Catégorie : 5G

La 5G, infrastructure logique d’internet

« La 5G esquisse une transformation de la majorité des infrastructures de production et de circulation »

Cette article a été publié sur le site Lundi.am :

https://lundi.am/La-5G-infrastructure-logique-d-internet

Du réseau 4G à la 5G

Le réseau mobile et les innovations de la 5G (quelques éléments techniques)

La structure du réseau 5G repart de l’architecture des réseaux de téléphonie mobile existants. Un usager a un smartphone. C’est son terminal d’accès, et une carte SIM (Subscriber Identity Mobile, Uniersel Subscriber Identity Mobile pour la 3G et la 4G) à l’intérieur transmet au réseau son identité d’abonné. Ce terminal partout où il se trouve cherche les stations de base les plus proches, ensemble d’émetteurs-récepteurs qui quadrillent le territoire1Le site https://www.cartoradio.fr/index.html vous donne la localistion des antennes/station de base. Cette cartographie une obligation légale pour les opérateurs. Si vous avez mal à la tête, régulièrement, il y en a peut-être une sur le toit de votre immeuble.
Les stations de base sont à terme reliées aux infrastructures plus massives de l’internet qui n’a de sans fil que le nom des réseaux proposés aux usagers. Des cables en grand nombre traversent les fonds océans entre les grands continents du monde. Ce site en propose une carte interactive: http://www.surfacing.in/
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Chaque station de base est munie d’antennes. Les terminaux (les téléphones) autour de la station de base communiquent par voie radio vers les antennes.
Les antennes transforment le courant électrique en onde électromagnétique, ou réciproquement. S’il y a parfois des petits dispositifs sur les poteaux, l’ensemble des fonctions de traitement des signaux reçus par les antennes est souvent dans un autre équipement que la partie visible. À côté des antennes, il y a notamment des boitiers qui s’occupent du relais par fibre optique, et s’occupent de la transmission vers le réseau internet.

À chaque étape du réseau, le téléphone ne perd pas son identité, il est toujours identifié comme relevant de tel abonné au réseau. La puissance de connexion d’un téléphone mobile 4G est d’environ 200mWatts. Les antennes relais (stations de base) doivent être à quelques kilomètres à la ronde maximum pour assurer une connexion. Le travail des opérateurs mobile est de couvrir le territoire afin qu’un terminal soit donc toujours à moins de quelques kilomètres d’une antenne. Sur l’ensemble du territoire français, tout opérateurs confondus, il y a environ 10 000 stations de base, qui couvrent quelques centaines de mètres chacune.

Depuis les années 70, aux États-Unis d’abord, puis dans les pays d’Europe du Nord dans les années 80, le réseau est structuré par un découpage en cellules, et chacune est desservie par une station de base. Le schéma2Il est emprunté à ce site: https://tpetelephonesante.wordpress.com/partie-1-definition-dune-onde-electromagnetique-et-fonctionnement-des-reseaux-cellulaires/les-differents-types-de-reseau/. ci-dessous représente ce découpage en alvéoles :

Idéalement, l’usager d’un téléphone ne perçoit pas son passage d’une cellule à l’autre (le réseau fonctionne s’il est imperceptible). En zone urbaine, densément peuplée, les stations de base sont déployées pour répondre à une forte demande, la capacité en Mbits/s par km2 doit être supérieure au trafic engrendré par les clients. En Zone rurale, moins dense, les stations de base doivent avant tout couvrir l’ensemble du territoire, pour que partout un usager puisse se connecter. Il est moins nécessaire d’avoir une forte capacité dans chaque cellule.

De tels réseaux impliquent une multiplicité d’interfaces et de protocoles, et des manières de faire communiquer les équipements entre eux par certains types de canaux. Entre chaque élément du réseau, différents canaux font transiter différents types d’informations. Chaque étape met en place des mécanismes pour éviter que n’importe qui accède aux échanges ou au réseau lui-même. Des maintiens de connexion sont mis en place pour gérer la sporadicité des échanges, les arrêts soudain de transmission. Chaque échange est doublé de mécanismes de chiffrement, pour contrôler l’intégrité des messages et les possibles pertes dues aux interférences ou échecs de transmission.

