaptatives est basĂ© sur le diagramme dâantenne enveloppant â aussi bien pour le diagramme dâantenne vertical quâhorizontal (cf. Figure 9).
Cependant, comme les diffĂ©rents diagrammes dâantenne sur lesquels est basĂ© le diagramme envelop-pant ne peuvent pas exister simultanĂ©ment, les calculs basĂ©s sur les diagrammes dâantenne envelop-pants surestiment considĂ©rablement le rayonnement se produisant dans la rĂ©alitĂ©. Selon ce scĂ©nario du pire (worst case) appliquĂ© jusquâĂ prĂ©sent, les antennes adaptatives sont par consĂ©quent Ă©valuĂ©es plus sĂ©vĂšrement que les antennes conventionnelles.
Afin de garantir que les antennes adaptatives ne soient pas dĂ©savantagĂ©es par rapport aux antennes conventionnelles, le Conseil fĂ©dĂ©ral a Ă©tabli, dans la rĂ©vision de lâORNI de 2019, que la variabilitĂ©
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des directions dâĂ©mission et des diagrammes dâantenne des antennes adaptatives doit ĂȘtre prise en considĂ©ration dans le mode dâexploitation dĂ©terminant (annexe 1, ch. 63, ORNI). Ceci est rĂ©alisĂ© con-formĂ©ment au complĂ©ment Ă lâaide Ă lâexĂ©cution du 23.2.2021 de lâORNI pour les stations Ă©mettrices pour la tĂ©lĂ©phonie mobile en ce qui concerne les antennes adaptatives en appliquant un facteur de correction Ă la puissance dâĂ©mission maximale. Ce facteur est graduĂ© - en fonction du nombre de sub arrays (cf. point 7). Il est dĂ©rivĂ© des Ă©tudes et des mesures prĂ©sentĂ©es au point 6.
Figure 9 Exemples de diagrammes dâantenne enveloppants verticaux (en bleu) et horizontaux (en rouge)
utilisĂ©s dans le calcul des prĂ©visions dans le cadre de la procĂ©dure dâoctroi dâautorisation. Lâexemple dâune antenne Ericsson (AIR6488) est prĂ©sentĂ© Ă gauche et celui dâune antenne Huawei (AAU5313) Ă droite. Les diagrammes dâantenne enveloppants comprennent tous les diagrammes dâantenne individuels thĂ©oriquement possibles. Toutefois, ces derniers ne peuvent pas exister en mĂȘme temps. Les diagrammes dâantenne enveloppants tiennent compte du fait que les faisceaux Ă©mis dans des directions sâĂ©cartant fortement de la direction principale de propagation sont moins concentrĂ©s et prĂ©sentent un gain dâantenne plus faible.
5.5 Mesures de rĂ©ception : utilisation des diagrammes dâantenne des antennes adaptatives
Sâil ressort des prĂ©visions calculĂ©es que la VLInst est Ă©puisĂ©e Ă plus de 80 %, les autoritĂ©s ordonnent gĂ©nĂ©ralement une mesure de rĂ©ception aprĂšs la mise en service de lâinstallation. Comme dĂ©jĂ men-tionnĂ©, les installations de tĂ©lĂ©phonie mobile doivent respecter la VLInst de lâORNI lorsquâun maximum de conversations et de donnĂ©es est transfĂ©rĂ©, lâĂ©metteur Ă©tant au maximum de sa puissance. Ce mode dâexploitation dit dĂ©terminant se produit rarement dans la rĂ©alitĂ©. Il nâest pas non plus possible de lâĂ©tablir prĂ©cisĂ©ment pendant la durĂ©e de la mesure. Par consĂ©quent, une mesure de rĂ©ception est gĂ©nĂ©ralement effectuĂ©e pendant lâexploitation effective de lâinstallation. Leurs Ă©missions Ă©tant pĂ©riodiques et leur puis-sance constante, les canaux de signalisation sont les mieux adaptĂ©s Ă cette mesure. Le rĂ©sultat de la mesure est ensuite extrapolĂ© au mode dâexploitation dĂ©terminant (appelĂ© valeur dâĂ©valuation) afin dâĂ©va-luer si la VLInst est respectĂ©e.
En principe, cette mĂ©thode est Ă©galement applicable aux antennes adaptatives. Toutefois, contrairement Ă la 4G, oĂč les canaux de signalisation et de trafic sont Ă©mis avec le mĂȘme diagramme dâantenne, la 5G permet de les transmettre avec des diagrammes diffĂ©rents. Les diagrammes dâantenne des canaux de trafic sont dĂ©crits dans la section 5.3 prĂ©cĂ©dente. De leur cĂŽtĂ©, les canaux de signalisation 5G peuvent ĂȘtre Ă©mis par un Ă huit faisceaux, soit par un Ă huit diagrammes dâantenne (cf. Figure 10). Si plusieurs faisceaux sont Ă©mis, ils ne le sont pas simultanĂ©ment, mais successivement.
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Figure 10 Deux exemples de diagrammes dâantenne des canaux de signalisation dâantennes adaptatives 5G.
Lâantenne Ericsson (AIR6488) sur la gauche utilise un seul diagramme de rayonnement pour la si-gnalisation, tandis que lâantenne Huawei (AAU5313) sur la droite utilise sept faisceaux. Le dia-gramme dâantenne enveloppant illustrĂ© comprend les sept faisceaux. Cependant, les diffĂ©rents fais-ceaux ne sont pas Ă©mis simultanĂ©ment, mais de maniĂšre sĂ©quentielle.
Les diagrammes dâantenne des canaux de signalisation Ă©tant diffĂ©rents de ceux des canaux de trafic (cf. Figure 11), le facteur dâextrapolation des antennes adaptatives nâest, contrairement Ă la 4G, plus cons-tant pour toutes les directions dâĂ©mission. Dans le rapport technique « MĂ©thodes de mesure des stations de base 5G NR jusquâĂ 6 GHz » du 18 fĂ©vrier 2020 et dans le complĂ©ment du 15 juin 2020, METAS a dĂ©crit comment la valeur dâĂ©valuation peut ĂȘtre obtenue par extrapolation dans le cas de diagrammes dâantenne qui diffĂšrent. Des informations Ă ce sujet figurent Ă©galement dans les « Explications concer-nant la mĂ©thode de mesure pour les antennes adaptatives » de lâOFEV du 30 juin 2020.
Figure 11 Diagrammes dâantenne enveloppants pour les canaux de trafic (en rouge) et les canaux de signali-
sation (en bleu) dâune antenne adaptative Ericsson (AIR6488) Ă gauche et dâune antenne adapta-tive Huawei (AAU5313) Ă droite. Les tracĂ©s des canaux de trafic et de signalisation sont tous deux normalisĂ©s Ă 0 dB, si bien que les gains dâantenne plus Ă©levĂ©s des canaux de trafic ne sont pas indiquĂ©s.
