Principales innovations de la 5G

En reprenant les termes et les logos employés, nous indiquons ici les principales innovations techniques qui caractérisent la 5G et diffèrent des réseaux mobiles précédents. Ici, il s’agit des innovations du fonctionnement du réseau.

Ondes millimétriques

L’installation de la 5G compte démultiplier les capacités du réseau pour accueillir toujours plus d’usagers et d’appareils connectés. Le réseau existant est presque déjà saturé par l’ensemble des appareils mobiles utilisant internet et cela continue d’augmenter. Les mêmes bandes de radiofréquences ne peuvent supporter un trop grand nombre d’appareils sans réduire la bande passante. À son échelle, un utilisateur de smartphone en fait l’expérience quand il ne parvient pas à se connecter ou plus largement quand le débit n’atteint en vérité jamais celui promit par les standards de la 4G.
La 5G veut répondre à ce problème (et à l’augmentation à venir des objets connectés) en élargissant considérablement le spectre des ondes utilisables par la diffusion sur des ondes millimétriques, encore jamais utilisées pour la téléphonie mobile.

Les téléphones mobiles actuels utilisent des bandes inférieures à 6 gigahertz (GHz), les ondes millimétriques sont diffusées à des fréquences comprises entre 30 et 300 GHz. Elles sont appelées millimétriques car leurs oscillations varient en longueur de 1 à 10mm, alors que les ondes radio qui servent aux smartphones d’aujourd’hui mesurent des dizaines de centimètres de longueur.

Pour l’instant, seuls les opérateurs de satellites et de systèmes radar utilisaient les ondes millimétriques. Aujourd’hui, certains opérateurs de téléphonie mobile ont commencé à les utiliser pour envoyer des données entre des points fixes, et le trading à Haute-Fréquence notamment a mis en place de telles liaisons. La 5G innove en utilisant les ondes millimétriques pour relier des utilisateurs mobiles à la station du réseau la plus proche.

Ces ondes sont nocives pour le corps humain, les animaux et les insectes.

Petites cellules (Femto-cell)

Les ondes millimétriques nécessitent des antennes relais à proximité. Les petites cellules sont des stations de base miniatures portables qui nécessitent peu de puissance électrique pour fonctionner et peuvent être placées tous les 250 mètres environ en ville. Pour éviter que les signaux ne tombent, les transporteurs pourraient installer des milliers de ces stations dans une même ville et constituer un réseau qui agirait comme une équipe de relais, recevant les signaux des autres stations de base et envoyant des données aux utilisateurs.

Si les réseaux cellulaires traditionnels en sont également venus à dépendre d’un nombre croissant de stations de base, l’obtention de performances 5G nécessitera une nouvelle infrastructure encore plus importante que les précédentes. Les antennes des petites cellules peuvent toutefois être beaucoup plus petites que les antennes traditionnelles, si elles transmettent des ondes millimétriques minuscules. Cette différence de taille rend encore plus facile l’installation de cellules sur les poteaux d’éclairage et au sommet des bâtiments.

Cette structure de réseau radicalement différente vise à permettre une utilisation plus ciblée et plus efficace du spectre. Le fait d’avoir plus de stations signifie que les fréquences qu’une station utilise pour se connecter à des appareils dans une zone donnée peuvent être réutilisées par une autre station dans une autre zone pour desservir un autre client. Il y a cependant un problème : le nombre de petites cellules nécessaires pour construire un réseau 5G peut rendre difficile l’installation dans les zones rurales (les satelittes serviront entre autres choses à ce genre de cas).

En plus de diffuser sur des ondes millimétriques, les stations de base 5G auront également beaucoup plus d’antennes que les stations de base des réseaux cellulaires actuels – pour tirer parti d’une autre nouvelle technologie : le MIMO massif.

MIMO massive

Les stations de base 4G actuelles ont une douzaine de ports pour les antennes qui gèrent tout le trafic cellulaire : huit pour les émetteurs et quatre pour les récepteurs. Mais les stations de base 5G vont pouvoir prendre en charge une centaine de ports, pour permettre bien plus d’antennes sur un même réseau. Cette capacité signifie qu’une station de base peut envoyer et recevoir des signaux de beaucoup plus d’utilisateurs à la fois, la capacité du réseau mobile augmenterait d’un facteur de 22 ou plus.

Cette technologie est appelée MIMO massive. MIMO signifie multiple-input multiple-output. MIMO décrit les systèmes sans fil qui utilisent deux ou plusieurs émetteurs et récepteurs pour envoyer et recevoir plus de données en même temps. Le MIMO massif porte cette technique à un nouveau niveau en utilisant des dizaines d’antennes sur un seul réseau.

Le MIMO est déjà présent sur certaines stations de base 4G. Mais jusqu’à présent, le MIMO massif n’a été testé qu’en laboratoire et dans le cadre de quelques essais sur le terrain. Lors des premiers essais, elle a établi de nouveaux records en matière d’efficacité du spectre, qui est une mesure du nombre de bits de données pouvant être transmis à un certain nombre d’utilisateurs par seconde.

