Le dé­fi tech­nique de la 5G

L'Informaticien - - SOMMAIRE - VINCENT HABCHI

Le déploiemen­t de la 4G est à peine fi­ni que la 5G frappe à la porte ! Il faut dire que, de­puis dix ans, les uti­li­sa­tions de la té­lé­pho­nie mo­bile ont évo­lué, sous la double im­pul­sion des be­soins sans cesse crois­sants en bande pas­sante et en mo­bi­li­té ; si bien que la 4G s’es­souffle dé­jà. Quelles ré­ponses tech­niques le 3GPP, or­ga­nisme de nor­ma­li­sa­tion du GSM, a- t- il ima­gi­né pour faire de la fu­ture 5G ce que le pu­blic at­tend d’elle ? A- t- il une so­lu­tion tech­nique pé­renne ? Ca­pable d’amener l’In­ter­net très haut dé­bit à tous ? Et par­tout et tout le temps ?

Au dé­but du GSM, dans les an­nées 90, le ser­vice de trans­mis­sion de don­nées, ou « da­ta » , était consi­dé­ré comme auxi­liaire. Les pre­mières normes ( 1G, 2G) n’y ac­cor­daient qu’une attention mar­gi­nale, li­mi­tant les dé­bits à

ce que les mo­dems de l’époque four­nis­saient ( 9,6 kbps, fax). Ce n’est qu’à par­tir de la 3G que la trans­mis­sion de don­nées a com­men­cé à re­te­nir l’attention des ex­perts – il n’y avait alors plus rien à ga­gner du côté de la voix. Avec la 4G et sa mo­du­la­tion OFDM « fu­tu­riste » , l’ETSI ( l’or­ga­nisme de nor­ma­li­sa­tion de l’époque) pen­sait sans doute avoir mis au point une so­lu­tion tech­nique stable et pé­renne. Las. C’était sans comp­ter sur l’ex­plo­sion de la de­mande. La 4G a pro­vo­qué un saut qua­li­ta­tif en termes de dé­bit, et a fa­vo­ri­sé l’apparition de nou­veaux usages eux- mêmes gé­né­ra­teurs de nou­veaux be­soins. Jusque- là, rien d’éton­nant : tout ce­la s’était dé­jà pas­sé dans le do­maine des liai­sons fixes. Mais plu­sieurs fac­teurs, que l’ETSI n’avait pas vus ve­nir, se sont ajou­tés à cette simple évo­lu­tion tech­no­lo­gique.

Le mo­bile ex­plose

La der­nière ver­sion ( fé­vrier 2019) du Cis­co Visual Net­wor­king Index ( VNI) Glo­bal Mo­bile Da­ta Traf­fic Fo­re­cast Up­date [ 1] est as­sez élo­quente : le tra­fic mo­bile sur

l’In­ter­net a été mul­ti­plié par dix­sept entre 2012 et 2017 : en 2012, le vo­lume de don­nées mo­biles s’éle­vait à 686 000 TB/ mois ; 650 mil­lions de nou­veaux ter­mi­naux ont été ac­ti­vés en 2017, pour un to­tal de 8,6 mil­liards d’uni­tés, dont « seule­ment » 51 % de smart­phones, mais ces der­niers ont re­pré­sen­té 88 % du tra­fic don­nées to­tal. Ce tra­fic était lui- même com­po­sé pour 59 % de vi­déos, et le tra­fic moyen par smart­phone a bon­di de 1,6 Go/ mois en 2016 à 2,3 Go/ mois en 2017, soit une pro­gres­sion de 50 %. Et ce n’est là que la par­tie émer­gée de l’ice­berg, car les ap­pli­ca­tions en­vi­sa­gées de la 5G vont bien au- de­là de ce que la 4G offre. On peut ci­ter, entre autres [ 2] : • la vi­déo Ul­tra Haute