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6 Exposition aux antennes adaptatives
Ătant donnĂ© que les antennes adaptatives ont tendance Ă concentrer le signal dans la direction de lâuti-lisateur ou du tĂ©lĂ©phone portable et Ă le rĂ©duire dans dâautres directions, la distribution de lâintensitĂ© du champ Ă©lectrique dans lâespace diffĂšre de celle des antennes classiques. Cependant, comme les an-tennes adaptatives ne sont pas utilisĂ©es depuis longtemps, il nâexiste que quelques publications sur la maniĂšre dont se prĂ©sentent les distributions concrĂštes. Ces informations sont essentielles pour pouvoir intĂ©grer correctement la variabilitĂ© des directions dâĂ©mission et des diagrammes dâantenne dans lâĂ©va-luation selon lâORNI.
Les Ă©tudes portent sur des antennes rĂ©seau de diffĂ©rentes tailles, donc des antennes rĂ©seau avec un nombre diffĂ©rent dâĂ©lĂ©ments dâantenne, toujours disposĂ©s en carrĂ© (par exemple, rĂ©seau 4Ă4, 8Ă8, etc.). Les conclusions statistiques des Ă©tudes sont obtenues lorsque ces Ă©lĂ©ments dâantenne peuvent ĂȘtre activĂ©s sĂ©parĂ©ment. Leur nombre correspond donc au nombre de sub arrays tel que dĂ©fini au point 4.1.
Certaines conclusions dâĂ©tudes existantes sont rĂ©sumĂ©es ci-aprĂšs.
6.1 Ătudes de simulation et considĂ©rations thĂ©oriques
Les premiĂšres Ă©tudes de simulation ont Ă©tĂ© rĂ©alisĂ©es par des fabricants dâantennes en 2017 (Thors et al.) et 2018 (Baracca et al.). LâĂ©tude de Thors et al.1 a dĂ©terminĂ© les puissances dâĂ©missions maximales se produisant rĂ©ellement dans diffĂ©rents scĂ©narios de desserte par une antenne rĂ©seau 8Ă8. Sur la base des normes de la Commission Ă©lectrotechnique internationale (CEI)2 et de lâUnion internationale des tĂ©lĂ©communications (UIT)3, le 95e centile de toutes les puissances dâĂ©mission possibles a Ă©tĂ© considĂ©rĂ© comme la puissance maximale rĂ©aliste. En dâautres termes, la puissance maximale rĂ©aliste est le niveau de puissance qui nâest pas dĂ©passĂ© dans 95 % des cas examinĂ©s. LâĂ©tude a considĂ©rĂ© la puissance Ă©mettrice moyenne sur six minutes en ce qui concerne la couverture dâune zone urbaine et dâune zone rurale ; dans chaque zone deux cas ont Ă©tĂ© pris en considĂ©ration : lâun avec une rĂ©partition Ă©gale des utilisateurs et lâautre avec une densitĂ© dâutilisation accrue dans le centre. Des paramĂštres tels que la durĂ©e dâutilisation, les diffĂ©rentes charges du rĂ©seau et lâexploitation en TDD ont Ă©galement Ă©tĂ© inclus dans les simulations. La formation de faisceaux a Ă©tĂ© basĂ©e sur des hypothĂšses simplifiĂ©es. Les rĂ©sultats ont montrĂ© que, selon le scĂ©nario, les puissances maximales rĂ©alistes se situaient entre 7 % (0,07 ou -11,5 dB) et 22 % (0,22 ou -6,5 dB) de la puissance maximale thĂ©oriquement possible. La valeur la plus Ă©levĂ©e de 22 % a Ă©tĂ© enregistrĂ©e pour une zone urbaine et une charge du rĂ©seau dâenviron 95 %.
LâĂ©tude de Baracca et al.4 Ă©tait basĂ©e sur un arrangement de sept stations de base, chacune alimentant trois cellules radio au moyen dâantennes rĂ©seau 8Ă8. LâĂ©tude a simulĂ© un rĂ©seau urbain avec de grandes cellules radio (urban macro UMa) et un autre avec de petites cellules radio (urban micro UMi) en consi-dĂ©rant les antennes Ă diffĂ©rentes hauteurs et Ă diverses distances les unes des autres. On a supposĂ© que 80 % des utilisateurs se trouvaient Ă lâintĂ©rieur et 20 % Ă lâextĂ©rieur des bĂątiments. Les distances de sĂ©curitĂ© nĂ©cessaires (en exploitation FDD) ont Ă©tĂ© calculĂ©es pour diffĂ©rentes configurations dâutilisation (un Ă cinq utilisateurs actifs simultanĂ©ment, durĂ©e de connexion de 1 Ă 60 secondes) afin de pouvoir respecter les valeurs limites de la Commission internationale de protection contre les rayonnements non ionisants (ICNIRP), considĂ©rĂ©es en tant que moyenne sur six minutes. Ă partir de ces calculs, il a Ă©tĂ© possible de dĂ©duire les puissances Ă©mettrices installĂ©es et de les comparer Ă une puissance Ă©mettrice maximale possible. La puissance maximale prise en compte a Ă©tĂ© la puissance Ă©mettrice se produisant lorsquâun seul utilisateur par cellule est connectĂ© pendant six minutes (câest-Ă -dire quâil nây a quâun seul faisceau qui - avec un gain dâantenne maximal - irradie la personne pendant six minutes). En effet, mĂȘme dans cette situation, les valeurs limites de lâICNIRP doivent ĂȘtre respectĂ©es. Les calculs ont montrĂ© quâun nombre plus Ă©levĂ© dâutilisateurs par cellule et/ou une durĂ©e de connexion plus courte entraĂźne une puis-
1 Thors et al, Time-Averaged Realistic Maximum Power Levels for the Assessment of Radio Frequency Exposure for 5G Radio Base Stations
Using Massive MIMO, IEEE Access (Vol. 5), 19711-19719, 2017 2 IEC 62232:2017 : Determination of RF field strength, power density and SAR in the vicinity of radiocommunication base stations for the pur-
pose of evaluating human exposure, 516p., 2017 3 UIT-T K.100 : Measurement of radio frequency electromagnetic fields to determine compliance with human exposure limits when a base
station is put into service, International Telecommunication Union ITU, 2019 4 Baracca et al, A Statistical Approach for RF Exposure Compliance Boundary Assessment in Massive MIMO Systems, International Work-
shop on Smart Antennas (WSA), Bochum (Germany), 2018
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sance rayonnĂ©e plus faible par utilisateur. Dans 95 % des cas, 22 % (scĂ©nario UMi) et 26 % (scĂ©nario UMa) de la puissance maximale nâont pas Ă©tĂ© dĂ©passĂ©s. En termes de puissance maximale, les rĂ©duc-tions ont donc Ă©tĂ© de 0,22 ou de -6,6 dB, et de 0,26 ou de -5,9 dB. Dans 99 % des cas, 27 % (0,27 ou de -5,7 dB, scĂ©nario UMi) et 32 % (0,32 ou de -5 dB, scĂ©nario UMa) de la puissance maximale nâont pas Ă©tĂ© dĂ©passĂ©s.