La MIMO massive est une des clés de la 5G. Elle va servir à connecter en même temps des utilisateurs humains et des machines. La 5G doit permettre des transmissions de machines à machines pour 50 milliards d’objets connectés d’ici 2025 (dans les prévisions d’EDF). Cependant, l’installation d’un nombre beaucoup plus important d’antennes pour gérer le trafic cellulaire provoque également davantage d’interférences si ces signaux se croisent. C’est pourquoi les stations 5G doivent intégrer la formation de faisceaux.

BEAMFORMING (faisceaux)

La mise en forme de faisceau est un système de signalisation pour les stations de base cellulaires qui identifie la route la plus efficace pour la transmission de données à un utilisateur particulier, et qui réduit ainsi les interférences pour les utilisateurs voisins. Selon la situation et la technologie, il existe plusieurs façons pour les réseaux 5G de le mettre en œuvre.

La formation de faisceaux peut aider les réseaux MIMO massifs à utiliser plus efficacement le spectre qui les entoure. Le principal défi des réseaux MIMO massifs est de réduire les interférences tout en transmettant davantage d’informations à partir de plusieurs antennes à la fois. Dans les stations de base MIMO massives, les algorithmes de traitement du signal tracent la meilleure route de transmission par voie aérienne pour chaque utilisateur. Ils peuvent ensuite envoyer des paquets de données individuels dans de nombreuses directions différentes, les faisant rebondir sur des bâtiments et d’autres objets selon un schéma précisément coordonné. En chorégraphiant les mouvements et le temps d’arrivée des paquets, la formation de faisceaux permet à de nombreux utilisateurs et antennes d’un gigantesque réseau MIMO d’échanger beaucoup plus d’informations à la fois.

Pour les ondes millimétriques, la formation de faisceaux est principalement utilisée pour résoudre un ensemble différent de problèmes. Les signaux cellulaires sont facilement bloqués par des objets et ont tendance à s’affaiblir sur de longues distances (particulièrement pour les ondes millimétriques). Dans ce cas, la formation de faisceaux peut aider en concentrant un signal dans un faisceau qui pointe uniquement vers un utilisateur, plutôt que de diffuser dans plusieurs directions à la fois. Cette approche peut renforcer les chances du signal d’arriver intact et réduire les interférences pour tous les autres.

Outre l’augmentation des débits de données par la diffusion sur des ondes millimétriques et le renforcement de l’efficacité du spectre grâce à la technologie MIMO massive, les ingénieurs du secteur des communications sans fil tentent également d’atteindre le haut débit et la faible latence requis pour la 5G grâce à une technologie appelée duplex intégral, qui modifie la façon dont les antennes délivrent et reçoivent les données.

Duplex intégral

Les stations de base et les téléphones portables d’aujourd’hui reposent sur des émetteurs-récepteurs qui doivent se relayer s’ils transmettent et reçoivent des informations sur la même fréquence, ou fonctionner sur des fréquences différentes si un utilisateur souhaite transmettre et recevoir des informations en même temps.
DUPLEX

Avec la 5G, un émetteur-récepteur sera capable de transmettre et de recevoir des données en même temps, sur la même fréquence. Cette technologie est connue sous le nom de duplex intégral, et elle pourrait doubler la capacité des réseaux sans fil au niveau de leur couche physique la plus fondamentale : Imaginez deux personnes parlant en même temps mais capables de se comprendre, ce qui signifie que leur conversation pourrait durer deux fois moins longtemps et que leur prochaine discussion pourrait commencer plus tôt.

Certaines armées utilisent déjà la technologie full duplex qui repose sur des équipements encombrants. Pour réaliser le duplex intégral dans les appareils personnels, les chercheurs doivent concevoir un circuit capable d’acheminer les signaux entrants et sortants de manière à ce qu’ils ne se heurtent pas lorsqu’une antenne transmet et reçoit des données en même temps.

Cela est particulièrement difficile en raison de la tendance des ondes radio à voyager à la fois vers l’avant et vers l’arrière sur la même fréquence – un principe connu sous le nom de réciprocité. Mais récemment, des experts ont assemblé des transistors en silicium qui agissent comme des interrupteurs à grande vitesse pour arrêter le retournement de ces ondes, leur permettant ainsi d’émettre et de recevoir des signaux sur la même fréquence en même temps.

L’un des inconvénients du duplex intégral est qu’il crée également davantage d’interférences de signaux, par le biais d’un écho parasite. Lorsqu’un émetteur émet un signal, celui-ci est beaucoup plus proche de l’antenne de l’appareil et donc plus puissant que tout signal qu’il reçoit. S’attendre à ce qu’une antenne parle et écoute en même temps n’est possible qu’avec une technologie spéciale d’annulation de l’écho.

Avec ces technologies et d’autres technologies 5G, les ingénieurs espèrent construire le réseau sans fil sur lequel les futurs utilisateurs de smartphones, les joueurs de VR et les voitures autonomes pourront compter chaque jour. Déjà, les chercheurs et les entreprises ont placé de grands espoirs dans la 5G en promettant aux consommateurs une latence ultra-faible et des débits de données records. S’ils parviennent à résoudre les problèmes restants et à trouver comment faire fonctionner tous ces systèmes ensemble, le service 5G ultra-rapide pourrait atteindre les consommateurs dans les cinq prochaines années.