On n’appelle pas sans raisons un ordinateur un « poste fixe ». Le réseau internet classique ne sait pas gérer la mobilité des terminaux d’accès. Tout paquet est destiné à une adresse IP, liée à une localisation physique. 3C’est avec le protocole TCP/IP que fut construit l’internet au départ, et désormais l’infrastructure est trop installée et utilisée pour que cela vaille la peine, le coût, de tout modifier, ou que cela soit même possible.

Les paquets de données doivent être guidés, routés, vers une porte d’entrée unique (avant d’accéder aux terminaux): le PGW, Packet GateWay. Pour la 4G, il y a donc deux réseaux, celui constitué par l’ensemble des stations de base, en dialogue les unes avec les autres sur un même réseau IP, puis le réseau dit « réseau coeur » qui s’occupe une fois passé le PGW de l’accès à internet. On fait donc converger les paquets de données, qui circulent entre les stations de base, vers une entrée commune à tout le réseau. Le PGW sert d’interface entre ces deux réseaux, il achemine les données vers le terminal (le téléphone mobile) et inversement, du terminal vers l’internet. Il assure aussi, en tant que point de passage, passerelle intermédiaire, des fonctions de sécurité. Il n’y a que quelques PGW sur l’ensemble du territoire français.

Sur ce schéma simplifié, on voit la rupture entre le réseau IP et le réseau Internet. Le routeur, dans les réseaux mobiles, est le Packet Gate Way, qui fait point d’entrée pour le réseau internet

L’usager d’un telephone mobile se déplace, à plus ou moins grande vitesse. Il faut donc avertir la station de base de ces déplacements, et régulièrement effectuer un « reroutage » du telephone vers une nouvelle station de base. Pour éviter de communiquer à chaque fois avec le PGW (et de les surcharger, puisqu’il n’y en a que quelques-uns), l’architecture du réseau passe par des Serving Gate Way (SGW) qui desservent une région géographique donnée et toutes les cellules qu’il comporte (une région française par exemple). Les SGW communiquent ensuite avec le PGW, mais ce ne sont que les SGW qui gèrent la mobilité et le changement des stations de base.

Schéma d’un réseau 4G. Le terminal communique avec l’antenne qui va vers le Serving Gate Way local (SGW), qui à son tour échange avec le Packet gate Way (PGW). Les bearer, sur le schéma, sont les tunnels mis en place le temps de la connexion, selon le type d’intercace (S1, S5etc) ils échangent un certain type de message (données de signalisation ou paquet de données)

Nous n’allons pas rentrer dans tous les détails ici, il s’agit de comprendre la logique générale. Pour construire un réseau mobile, on installe différentes entités de manières à couvrir l’ensemble du territoire. Cette répartition permet de répartir les charges, on y reviendra (si toutes les connexions sont sur une même station de base, ou se dirigent vers le même point pour accéder à internet, le réseau est saturé). Chaque échange à l’intérieur du réseau se subdivise en plusieurs couches. Tous les échanges entre le téléphone et la station de base, par exemple, sont doublées d’équipements de contrôle. À chaque étape, des fonctions de contrôles sont en place pour vérifier que l’abonné peut utiliser le réseau et pour valider son identité. Le réseau d’échanges de données se double d’un réseau de sécurisation des échanges.

Un des éléments clés des fonctions de contrôle est le HSS (le Home Subscriber Server) où sont regroupés les profils de tous les abonnés du réseau, les droits, les services et les données de sécurité. Il est consulté à chaque début d’accès au réseau, et tout au long de la connexion. Le HSS n’échange que des données de signalisation, l’ensemble des éléments échangés pour gérer l’accès aux réseaux. Aucuns paquets de données ne transitent par le HSS. Comme pour le PGW, si à chaque fois que quelqu’un se déplace, il faut contrôler l’accès et envoyer une requête au HSS, il y a un risque de saturation. L’architecture d’ensemble introduit le MME, Mobility Management Entity, qui gère une très large rayon et s’occupe de la mobilité. Le MME va contrôler localement le profil de l’abonné durant sa connexion, un peu comme une mémoire cache ou un « cookie » garde sur internet des éléments enregistrés, pour réduire les échanges et les risques de surcharge du réseau.