En 2020, une Ă©tude (Tingyong & Skrivervik5) commandĂ©e par un opĂ©rateur de tĂ©lĂ©phonie mobile suisse Ă lâĂcole polytechnique fĂ©dĂ©rale de Lausanne (EPFL) a pu confirmer les rĂ©sultats de Thors et al. et ceux de Baracca et al. Au moyen dâune simulation dite de Monte-Carlo, les mĂ©thodes de calcul ont Ă©tĂ© affinĂ©es et un scĂ©nario dâutilisation plus rĂ©aliste a Ă©tĂ© modĂ©lisĂ© en vue dâune Ă©valuation plus prĂ©cise de lâexposition. Des paramĂštres tels que les scĂ©narios dâutilisation, la rĂ©partition des utilisateurs, le temps dâutilisation, le nombre dâutilisateurs actifs simultanĂ©ment, la base temporelle de calcul de la moyenne, le mode dâexploitation FDD/TDD et la forme du diagramme dâantenne dâune antenne rĂ©seau 8Ă8 ont Ă©tĂ© pris en compte dans les calculs. Sur la base dâune rĂ©partition Ă©gale des utilisateurs, dâun temps dâutili-sation dâune seconde et dâune exploitation en FDD, Tingyong & Skrivervik ont calculĂ© une puissance maximale rĂ©aliste de 14 % (95e percentile par rapport Ă la puissance maximale thĂ©oriquement possible), tandis que Thors et al. avaient dĂ©terminĂ© 13 % et Baracca et al. 14 % Ă 16 %. Pour tous les scĂ©narios, lâĂ©tude de lâEPFL a dĂ©terminĂ© des facteurs de rĂ©duction entre 0,01 (-20 dB) et 0,3 (-5,2 dB).
En 2019, Matalatala et al.6 ont Ă©tudiĂ©, en se basant sur un rĂ©seau LTE existant Ă Gand (Belgique), la maniĂšre dont les rĂ©seaux 5G dotĂ©s dâantennes adaptatives (« MIMO massif ») pouvaient ĂȘtre optimisĂ©s en termes dâemplacement et de configuration afin de minimiser simultanĂ©ment la consommation dâĂ©ner-gie ainsi que lâexposition de lâutilisateur Ă la station de base et Ă son propre appareil portable. Ă cette fin, la zone dâĂ©tude a Ă©tĂ© conçue avec un rĂ©seau dit multicellulaire. Chaque cellule contenait une antenne de station de base dotĂ©e de plusieurs Ă©lĂ©ments dâantenne, le nombre dâĂ©lĂ©ments variant selon le scĂ©-nario. Des scĂ©narios de communication rĂ©alistes ont Ă©tĂ© simulĂ©s pour lâexploitation du rĂ©seau. LâĂ©tude a montrĂ© que lorsque le nombre dâĂ©lĂ©ments dâantenne utilisĂ©s par station de base passe de 16 Ă 256, le nombre de stations de base nĂ©cessaires pour un rĂ©seau dotĂ© dâantennes adaptatives diminue. Cela entraĂźne Ă son tour une diminution de 12 % de lâintensitĂ© du champ Ă©lectrique causĂ©e par les stations de base et une augmentation de 70 % de lâexposition due au tĂ©lĂ©phone portable de lâutilisateur, ces deux expositions augmentant avec le nombre dâutilisateurs simultanĂ©s. Pour la zone considĂ©rĂ©e, le rĂ©seau optimal en ce qui concerne la consommation dâĂ©nergie et lâexposition Ă©tait composĂ© de 37 stations de base dotĂ©es chacune de 64 Ă©lĂ©ments dâantenne. En outre, il a Ă©tĂ© dĂ©montrĂ© que lâexposition aux stations de base Ă©tait cinq fois plus faible (-14 dB) avec des antennes adaptatives (tous Ă©lĂ©ments dâantenne confondus, 95e percentile) quâavec le scĂ©nario de rĂ©fĂ©rence en 4G.
En 2020, Shikhantsov et. al7, du mĂȘme groupe de recherche de lâuniversitĂ© de Gand (Belgique), ont rĂ©alisĂ© une Ă©tude qui a estimĂ© les puissances dâĂ©mission maximales rĂ©alistes des antennes MIMO mas-sif 5G dans un environnement urbain sur la base du ray tracing. La mĂ©thode ray tracing a Ă©tĂ© utilisĂ©e pour simuler la propagation du rayonnement dans un modĂšle de macrocellule urbaine en extĂ©rieur. Pour diffĂ©rents scĂ©narios avec des antennes adaptatives composĂ©es de 64 Ă©lĂ©ments dâantenne, lâĂ©tude a calculĂ© des valeurs (95e percentile) dâenviron -10 dB (0,1) Ă -3 dB (0,5) par rapport au maximum thĂ©o-rique, et pour un scĂ©nario rĂ©aliste avec une durĂ©e dâutilisation de 10 secondes, des rĂ©ductions de -7 dB (0,2) Ă -6 dB (0,25).
En plus des Ă©tudes de simulation, des considĂ©rations thĂ©oriques ont Ă©galement Ă©tĂ© Ă©mises au sujet des puissances Ă©mettrices pouvant ĂȘtre gĂ©nĂ©rĂ©es par des antennes adaptatives. LâAgence Nationale des FrĂ©quences ANFR8 (France) a dĂ©duit, sur la base dâhypothĂšses sur le volume et le dĂ©bit de donnĂ©es transmises, le nombre de personnes desservies par site dâantenne et le nombre de faisceaux, quâune antenne adaptative Ă©met pendant six minutes environ quinze secondes. Cela correspond Ă 4 % du
5 Tingyong & Skrivervik (2020): EMF Exposure Assessment Based on Monte Carlo Method, EPFL (Ăcole Polytechnique FĂ©dĂ©rale de Lau-
sanne), 45p. 6 Matalatala et al, Multi-Objective Optimization of Massive MIMO 5G Wireless Networks towards Power Consumption, Uplink and Downlink
Exposure, Appl. Sci. 2019, 9, 4974 7 Shikhantsov et al (2020) : Ray-Tracing-based numerical assessment of the spatiotemporal duty cycle of 5G Massive MIMO in an outdoor
urban environment, Appl. Sci. 2020, 10, 7631 ; doi:10.3390/app10217631 8 ANFR (2020) : Ăvaluation de lâexposition du public aux ondes Ă©lectromagnĂ©tiques 5G - Volet 2 : premiers rĂ©sultats de mesures sur les pi-
lotes 5G dans la bande 3400-3800 MHz, Agence Nationale des Fréquences ANFR, 34p., 2020.
