La fonction d'agrégation de porteuses est une innovation clé de la quatrième génération de technologie de communication mobile pourrouteur CPE 4G LTE, elle améliore considérablement la vitesse du réseau et la stabilité de la connexion en regroupant plusieurs canaux de spectre discrets dans un conduit de données plus large. Cette technologie résout non seulement le problème de la fragmentation des ressources spectrales, mais permet également une planification dynamique efficace entre les stations de base et les terminaux, offrant un support sous-jacent pour des scénarios d'application tels que la vidéo haute définition et l'interaction en temps réel. C'est comme intégrer plusieurs routes étroites à plusieurs voies en une large autoroute, permettant aux flux de données de circuler en douceur. Sa valeur fondamentale réside dans l'optimisation de l'utilisation des actifs spectraux existants et elle constitue un pont important vers les communications de cinquième génération.

1. Définition technique et contexte d'évolution de l'agrégation de porteuses

L'agrégation de porteuses est essentiellement une solution technique qui intègre plusieurs canaux de porteuses continus ou discontinus en un seul canal logique. Dans le processus d'évolution de la technologie de communication de la troisième à la quatrième génération, les ressources spectrales obtenues par les opérateurs sont souvent dispersées dans différentes bandes de fréquences, formant une distribution fragmentée. Les méthodes de transmission monocanal traditionnelles, comparables à l'utilisation d'une seule voie de circulation, ne peuvent pas être utilisées efficacement même si les ressources en bande de fréquences sont inactives. Le 3rd Generation Partnership Project a introduit l'agrégation de porteuses dans la norme de communication mobile de 4e génération précisément pour résoudre le principal problème de la faible utilisation du spectre. Selon les données publiées par la Global Mobile Equipment Suppliers Association, plus de 200 opérateurs dans le monde avaient déployé différentes formes de réseaux d'agrégation de porteuses jusqu'à fin 2023, vérifiant pleinement leur nécessité technique.

2. Le véritable défi de la fragmentation du spectre

En raison de raisons d'attribution historiques, le spectre détenu par les opérateurs se présente souvent sous une forme de distribution « opportuniste ». Par exemple, un opérateur peut disposer simultanément d'une bande passante de 10 MHz dans la bande 800 MHz, de 15 MHz dans la bande 1,8 GHz et de 20 MHz dans la bande 2,6 GHz. Si ces ressources dispersées ne peuvent pas être utilisées ensemble, chaque bande de fréquences ne peut fournir qu'un débit limité de manière indépendante. Ce phénomène de ressources inactives est particulièrement prononcé dans les zones à forte densité d'utilisateurs, et la technologie d'agrégation de porteuses est la clé d'or pour résoudre ce problème.

3. Caractéristiques techniques des trois types de méthodes d'agrégation

Selon les caractéristiques de la distribution du spectre, l'agrégation de porteuses peut être divisée en trois types : l'agrégation de porteuses continue, l'agrégation de porteuses discontinue intra-bande et l'agrégation de porteuses inter-bandes. L'agrégation continue traite les canaux adjacents dans la même bande de fréquences et présente la complexité de mise en œuvre la plus faible ; le type non continu doit traiter des canaux séparés dans la même bande de fréquences, ce qui impose des exigences plus élevées en matière de conception de radiofréquences ; tandis que l'agrégation inter-bandes reflète le mieux la valeur technique, elle peut intégrer des ressources sur plusieurs bandes de fréquences, mais il est nécessaire de résoudre le problème de synchronisation causé par les différences de caractéristiques de propagation des différentes bandes de fréquences. Le « Livre blanc sur le spectre 5G et des futures communications mobiles » publié par le ministère de l'Industrie et des Technologies de l'information de mon pays a souligné que la technologie d'agrégation inter-bandes augmentera l'utilisation du spectre de plus de 40 %.

4. Mécanisme central pour augmenter le débit de pointe

En regroupant plusieurs porteuses, la bande passante totale du système atteint une croissance arithmétique. En supposant qu'une seule porteuse fournisse un débit de 75 Mbps, lorsque trois porteuses sont agrégées, le débit de pointe théorique peut atteindre 225 Mbps. Cette relation d'amélioration linéaire est particulièrement évidente dans le réseau de communication mobile de quatrième génération. Selon les données mesurées par la China Academy of Information and Communications, le débit descendant du réseau de communication mobile de quatrième génération utilisant l'agrégation de trois porteuses peut atteindre 2,8 fois celui des réseaux conventionnels, supportant efficacement la demande de streaming vidéo 4K ultra-haute définition.