Définition ( 4K+) ; • les ap­pli­ca­tions

de réa­li­té aug­men­tée ; • les ap­pli­ca­tions

de réa­li­té vir­tuelle ; • le par­tage de pho­tos/ vi­déos en di­rect à l’oc­ca­sion de concerts ou d’évé­ne­ments spor­tifs ; • les jeux vi­déo en ré­seau ; • ac­cès au Cloud, que ce soit en mo­bi­li­té pure ou dans des « bu­reaux iti­né­rants » ; • « l’In­ter­net tac­tile » ; • ac­cès au ré­seau par des mo­biles aé­ro­por­tés : avions, drones ; • les ro­bots col­la­bo­ra­tifs ; • les ra­dio et té­lé­dif­fu­sion

par In­ter­net… ( Etc.) L’IMT- 2020 ( 5G) Pro­mo­tion Group, un or­ga­nisme gou­ver­ne­men­tal chi­nois qui s’oc­cupe de la co­or­di­na­tion de la 5G en Chine, a ain­si es­ti­mé que si le tra­fic mo­bile glo­bal avait été mul­ti­plié par deux cents entre 2010 et 2020, il le se­rait en­core par cent entre 2020 et 2030, une es­ti­ma­tion re­prise par l’UIT, l’Union In­ter­na­tio­nale des Té­lé­com­mu­ni­ca­tions. Dans les centre- villes des mé­tro­poles et les quar­tiers d’af­faires, l’aug­men­ta­tion des dé­bits pour­rait être en­core plus im­por­tante. À l’ins­tar du tra­fic fixe, le tra­fic mo­bile est for­te­ment asy­mé­trique : les vo­lumes des­cen­dants ( ré­seau → ter­mi­nal) dé­passent de beau­coup les vo­lumes as­cen­dants. La trans­mis­sion de vi­déos UHD, par exemple, même com­pres­sée en H. 265, re­quiert des dé­bits de plu­sieurs cen­taines de mé­ga­bits par se­conde. L’autre fac­teur an­ti­ci­pé de crois­sance du tra­fic est l’ex­plo­sion de « l’In­ter­net des objets » . Cer­tains ex­perts pro­phé­tisent une mul­ti­pli­ca­tion ex­po­nen­tielle des cap­teurs connec­tés – leur nombre pour­rait at­teindre cent mil­liards à terme. Même si cette pré­vi­sion pa­raît quelque peu ir­réa­liste, les rai­sons de cette dé­fer­lante sont bien connues. On peut ci­ter [ 2] : • les « smart grids » et le sui­vi des in­fra­struc­tures es­sen­tielles ; • les cap­teurs en­vi­ron­ne­men­taux ( qua­li­té de l’air, de l’eau, ni­veau sonore…) ; • l’agri­cul­ture connec­tée ; • les objets por­tables ( wea­rables) comme les montres connec­tées ;

• la sur­veillance vi­déo ; • le contrôle in­dus­triel ; • les « smart ci­ties » ; • les fu­turs vé­hi­cules

au­to­nomes. Se­lon [ 1], on comp­tait dé­jà 526 mil­lions de wea­rable de­vices en 2017, dont en­vi­ron vingt pos­sé­daient un ac­cès GSM au­to­nome. Il n’est ce­pen­dant pas certain que ce seg­ment se dé­ve­loppe aus­si vite que la sur­veillance vi­déo, par exemple.

Des be­soins di­vers… et contra­dic­toires

Par­mi les uti­li­sa­tions en­vi­sa­gées de la 5G, cer­taines sont peu contrai­gnantes : la sur­veillance de la qua­li­té de l’air, par exemple, se contente d’un dé­bit faible et d’une la­tence quel­conque. Cer­taines ont be­soin d’une forte bande pas­sante, comme la dif­fu­sion vi­déo, par exemple ; d’autres en­core ont be­soin d’une la­tence ex­trê­me­ment faible : c’est le cas de la conduite au­to­nome ; d’autres, en­fin, comme les jeux vi­déo, exigent des performanc­es maxi­males, aus­si bien en bande pas­sante qu’en la­tence. Le ser­vice 5G doit aus­si s’ac­com­mo­der de l’usage à bord des trains à grande vi­tesse où les té­lé­phones se dé­placent par­fois à 400 km/ h, ou sa­voir gé­rer l’en­semble des smart­phones des spec­ta­teurs d’un match de foot­ball, avec une den­si­té de connexions dé­pas­sant le mil­lion par ki­lo­mètre car­ré. À l’op­po­sé, dans les mi­lieux ru­raux, la 5G est at­ten­due comme sub­sti­tut au ré­seau fixe pour amener l’In­ter­net haut dé­bit jus­qu’aux ha­meaux les plus iso­lés, à l’ins­tar de ce que cer­tains opé­ra­teurs pro­posent dé­jà sous le nom de « Box 4G » . Il est très dif­fi­cile, voire impossible, de sa­tis­faire toutes ces condi­tions, dont cer­taines sont contra­dic­toires, en uti­li­sant une tech­no­lo­gie unique. La 5G of­fri­ra donc un en­semble de ré­ponses tech­no­lo­giques, et les opé­ra­teurs dé­ci­de­ront la­quelle im­plé­men­ter se­lon le contexte : mi­lieu ru­ral, ur­bain pé­ri­phé­rique, ur­bain dense, hots­pot ou intérieur. La prin­ci­pale va­riable d’ajus­te­ment iden­ti­fiée est la fré­quence de fonc­tion­ne­ment. Les bandes al­louées à la 5G se di­visent en deux ré­gions dis­tinctes : en- des­sous et au- des­sus du 6 GHz. Les fré­quences in­fé­rieures bé­né­fi­cient de condi­tions de pro­pa­ga­tion re­la­ti­ve­ment bonnes, par­ti­cu­liè­re­ment sur ter­rain plat, ce qui per­met de consti­tuer des cel­lules as­sez larges et convient bien en mi­lieu ru­ral, où on ne peut ins­tal­ler des an­tennes tous les ki­lo­mètres ; les ré­seaux 4G ac­tuels fonc­tionnent d’ailleurs tous en- des­sous de 3 GHz.