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temps, câest pourquoi lâANFR applique un facteur de rĂ©duction de 0,04 ou -13,5 dB Ă la puissance dâĂ©mis-sion pour les calculs dâexposition. Une telle moyenne, uniquement temporelle, nâest pas compatible avec le mode dâexploitation dĂ©terminant de lâORNI. En principe, il est basĂ© sur un transfert maximal de con-versations et de donnĂ©es, lâĂ©metteur Ă©tant au maximum de sa puissance et, dans le cas des antennes adaptatives, leur variabilitĂ© spatiale doit Ă©galement ĂȘtre prise en compte (annexe 1, ch. 63, ORNI).
Dans un rapport technique (IEC TR 62669:20199) basĂ© sur lâĂ©tude de Thors et al., sur celle de Baracca et al. et sur les Ă©valuations des puissances dâĂ©mission dâantennes adaptatives existantes utilisĂ©es pour la LTE, la CEI propose un facteur de rĂ©duction de 0,25 ou -6 dB liĂ© Ă la puissance dâĂ©mission maximale possible lorsque les calculs dâexposition aux antennes adaptatives sont effectuĂ©s en lien avec les valeurs limites de lâICNIRP.
6.2 Etudes de mesures
Werner et al.10 (2019) ont effectuĂ© des mesures dans le cadre dâune Ă©tude portant sur une station de base LTE Ă©quipĂ©e dâantennes adaptatives dans une zone urbaine. Lâantenne Ă©tait une antenne rĂ©seau 8Ă8 exploitĂ©e en mode TDD avec une puissance dâentrĂ©e de 120 W. Les rĂ©sultats des mesures ont Ă©tĂ© mis Ă lâĂ©chelle pour correspondre Ă lâexposition due Ă une utilisation Ă 100 % de la station de base et comparĂ©s aux valeurs limites de lâICNIRP. Les valeurs mesurĂ©es extrapolĂ©es Ă lâutilisation maximale Ă©taient comprises entre 7,3 % et 16,1 % des valeurs limites de lâICNIRP, tandis que la prĂ©vision calculĂ©e dans le scĂ©nario du pire (puissance dâĂ©mission maximale simultanĂ©e dans toutes les directions) a donnĂ© une exposition correspondant Ă 79,3 % de la valeur limite de lâICNIRP, ce qui Ă©quivaut Ă un facteur de rĂ©duction de 0,20 (-6,9 dB) Ă 0,09 (-10,4 dB).
Une premiĂšre Ă©tude sur les stations de base dans un rĂ©seau 5G commercial a Ă©tĂ© menĂ©e par Colombi et al11 en 2020. En Australie, lâopĂ©rateur du rĂ©seau a Ă©tĂ© parmi les premiers Ă dĂ©ployer la 5G et en janvier 2020 plus de 100 000 appareils mobiles compatibles 5G Ă©taient connectĂ©s Ă son rĂ©seau. LâĂ©tude a recueilli pendant 24 heures les donnĂ©es opĂ©rationnelles de 25 stations de base Ă©quipĂ©es dâantennes MIMO massif - en particulier, les puissances Ă©mettrices et les donnĂ©es de rĂ©fĂ©rence ayant permis de dĂ©terminer le diagramme dâantenne pour chaque connexion. La distribution spatiale de lâERP moyenne a Ă©tĂ© calculĂ©e sur la base de ces donnĂ©es, pour chaque station de base, et comparĂ©e Ă lâERP maximale thĂ©orique de lâantenne. Au cours des 24 heures considĂ©rĂ©es, lâERP maximale de toutes les stations de base Ă©tait infĂ©rieure de 8,8 dB au maximum thĂ©orique. En utilisant les valeurs enregistrĂ©es de lâERP des 25 stations de base pour cette comparaison, la rĂ©duction de la valeur maximale thĂ©orique de lâERP sur toute la durĂ©e de lâexpĂ©rience Ă©tait respectivement de -20,2 dB (95e percentile) et -18 dB (99e percentile). Cette Ă©tude a Ă©galement examinĂ© lâinfluence du nombre dâutilisateurs simultanĂ©ment actifs sur lâexposi-tion. Les valeurs ERP moyennes sur six minutes pour chaque station de base ont Ă©tĂ© triĂ©es en fonction du nombre dâutilisateurs actifs. Il ressort des rĂ©sultats que la valeur ERP la plus Ă©levĂ©e enregistrĂ©e dans chaque station de base diminue avec un nombre croissant dâutilisateurs. La rĂ©duction par rapport Ă la valeur ERP maximale thĂ©orique correspond Ă -8,8 dB pour 15 utilisateurs actifs et Ă -22 dB pour 190 utilisateurs actifs.