5. Améliorer l'expérience utilisateur en périphérie du réseau

En périphérie de la couverture des stations de base, l'affaiblissement de la puissance du signal entraîne des baisses de débit. La technologie d'agrégation de porteuses permet aux terminaux de recevoir simultanément l'énergie du signal de plusieurs porteuses grâce à une planification coopérative multi-porteuses. Lorsqu'un signal de porteuse est faible, le système alloue automatiquement plus de ressources à la porteuse dont le signal est plus fort. Ce mécanisme d'équilibrage dynamique réduit les fluctuations de débit des utilisateurs en périphérie d'environ 60 %, améliorant considérablement la cohérence des services réseau. Un rapport de test d'un opérateur provincial montre qu'après l'activation de l'agrégation de porteuses, le débit moyen des utilisateurs en périphérie de cellule a augmenté de plus de trois fois.

6.Collaboration pour l'agrégation de porteuses et les technologies à entrées multiples et sorties multiples

La technologie d'entrées multiples et sorties multiples améliore l'efficacité spectrale grâce à la transmission parallèle depuis plusieurs antennes, l'agrégation de porteuses augmente la capacité en élargissant la largeur spectrale ; elles forment un effet complémentaire. Lorsque la technologie d'entrées multiples et sorties multiples est combinée à l'agrégation de porteuses, le système obtient non seulement une autoroute de données plus large, mais améliore également l'efficacité du trafic par unité de surface grâce à de multiples voies parallèles. Le Projet de Partenariat de Troisième Génération a particulièrement insisté sur le schéma d'optimisation conjointe des deux dans la Norme d'évolution des communications mobiles de 4ème génération, cette technologie combinée peut atteindre une croissance géométrique de la capacité du réseau.

7.Exigences techniques de mise en œuvre côté terminal

Les terminaux prenant en charge l'agrégation de porteuses doivent être équipés de plusieurs systèmes émetteurs-récepteurs radiofréquence et de capacités de traitement de signal plus robustes. Cela nécessite que la puce du terminal prenne en charge la démodulation synchrone multi-porteuses, et que le processeur de bande de base intègre des algorithmes de planification plus complexes. Actuellement, les fabricants de puces grand public tels que Qualcomm et MediaTek ont lancé des puces de communication mobile de quatrième génération prenant en charge l'agrégation de cinq porteuses. Elles utilisent en interne une architecture de processeur de signal numérique multi-cœur, capable de traiter simultanément une bande passante agrégée dépassant 400MHz. L'évolution continue des capacités des terminaux est un moteur important pour la popularisation de l'agrégation de porteuses.

8.Ajustements architecturaux côté réseau

Les équipements de station de base doivent mettre à niveau l'unité de traitement de bande de base pour prendre en charge la planification unifiée des ressources multi-porteuses. La nouvelle carte de bande de base utilise un tableau de processeurs multi-cœurs, capable de calculer l'état de charge de chaque porteuse en temps réel et d'allouer dynamiquement les ressources. Côté cœur de réseau, il est nécessaire de renforcer la bande passante du réseau de transport pour éviter les goulots d'étranglement dans le processus de transmission des flux de données agrégés à haut débit. Le livre blanc technologique de China Mobile montre que son réseau existant a réalisé l'agrégation de porteuses inter-stations de base en introduisant la technologie de réseau défini par logiciel, augmentant le taux de succès du transfert aux différentes limites de couverture des stations de base à 99.5 %.

9.Évolution de l'agrégation de porteuses dans les communications mobiles de cinquième génération

La norme de communication mobile de cinquième génération poussera la technologie d'agrégation de porteuses vers de nouveaux sommets et prendra en charge des méthodes de combinaison de spectre plus flexibles. Elle pourra non seulement agréger le spectre sous licence, mais aussi intégrer des ressources spectrales non sous licence, supportant l'agrégation simultanée jusqu'à 16 porteuses. Le Projet de Partenariat de Troisième Génération a défini plus de 100 schémas de combinaison de bandes de fréquences dans la norme de communication mobile de 5ème génération, incluant l'agrégation hybride d'ondes millimétriques et de bandes de fréquences inférieures à 6 GHz, réservant un espace suffisant pour l'évolution future du réseau.

10.Défis techniques en matière de gestion de l'énergie

Le fonctionnement simultané de plusieurs porteuses augmentera la consommation électrique du terminal, ce qui représente un défi pour l'autonomie de la batterie. Les puces de communication modernes adoptent un mécanisme d'activation intelligent qui n'active toutes les porteuses que lorsque la transmission à haut débit est nécessaire, et passe automatiquement en mode d'économie d'énergie mono-porteuse en état de veille quotidien. Les données du laboratoire de MediaTek montrent que l'algorithme de planification dynamique des porteuses de sa dernière puce peut prolonger l'autonomie de la batterie de 15 %, réalisant un équilibre optimal entre performances et consommation d'énergie.