De tels réseaux impliquent donc une multiplicité d’interfaces et de protocoles, et des manières de faire communiquer les équipements entre eux par certains types de canaux. Entre chaque élément du réseau, différents canaux font transiter différents types d’informations. Chaque étape met en place des mécanismes pour éviter que n’importe qui accède aux échanges ou au réseau lui-même. Des maintiens de connexion sont mis en place pour gérer la sporadicité des échanges, les arrêts soudain de transmission. Chaque échange est doublé de mécanismes de chiffrement, pour contrôler l’intégrité des messages et les possibles pertes dues aux interférences ou echecs de transmission. Les ondes életromagnétiqus peuvent se propager à longue distance mais se modifient au fil des distances, et l’ampleur des perturbations peut être plus ou moins grande. Les émetteurs dans le réseau modulent les signaux échangés, ainsi lorsque le message échange échange subit des dégrations, le récepteur pourra reconnaître les modulations effectués et reconstitué le message. La modulation permet d’établir un compromis entre la vitesse de transmission et les erreurs.


Techniquement, on ajoute notamment une redondance à chaque message, pour qu’à l’arrivée tout arrive et qu’il soit possible pour les dispositifs de réception de reconstituer le message.

Schéma similaire au précédent mais on voit le HSS, qui rassemble toutes les informations des abonnées, et le MME qui contrôle localement les abonnés présents

En quoi la 5h diffère de la 4G et des générations précédentes? Elle va utiliser un spectre d’ondes plus important et surfer sur les ondes millimétriques. Pour de telles ondes, des antennes tous les 1500 mètres environ sont nécessaires. Élargir le spectre des ondes utilisables rend bien plus vaste les capacités du réseau. Les téléphones mobiles actuels utilisent des bandes inférieures à 6 gigahertz (GHz), les ondes mililimétriques sont diffusées à des fréquences comprises entre 30 et 300 GHz. 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 liaisons4https://sniperinmahwah.wordpress.com/. La 5G innove en utilisant les ondes millimétriques pour relier des utilisateurs mobiles à la station du réseau la plus proche.

Les opérateurs doivent installer des infrastructures de toutes tailles, absolument partout, de mini-station de base au coeur des villes à 20 000 satelittes dans l’atmosphère. Ce sont des mini-cellules. Pour chaque station de base, relais du réseau, la capacité des antennes sera décuplée et pourra émettre et recevoir énormément de messages à la fois, ce sur des canaux différents, particulièrement de machines à machines. Elles seraient installé sur les poteaux d’éclairage, au sommet des batiments, partout. Pour éviter que les signaux ne tombent, les transporteurs pourraient installer des milliers de ces stations dans une ville pour former un réseau dense qui agirait comme une équipe de relais, recevant les signaux des autres stations de base et envoyant des données aux utilisateurs en tout lieu.

Pour utiliser beaucoup plus d’antennes sur un même réseau, la 5G va utiliser la technique appelée MIMO massive, MIMO, qui signifie multiple-input multiple-output. MIMO désigne 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 utilisera des dizaines d’antennes sur un seul réseau. 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. Les stations 5G doivent intégrer la formation de faisceaux.

L’un des buts central de la 5G est de permettre la mise en place de l’Internet des Objets, de connecter et mettre en réseaux les objets (de la voiture autonome aux colis d’un entrepôt). Pour que ces objets dits « intelligents » puissent effectivement échanger, et des millions d’humains également, le réseau 5G va émettre des ondes en faisceau, idéalement capable d’émettre à partir de l’antenne dans la direction du téléphone ou de l’objet qui se connecte. Un satellite de la 5G pourra notamment viser un appareil précis et permettre sa connexion. Il s’avère également nécessaire, pour qu’une telle mise en réseau soit possible, que chaque élément du réseau puisse au même moment émettre et recevoir. Si sur une même fréquence, il est possible d’émettre et recevoir, la puissance globale du réseau est décuplée.

C’est ici une présentation succinte et programmatique. Le fonctionnement décrit ici de la 5G est en fait loin d’être au point. Elle est encore en phase de tests et sa mise en place va être longue, mais les différents opérateurs se précipitent par peur de manquer le bateau et les profits possibles. L’installation de la 5G veut être la nouvelle infrastructure globale, la promesse d’une grande relance économique5Pour de nombreux économistes conseillers du prince, les innovations sont le Saint Graal de la croissance, par exemple: https://www.college-de-france.fr/site/philippe-aghion/index.htm .

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.