6.3 Mesures et simulations rĂ©alisĂ©es par lâOFCOM
Au cours de lâĂ©tĂ© 2020, lâOFCOM a effectuĂ© des mesures dâessai sur deux antennes adaptatives autori-sĂ©es de deux opĂ©rateurs diffĂ©rents. Les deux antennes rĂ©seau 8Ă8 Ă©mettaient dans la bande des 3,5 GHz. LâOFCOM a mis en place un dispositif de test avec, dans chaque cas, deux tĂ©lĂ©phones mobiles et a mesurĂ© lâexposition dans diffĂ©rentes conditions (« signalisation uniquement », « les deux tĂ©lĂ©phones mobiles au mĂȘme endroit : exposition dans le faisceau de donnĂ©es et exposition Ă cĂŽtĂ© du faisceau de donnĂ©es » et « les tĂ©lĂ©phones mobiles Ă deux endroits diffĂ©rents : exposition Ă chaque fois dans un des deux faisceaux de donnĂ©es »). En outre, le fonctionnement de la limitation automatique de la puissance (cf. point 7) a Ă©tĂ© testĂ© sur les antennes. AprĂšs les mesures, lâOFCOM a reproduit la situation de
9 IEC TR 62669:2019: Case studies supporting IEC 62232 - Determination of RF field strength, power density and SAR in the vicinity of radio-
communication base stations for the purpose of evaluating human exposure, 124p., 2019 10 Werner at al. (2019): A Comparison between Measured and Computed Assessments of the RF Exposure Compliance Boundary of an In-
Situ Radio Base Station Massive MIMO Antenna. IEEE Access, Volume 7, 170682-170689, 2019 11 Colombi et al. (2020): Analysis of the Actual Power and EMF Exposure from Base Stations in a Commercial 5G Network. Appl. Sci. 2020,
10, 5280
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mesure Ă lâaide dâun logiciel de calcul, a calculĂ© les expositions pour les diffĂ©rentes conditions dâexploi-tation testĂ©es et les a comparĂ©es aux rĂ©sultats des mesures. Dans une deuxiĂšme Ă©tape, lâexposition Ă une antenne adaptative (avec jusquâĂ 13 faisceaux) a Ă©tĂ© calculĂ©e dans la zone de mesure pour la comparer ensuite Ă lâexposition Ă une antenne conventionnelle. Ce travail et les rĂ©sultats sont dĂ©crits en dĂ©tail dans le rapport de lâOFCOM intitulĂ© « Test de concession et mesure des antennes adaptatives » (Testkonzession und Messung adaptive Antennen) dont voici un extrait des principaux rĂ©sultats.
Dans lâensemble, les rĂ©sultats ont confirmĂ© les bases thĂ©oriques concernant la technologie radio tech-nologie et la propagation des champs :
â Lâexposition aux antennes adaptatives dĂ©pend essentiellement de la position des terminaux en cours dâutilisation.
â La majeure partie de lâintensitĂ© du champ Ă©lectrique en un point de la cellule est clairement causĂ©e par le faisceau spĂ©cifiquement Ă©mis dans cette direction. Les faisceaux dans les autres directions nâapportent que de trĂšs petites contributions. Lors des mesures dâessai, le signal utile a Ă©tĂ© reçu Ă lâextĂ©rieur dâun faisceau avec une intensitĂ© de champ au moins trois fois (10 dB) plus faible quâĂ lâin-tĂ©rieur du faisceau (en moyenne mĂȘme douze fois plus faible).
â Les mesures ont Ă©galement montrĂ© que la puissance dâĂ©mission totale dâune antenne est rĂ©partie entre les faisceaux actuellement disponibles lorsquâil y a plusieurs faisceaux simultanĂ©s.
â Les mesures ont Ă©galement confirmĂ© que la limitation automatique de la puissance fonctionnait.
â Les simulations (cf. Figure 12) ont montrĂ© que, devant lâantenne, lâintensitĂ© de champ due aux an-tennes adaptatives est plus uniformĂ©ment rĂ©partie que celle due aux antennes classiques.
â Pour la situation Ă©tudiĂ©e, lâintensitĂ© du champ Ă©lectrique dans la direction du faisceau principal Ă©tait plus faible (jusquâĂ un facteur trois) devant lâantenne adaptative que devant lâantenne convention-nelle. Alors quâavec cette derniĂšre, la majeure partie du signal est toujours transmise dans cette di-rection, quel que soit lâendroit de la cellule radio oĂč elle est demandĂ©e, avec les antennes adapta-tives, ce nâest le cas que lorsque les donnĂ©es y sont effectivement requises.
â LâefficacitĂ© de la transmission latĂ©rale est bien meilleure avec les antennes adaptatives, car elles peuvent focaliser le rayonnement plus fortement et lâĂ©mettre de maniĂšre plus ciblĂ©e. La comparaison avec lâantenne conventionnelle indique une intensitĂ© de champ Ă©lectrique plus Ă©levĂ©e, jusquâĂ un facteur six, ce qui signifie que les donnĂ©es sont transmises plus efficacement et en moins de temps.
â LâintensitĂ© du champ due au canal de signalisation est environ trois fois plus faible avec une antenne adaptative quâavec une antenne conventionnelle.
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Point P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13
E (V/m) Antenne con-ventionnelle
0.04 0.13 0.32 0.35 0.44 0.61 0.36 0.51 0.54 0.35 0.10 0.27 0.06
E (V/m) Antenne adaptative
0.20 0.15 0.17 0.21 0.29 0.20 0.28 0.16 0.37 0.12 0.34 0.28 0.36
Ratio conventionnel / adaptatif
0.20 0.87 1.88 1.67 1.52 3.05 1.29 3.19 1.46 2.92 0.29 0.96 0.17
Figure 12 La figure ci-dessus montre lâintensitĂ© du champ Ă©lectrique en volts par mĂštre gĂ©nĂ©rĂ©e par une an-tenne conventionnelle dâune puissance dâĂ©mission de 200 W ERP (figure du haut) et par une an-tenne adaptative Ă 13 faisceaux (figure du bas). Dans le cas de lâantenne adaptative, la puissance dâĂ©mission a Ă©tĂ© rĂ©partie entre les 13 faisceaux ; elle est de 15,4 W ERP par faisceau. Les valeurs de lâintensitĂ© du champ calculĂ©es sont indiquĂ©es pour 13 points dans lâespace de mesure. On peut noter que lâintensitĂ© du champ aux points 3 Ă 10, situĂ©s devant lâantenne, est plus importante avec lâantenne conventionnelle quâavec lâantenne adaptative. Sur le cĂŽtĂ© de lâantenne (points 1, 2, 11 Ă 13), câest tout le contraire, les antennes adaptatives pouvant mieux Ă©mettre latĂ©ralement. Lâexposi-tion moyenne sur la zone est de 0,15 V/m pour lâantenne classique et de 0,074 V/m pour lâantenne Ă 13 faisceaux (source : OFCOM).
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6.4 Conclusions
Les rĂ©sultats des Ă©tudes de simulation et de mesure dĂ©crites sont compilĂ©s dans le Tableau 2. Les puissances dâĂ©mission moyennes des antennes adaptatives (avec diffĂ©rents nombres dâĂ©lĂ©ments dâan-tenne), calculĂ©es sur six minutes, se situent, selon le scĂ©nario, dans une plage comprise entre environ 1 % (0,01 ou -20 dB) et 50 % (0,5 ou -3 dB) de la puissance maximale thĂ©orique. LâĂ©ventail des rĂ©sultats des Ă©tudes est trĂšs large. En ce qui concerne les antennes rĂ©seau 8Ă8, les puissances Ă©mettrices dĂ©-terminĂ©es se situent gĂ©nĂ©ralement entre environ 10 % (0,1 ou -10 dB) et 32 % (0,32 ou -5 dB) de la puissance maximale thĂ©orique.