11.Méthodes et normes de vérification des tests

La fonction d'agrégation de porteuses exige des tests de cohérence rigoureux, incluant 128 indicateurs tels que la précision de synchronisation des porteuses et le taux de succès des transferts. Les normes de test internationales exigent que l'équipement maintienne des erreurs de synchronisation inter-porteuses inférieures à 130 nanosecondes à des températures ambiantes de -40 °C à +85 °C. Le système de test automatisé développé par le laboratoire Tell de notre pays peut simuler les performances dans des scénarios complexes à bandes de fréquences multiples et garantir que l'équipement commercial respecte les exigences des normes de l'Organisation du programme de partenariat de troisième génération.

12.État actuel du déploiement commercial mondial

Fin 2023, 89 pays à travers le monde avaient déployé des réseaux d'agrégation de porteuses. Les opérateurs sud-coréens ont été les premiers à réaliser l'agrégation de cinq porteuses à des fins commerciales, atteignant un débit de pointe de 1,2 Gbit/s. Les trois principaux opérateurs de notre pays ont achevé la couverture de l'agrégation de porteuses dans les grandes villes du pays. China Telecom a réalisé en 2022 des tests d'agrégation inter-normes de communications mobiles de quatrième et de cinquième génération, basés sur les bandes de fréquences 2,1 GHz et 3,5 GHz, jetant ainsi les bases d'une future intégration des réseaux.

13.Valorisation approfondie des applications industrielles

Dans le domaine industriel, la technologie d'agrégation de porteuses garantit des délais de l'ordre de la milliseconde pour le contrôle collaboratif des robots. Après le déploiement d'un réseau dédié à l'agrégation de porteuses dans une usine de fabrication automobile, la précision de synchronisation de 200 robots de soudage a été augmentée à 0,1 mm. Dans les scénarios de télémédecine, la transmission multi-porteuses assure la transmission en temps réel d'images chirurgicales 4K, permettant aux experts de fournir des conseils à distance et précis. Ces applications vérifient la valeur de l'agrégation de porteuses s'étendant du niveau grand public au niveau industriel.

14.Combinaison avec la technologie de découpage réseau

Dans les réseaux de communication mobile de cinquième génération, l'agrégation de porteuses peut former un effet synergique avec la technologie de découpage réseau. Pour améliorer les tranches de bande passante mobile qui nécessitent une large bande passante, le système peut allouer dynamiquement davantage de ressources porteuses, tout en conservant la porteuse de base pour les tranches de réseau étendu à faible consommation. Ce mécanisme d'allocation flexible augmente l'utilisation des ressources spectrales des opérateurs de 35 %, et peut répondre aux besoins différenciés des différentes industries verticales.

15.Orientation future de l'évolution technologique

La recherche sur la sixième génération de communications mobiles a désigné l'agrégation de porteuses assistée par surface intelligente comme une direction clé. Grâce à la technologie de surface intelligente reconfigurable, le réseau peut modeler dynamiquement l'environnement de propagation des ondes radio, augmentant l'efficacité de l'agrégation des bandes de fréquences discontinues de 50 %. Parallèlement, un algorithme de planification prédictive des porteuses basé sur l'intelligence artificielle est en cours de test en laboratoire, qui prévoit les besoins commerciaux 500 millisecondes à l'avance et active les combinaisons de porteuses correspondantes.

16.Politique du spectre et progrès de la normalisation

Les régulateurs de différents pays ajustent leurs stratégies d'attribution du spectre pour réserver des bandes de fréquences contiguës à l'agrégation de porteuses. La Conférence mondiale des radiocommunications de 2023 de l'Union internationale des télécommunications (UIT) a adopté une résolution encourageant les États membres à planifier des blocs de spectre contigus d'au moins 100 MHz. Le « 14e Plan de développement de l'industrie de l'information et de la communication » de notre pays propose clairement de promouvoir l'utilisation coordonnée de multiples bandes de fréquences afin de créer un environnement politique plus favorable à la technologie d'agrégation de porteuses.

En tant que maillon clé de l'évolution des communications mobiles, la technologie d'agrégation de porteuses ne se contente pas de résoudre les défis liés à l'utilisation actuelle des ressources spectrales, mais fournit également l'infrastructure pour les futures innovations réseau. De l'amélioration de l'expérience utilisateur à la promotion de la numérisation industrielle, cette technologie continue de libérer le potentiel des réseaux de communication. Avec l'approfondissement de la popularisation des communications mobiles de cinquième génération et l'accélération de la recherche et du développement des communications mobiles de sixième génération, l'agrégation de porteuses continuera de jouer un rôle important à l'intersection de la technologie de connexion et des besoins pratiques.