À l’in­verse, les fré­quences au- de­là du 6 GHz s’at­té­nuent ra­pi­de­ment, et ne per­mettent que des liai­sons courtes, voire ul­tra- courtes au- de­là des 30 GHz ; en contre­par­tie, la taille des an­tennes est faible ( quelques cen­ti­mètres), ce qui per­met d’ins­tal­ler de nom­breux re­lais dans des tis­sus ur­bains denses avec un im­pact vi­suel qua­si- nul. Les équi­pe­ments 5G se­ront donc non seule­ment sé­pa­rés « fré­quen­tiel­le­ment » , mais aus­si « géo­gra­phi­que­ment » : les hautes fré­quences se­ront uti­li­sées en ville, les basses en mi­lieu moins ur­ba­ni­sé. Pour as­su­rer le dé­bit qu’on lui de­mande ( 10 Gbps sur un smart­phone !) la 5G ne peut qu’être gourmande en bande pas­sante. Les études montrent que de tels dé­bits, à des­ti­na­tion d’un pu­blic aus­si large et va­rié, né­ces­sitent de ré­ser­ver au moins 2 GHz dans les « bandes basses » (< 6 GHz), soit la ba­ga­telle de 33 % de tout l’es­pace hert­zien entre 0 et 6 GHz. Or, il faut bien comprendre que le spectre ra­dio­élec­trique est une res­source li­mi­tée, par­ta­gée et non re­nou­ve­lable : une bande de fré­quences at­tri­buée à une uti­li­sa­tion n’est – en général – pas uti­li­sable si­mul­ta­né­ment dans le cadre d’une autre ap­pli­ca­tion. La vo­ra­ci­té des opé­ra­teurs de té­lé­com­mu­ni­ca­tion fait donc grin­cer des dents, en par­ti­cu­lier chez les mi­li­taires, qui avaient l’ha­bi­tude de ré­ser­ver à l’avance de larges bandes sous cou­vert d’in­té­rêt na­tio­nal, et de ne ja­mais les rendre ; on peut com­pa­rer cette fa­çon de faire aux quelques ma­jors de l’in­for­ma­tique qui pos­sèdent un / 8 et ne veulent pas s’en sé­pa­rer…

Gé­rer les bonnes fré­quences

Avant les pre­miers dé­ploie­ments fran­çais, l’ANFr, et les autres ré­gu­la­teurs na­tio­naux, de­vront donc dé­ga­ger de l’es­pace ra­dio­élec­trique en ar­bi­trant les be­soins des opé­ra­teurs, des mi­li­taires et des autres uti­li­sa­teurs ci­vils comme la ra­dio- té­lé­dif­fu­sion, l’aviation, les ra­dars di­vers ( aé­riens, mé­téo…), etc. Dans ces condi­tions, il n’est pas certain que les États sa­tis­fassent to­ta­le­ment les be­soins en fré­quences du nou­veau sys­tème, et les bandes al­louées sous les 6 GHz ne se­ront pas har­mo­ni­sées entre pays. Pour pal­lier cette fu­ture ca­rence, les opé­ra­teurs en­vi­sagent de re­cou­rir au re­far­ming, c’est- à- dire de re­con­ver­tir les ac­tuelles bandes 2G vers la nou­velle 5G. Au- des­sus du 6 GHz, la si­tua­tion est moins cri­tique, d’au­tant que les fré­quences en­vi­sa­gées pour la 5G se si­tuent entre 32 et 33 GHz, 40 et 76 GHz, puis entre 81 et 86 GHz. Ces trente gi­ga­hertz ne se­ront pas tous al­loués pour la 5G, mais celle- ci de­vrait ce­pen­dant se tailler la part du lion dans une zone du spectre où, de toute fa­çon, les uti­li­sa­teurs po­ten­tielles ne sont pas lé­gion. Cer­taines de ces bandes ne se­ront pas non plus à usage exclusif de la té­lé­pho­nie mo­bile, mais comme la por­tée des trans­mis­sions n’ex­cé­de­ra pas quelques cen­taines de mètres tout au plus, un choix per­ti­nent de la position des re­lais pour­ra ré­soudre le s pro­blèmes d’in­ter fé­rence. Les bases de don­nées