Les Ă©tudes ont Ă©galement montrĂ© que la diffĂ©rence entre la puissance dâĂ©mission maximale dĂ©terminĂ©e et la puissance dâĂ©mission maximale thĂ©orique dĂ©pend de la taille de lâantenne, câest-Ă -dire du nombre dâunitĂ©s dâantenne activables indĂ©pendamment (rĂ©seaux ou sub arrays). On a calculĂ©, sur la base dâĂ©tudes portant sur diffĂ©rentes tailles dâantennes, un facteur de correction graduĂ© pouvant ĂȘtre appliquĂ© Ă la puissance dâĂ©mission maximale possible des antennes adaptatives (cf. point 7). La relation entre le facteur de correction et les rĂ©sultats de lâĂ©tude est illustrĂ©e par la Figure 13. Tableau 2 Aperçu des Ă©tudes ayant rĂ©alisĂ© des simulations et des mesures, en particulier des puissances
dâĂ©mission attendues, en ce qui concerne lâestimation des expositions aux antennes adaptatives.
Ătude MĂ©thode / Remarques DiffĂ©rence entre puissance maximale rĂ©aliste et thĂ©orique
Autres réductions
95e percentile Maximum ou 99e percentile
Thors et al (2017). ModĂ©lisation statistique, rĂ©-seau 8Ă8 et autres tailles de rĂ©-seau, divers scĂ©narios de cou-verture (rural, urbain).
0,07 Ă 0,22 -11,5 dB Ă -6,5 dB
Baracca et al (2018). Simulation / statistiques, rĂ©-seau 8Ă8, deux scĂ©narios de couverture urbaine.
0,22 Ă 0,26 -6,6 dB Ă -5,9 dB
99e P : 0,27 Ă 0,32
-5,7 dB Ă -5 dB
Tingyong & Skrivervik (EPFL, 2020)
Simulation de Monte-Carlo de di-vers scĂ©narios dâutilisation, rĂ©-partitions des utilisateurs, nombre dâutilisateurs et durĂ©e dâutilisation, rĂ©seau 8Ă8
0,01 Ă 0,3 -20 dB Ă -5,2 dB
Matalatala et al (2019) Simulation : optimisation dâun rĂ©-seau de tĂ©lĂ©phonie mobile dotĂ© dâantennes adaptatives (divers nombres dâĂ©lĂ©ments dâantenne) en ce qui concerne lâexposition et la consommation dâĂ©nergie
Exposition 5G Ă 4G :
-14 dB
Shikhantsov et al (2020).
Simulation de la couverture ma-crocellulaire urbaine, scĂ©narios pour les antennes mMIMO avec diffĂ©rents nombres dâĂ©lĂ©ments dâantenne. ScĂ©nario rĂ©aliste : 64 Ă©lĂ©ments dâantenne
Tous les scénarios : 0,1 à 0,5
-10 dB Ă -3 dB RĂ©aliste :
0,2 Ă 0,25 -7 dB Ă -6 dB
ANFR Lâapproche par la moyenne tem-porelle nâest pas compatible avec le mode dâexploitation dĂ©-terminant de lâORNI.
Durée moyenne sur 6 minutes :
-13,5 dB
IEC TR 62669:2019 Ăvaluation des Ă©tudes Thors et al., Baracca et al. et des me-sures sur les antennes adapta-tives utilisĂ©es pour la LTE
0,25 -6 dB
Werner et al (2019). Mesure de lâexposition rĂ©seau 8Ă8 (mMIMO) 4G / 2,3 GHz / TDD / mise Ă lâĂ©chelle pour une utilisation Ă 100 %
0,09 Ă 0,20 -10,4 dB Ă -6,9 dB
Colombi et al (2020). Mesure / Ă©valuation des don-nĂ©es dâexploitation (y compris la puissance Ă©mettrice) de 25 an-tennes mMIMO 5G utilisĂ©es Ă des fins commerciales
0,1-20 dB 99. p. : 0,016 ou -18 dB
Maximum : 0,03 Ă 0,16
-15 dB Ă -8 dB
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Figure 13 Facteurs de correction issus des Ă©tudes prĂ©citĂ©es considĂ©rant diffĂ©rentes tailles dâantennes, en gris
(Thors et al. [2017], Tingyong & Skrivervik [EPFL, 2020] et Shikhantsov et al. [2020]), et facteurs de correction qui en sont dĂ©rivĂ©s, en fonction de la taille de lâantenne, (nombre de sub arrays), en bleu.
7 Facteur de correction et limitation automatique de la puissance
Le mode dâexploitation dĂ©terminant dans lequel les VLInst, au sens de lâannexe 1, ch. 64, ORNI, doivent ĂȘtre respectĂ©es, est dĂ©terminĂ© comme suit pour les antennes adaptatives, conformĂ©ment au complĂ©-ment Ă lâaide Ă lâexĂ©cution du 23.2.2021 de lâORNI pour les stations Ă©mettrices de tĂ©lĂ©phonie mobile :
â le maximum de conversations et de donnĂ©es transfĂ©rĂ© Ă la puissance dâĂ©mission maximale, expri-mĂ©e en puissance dâĂ©mission maximale possible ERPmax, n, constitue la base du mode dâexploitation dĂ©terminant ;
â pour tenir compte de la variabilitĂ© des directions dâĂ©mission et des diagrammes dâantenne dans le cas des antennes adaptatives, un facteur de correction KAA est appliquĂ© Ă la puissance dâĂ©mission maximale possible ERPmax, n. Ce facteur KAA dĂ©pend de la taille de lâantenne, exprimĂ©e en nombre de sub arrays (cf. Tableau 3).
La puissance dâĂ©mission dĂ©terminante ERPn de lâantenne adaptative n sâexprime donc ainsi : đžđžđžđžđžđžđđ = đžđžđžđžđžđžđđđđđđ,đđ Ă đŸđŸđŽđŽđŽđŽ . Cette ERPn est saisie dans la fiche de donnĂ©es spĂ©cifique au site et utilisĂ©e en combinaison avec les diagrammes dâantenne enveloppants pour calculer lâintensitĂ© du champ Ă©lec-trique dans le but de de contrĂŽler le respect de la VLInst dans les LUS.
Tableau 3 Facteur de correction KAA. Les facteurs de correction spécifiés constituent la correction maximale autorisée pour le nombre correspondant de sub arrays. Plus la correction est importante, plus la valeur numérique du facteur est faible. Les valeurs indiquées dans le tableau correspondent donc à la limite inférieure de la valeur numérique du facteur de correction.
Nombre de sub arrays Facteur de correction KAA Facteur de correction en dB
64 et plus â„ 0.10 â„ -10 dB
32 Ă 63 â„ 0.13 â„ -9 dB
16 Ă 31 â„ 0.20 â„ -7 dB
8 Ă 15 â„ 0.40 â„ -4 dB
1 Ă 7 1 0 dB
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Ătant donnĂ© quâen raison de cette dĂ©finition du mode dâexploitation dĂ©terminant, il peut arriver en exploi-tation rĂ©elle que la puissance Ă©mettrice dĂ©terminante ERPn soit dĂ©passĂ©e durant une courte pĂ©riode (au maximum jusquâĂ la puissance dâĂ©mission ERPmax, n), le facteur de correction ne peut ĂȘtre appliquĂ© que si lâantenne adaptative est dotĂ©e dâune limitation automatique de la puissance.
La limitation automatique de la puissance est une application logicielle implĂ©mentĂ©e sur lâantenne. Elle dĂ©tecte en permanence la puissance totale de lâantenne adaptative Ă©mise dans un secteur radio. Si, sur de courtes pĂ©riodes, des pics de puissance supĂ©rieurs Ă la puissance dâĂ©mission ERPn dĂ©clarĂ©e dans la fiche de donnĂ©es spĂ©cifique au site se produisent, la puissance est rĂ©duite (et donc la capacitĂ© fournie) de telle sorte que la puissance Ă©mettrice moyenne sur une pĂ©riode de six minutes ne dĂ©passe pas la puissance dâĂ©mission dĂ©clarĂ©e. Le systĂšme automatique calcule donc en permanence la « moyenne mobile » de la puissance Ă©mettrice des six derniĂšres minutes. Sâil est prĂ©visible que cette moyenne courante puisse dĂ©passer la puissance autorisĂ©e, la puissance est rĂ©duite de telle sorte que la valeur moyenne reste sĂ»rement en dessous du seuil spĂ©cifiĂ©.
Les pics de puissance de courte durĂ©e peuvent atteindre au maximum une valeur ERPmax, n correspondant Ă la puissance dâĂ©mission autorisĂ©e ERPn multipliĂ©e par la rĂ©ciproque du facteur de correction. Avec un facteur de correction de 0,1, la valeur de pointe de la puissance Ă©mettrice peut ĂȘtre au maximum dix fois supĂ©rieure Ă la valeur dĂ©clarĂ©e. En mĂȘme temps, cela signifie que lâintensitĂ© du champ Ă©lectrique calcu-lĂ©e pour lâantenne adaptative peut ĂȘtre dĂ©passĂ©e Ă court terme au maximum dâun facteur 3,2. Si lâon considĂšre quâune station Ă©mettrice de tĂ©lĂ©phonie mobile dotĂ©e dâantennes adaptatives est, dans la plu-part des cas, Ă©galement Ă©quipĂ©e dâantennes conventionnelles, lâintensitĂ© du champ de lâensemble du systĂšme augmente dâun facteur plus faible Ă court terme. Si, par exemple, un LUS est desservi «âpour moitiĂ©â» par des antennes conventionnelles et « pour moitiĂ© » par des antennes adaptatives dâune ins-tallation ayant la mĂȘme puissance dâĂ©mission dĂ©terminante (hypothĂšse : mĂȘmes distances, mĂȘmes at-tĂ©nuations directionnelles et de bĂątiment), lâintensitĂ© du champ total peut augmenter Ă court terme jusquâĂ une valeur Ă©gale Ă 2,3 fois lâintensitĂ© calculĂ©e : la puissance Ă©mettrice des antennes convention-nelles reste inchangĂ©e tandis que celle des antennes adaptatives peut augmenter dâun facteur 10 Ă court terme, ce qui donne un facteur de 5,5 pour la puissance dâĂ©mission totale. LĂ encore, le fait que plusieurs antennes adaptatives Ă©mettent rarement simultanĂ©ment Ă la puissance maximale nâa pas Ă©tĂ© pris en compte.
La limitation automatique de la puissance doit figurer dans le systĂšme dâassurance qualitĂ© des opĂ©ra-teurs de tĂ©lĂ©phonie mobile dâune maniĂšre facile Ă comprendre pour lâautoritĂ©.
8 Autres considérations
8.1 Prise en compte de lâexploitation en TDD
Les VLInst que les installations de tĂ©lĂ©phonie mobile doivent respecter dans le mode dâexploitation dĂ©-terminant, sont spĂ©cifiĂ©es Ă lâannexe 1, ch. 64, ORNI, pour la valeur efficace de lâintensitĂ© du champ Ă©lectrique. La valeur efficace est - par principe - la puissance moyenne fournie au cours dâune pĂ©riode donnĂ©e dâune quantitĂ© variable dans le temps. Pour une tension ou une intensitĂ© de champ, il faudrait donc utiliser la valeur moyenne quadratique, la puissance Ă©tant proportionnelle au carrĂ© de la tension ou de lâintensitĂ© de champ. En anglais, la valeur efficace dâune telle grandeur se nomme Root Mean Square ou «âRMSâ». Dans la Figure 14, la valeur efficace est indiquĂ©e sur lâexemple dâune quantitĂ© phy-sique variant de façon sinusoĂŻdale dans le temps.
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Figure 14 Valeur efficace dâune grandeur physique variant de façon sinusoĂŻdale. Figure du haut : la valeur efficace de la puissance peut ĂȘtre illustrĂ©e graphiquement : Peff correspond Ă la moitiĂ© de lâampli-tude de P ; les valeurs supĂ©rieures Ă Peff compensent les valeurs infĂ©rieures Ă Peff. Figure du bas : Peff converti en une tension U : Ueff correspond Ă 0,71 (=â 0,5) fois lâamplitude de U (U est propor-tionnelle Ă la racine carrĂ©e de P).
La valeur efficace de lâintensitĂ© du champ correspond donc Ă la puissance dâĂ©mission moyenne au cours dâune pĂ©riode donnĂ©e. La VLInst doit par principe ĂȘtre respectĂ©e Ă la puissance Ă©mettrice maximale. Ătant donnĂ© que dans lâexploitation en FDD appliquĂ©e jusquâĂ prĂ©sent, une station Ă©mettrice de tĂ©lĂ©pho-nie mobile Ă©met en continu lorsquâelle Ă©met des signaux (par exemple, un canal de signalisation), que ces signaux nâont pas de structure claire se rĂ©pĂ©tant pĂ©riodiquement (telle quâune forme sinusoĂŻdale) et que la puissance Ă©mettrice maximale est pertinente pour la VLInst, la question de la puissance moyenne sur une pĂ©riode donnĂ©e ne se pose pas en exploitation FDD. Les contrĂŽles dynamiques de puissance rĂ©sultant de lâexploitation effective ne doivent pas ĂȘtre pris en compte en ce qui concerne la VLInst.
Dans les concessions de tĂ©lĂ©phonie mobile pour la gamme des 3,4 Ă 3,8 GHz (et en partie pour 2,6 GHz), lâexploitation en TDD est obligatoire : la liaison descendante et la liaison montante se font sur la mĂȘme frĂ©quence, mais Ă des moments diffĂ©rents. En mode TDD, tel quâil est actuellement dĂ©ployĂ© par les opĂ©rateurs pour la 5G, la transmission de donnĂ©es dâutilisation par une station de base occupe au maximum 80 % du temps dans un crĂ©neau horaire (time slot) de 1 ms (ou 0,5 ms) alors que 20 % du temps du crĂ©neau est rĂ©servĂ© Ă la transmission de donnĂ©es depuis le dispositif mobile vers la station de base. Il en rĂ©sulte que la valeur efficace de lâintensitĂ© de champ Ă©lectrique est plus faible que si la station de base Ă©mettait en permanence (cf. Figure 15).
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Figure 15 Valeurs efficaces de la puissance dâĂ©mission Peff (en haut) et de lâintensitĂ© du champ Ă©lectrique Eeff (en bas) pour le mode dâexploitation TDD, basĂ©es sur la puissance Ă©mettrice maximale. Ătant donnĂ© que la station de base transmet des donnĂ©es dâutilisation (DL : downlink, liaison descen-dante) au maximum durant 80 % du temps alors que 20 % de celui-ci est rĂ©servĂ© Ă la liaison mon-tante (UL : uplink, liaison montante), la valeur efficace de lâintensitĂ© du champ Ă©lectrique (Eeff) est infĂ©rieure Ă celle qui serait obtenue si la station de base Ă©mettait en permanence. La valeur effi-cace de la puissance dâĂ©mission est la valeur moyenne sur le temps t, indiquĂ©e par la ligne rouge (Peff). Les zones grises du graphique supĂ©rieur concernant la puissance Ă©mettrice ont la mĂȘme sur-face. Le graphique du bas est converti en valeur efficace de lâintensitĂ© du champ Ă©lectrique. Cette derniĂšre correspond Ă la moyenne quadratique sur le temps t.
Ătant donnĂ© que dans le cas dâune installation de tĂ©lĂ©phonie mobile - en ce qui concerne la valeur effi-cace - la puissance dâĂ©mission moyenne au cours dâune pĂ©riode donnĂ©e est dĂ©terminante, le rapport entre la durĂ©e de transmission au cours de cette pĂ©riode et la durĂ©e de la pĂ©riode - ce que lâon appelle le rapport cyclique (duty cycle) - peut ĂȘtre pris en compte dans la puissance Ă©mettrice dĂ©terminante dans le mode dâexploitation TDD. En effet, le rapport cyclique est un paramĂštre de systĂšme rĂ©glable et cons-tant, câest pourquoi le calcul de la moyenne de la puissance dâĂ©mission maximale en ce qui concerne le rapport cyclique est conforme aux dispositions de lâORNI concernant la VLInst.
Pour le rapport actuellement spĂ©cifiĂ© entre la liaison descendante et la liaison montante, soit 4:1 ou 80:20, le rapport cyclique est de 0,8. Le rapport cyclique relatif au mode dâexploitation TDD nâest pas spĂ©cifiĂ© dans la fiche de donnĂ©es spĂ©cifique au site, mais il doit ĂȘtre documentĂ© dans le systĂšme dâas-surance de la qualitĂ© afin de garantir que le degrĂ© de performance soit correctement documentĂ© en lien avec la surveillance de la puissance dâĂ©mission.
8.2 Recommandation dâexĂ©cution : suivi et expĂ©riences
Le facteur de correction et la limitation automatique de la puissance constituent deux nouveaux Ă©lĂ©ments de lâexĂ©cution de lâORNI en ce qui concerne les installations de tĂ©lĂ©phonie mobile. Dans la phase initiale, elles seront accompagnĂ©es d'Ă©tudes empiriques.
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9 Informations complémentaires
Groupe de travail sur la tĂ©lĂ©phonie mobile et les rayonnements (2019) : « Rapport TĂ©lĂ©phonie mobile et rayonnement ». Rapport commandĂ© par le DĂ©partement fĂ©dĂ©ral de lâenvironnement, des transports, de lâĂ©nergie et de la communication DETEC, 18.11.2019.
Office fédéral de la communication OFCOM (2020) : « Notice d'information 5G - Aperçu général », 30.1.2020.
Office fĂ©dĂ©ral de la communication OFCOM (2021) : « Testkonzession und Messung adaptive Anten-nenâ(GS-UVEK-325.1-9/2/1) ». 24.9.2020 et «Testkonzession und Messungen adaptive Antennen (GS-UVEK-325.1-9/2/1) â Bericht-Nachtrag» (« Concession d'essai et mesures des antennes adaptatives (GS-UVEK-325.1-9/2/1) - Addendum au rapport », uniquement disponible en allemand), 8.2.2021.
Office fĂ©dĂ©ral de lâenvironnement OFEV (2020) : « Explications concernant la mĂ©thode de mesure du rayonnement des antennes adaptatives », 30.6.2020.
Office fĂ©dĂ©ral de lâenvironnement OFEV (2021) : « Antennes adaptatives. ComplĂ©ment du 23 fĂ©vrier 2021 Ă la recommandation dâexĂ©cution de lâordonnance sur la protection contre le rayonnement non ionisant (ORNI) concernant les stations de base pour tĂ©lĂ©phonie mobile et raccordements sans fil (WLL), OFEFP, 2002», 23.2.2021.
Institut fĂ©dĂ©ral de mĂ©trologie METAS (2020 a) : « Rapport technique : MĂ©thode de mesure pour les sta-tions de base 5 G NR dans la gamme de frĂ©quences jusquâĂ 6 GHz », 18.2.2020.
Institut fĂ©dĂ©ral de mĂ©trologie METAS (2020b) : « ComplĂ©ment du 15 juin 2020 au rapport technique MĂ©-thode de mesure des stations de base 5 G NR jusquâĂ 6 GHz », 15.6.2020.
STRAPAG (2018) : « Pilotstudie fĂŒr Emissionsmessungen an einer Mobilfunksendeanlage mittels Flug-drone » (« Ătude pilote pour la mesure des Ă©missions d'une station de tĂ©lĂ©phonie mobile Ă l'aide d'un drone volant », uniquement disponible en allemand). Rapport commandĂ© par lâOffice fĂ©dĂ©ral de lâenvi-ronnement OFEV, 23.11.2018.