géo­lo­ca­li­sées qui en­re­gistrent les co­or­don­nées et les fré­quences de tous les re­lais ins­tal­lés as­su­re­ront une co­or­di­na­tion entre les dif­fé­rents uti­li­sa­teurs.

L’OFDM pas­se­ra la main à… l’OFDM !

L’autre grand dé­bat au­tour de la 5G consis­tait à sa­voir s’il fal­lait conti­nuer à uti­li­ser la mo­du­la­tion ra­dio uti­li­sée par la 4G, à sa­voir l’OFDM. L’Or­tho­go­nal Fre­quen­cy- Di­vi­son Mul­ti­plexing est une tech­no­lo­gie per­for­mante de trans­mis­sion de don­nées à haut dé­bit et faible coût uti­li­sée non seule­ment par la 4G, mais aus­si par la té­lé­dif­fu­sion nu­mé­rique. Son avan­tage prin­ci­pal ré­side dans la sim­pli­ci­té de son co­dec ( lire en­ca­dré). Un autre avan­tage de l’OFDM est sa ré­sis­tance aux condi­tions de pro­pa­ga­tion dif­fi­ciles, im­pos­sibles à évi­ter en ville. L’émet­teur in­sère un pré­am­bule connu ( cy­clic pre­fix) au dé­but de chaque pa­quet. Le ré­cep­teur com­pare alors le pré­am­bule re­çu à sa va­leur théo­rique, et en dé­duit une es­ti­ma­tion des condi­tions de pro­pa­ga­tion sous forme d’une fonc­tion ma­thé­ma­tique qu’il ap­plique en­suite au reste du message pour le cor­ri­ger à la volée. L’OFDM n’est ce­pen­dant pas par­fait : les dé­ca­lages en fré­quence af­fectent l’or­tho­go­na­li­té des sous- por­teuses et provoquent des in­ter­fé­rences ; il faut uti­li­ser des hor­loges pré­cises, et ne pas se dé­pla­cer trop vite en rai­son de l’ef­fet Dop­pler. De plus, la puissance émise fluc­tue for­te­ment, ce qui im­plique de devoir créer des am­pli­fi­ca­teurs li­néaires à grande dy­na­mique, d’où une com­plexi­té ac­crue, une ef­fi­ca­ci­té ré­duite, da­van­tage de cou­rant consom­mé et donc une du­rée de vie de la bat­te­rie di­mi­nuée d’au­tant. Mal­gré ce bilan mi­ti­gé, l’OFDM a ga­gné la ba­taille pour la 5G. Pour mieux uti­li­ser la bande pas­sante dis­po­nible, les dé­bits se­ront adap­tés en fonc­tion de la fré­quence uti­li­sée ( on parle de « nu­mé­ro­lo­gie » ) , les bandes hautes pous­se­ront les don­nées plus vite que les bandes basses. La taille des pa­quets de­meu­rant fixe, ce­la si­gni­fie éga­le­ment que les bandes hautes of­fri­ront une la­tence plus faible. Un dés­équi­libre qu’il se­ra peut- être pos­sible de compenser par­tiel­le­ment en au­to­ri­sant les sta­tions à émettre plu­sieurs si­gnaux OFDM sur la même fré­quence, par exemple un à faible la­tence, et un autre à dé­bit im­por­tant, sous cou­vert de pou­voir trai­ter les in­ter­fé­rences ré­sul­tantes [ 3].

Le MIMO en ap­point

La der­nière arme dans la be­sace des concep­teurs de la 5G pour gé­rer les cen­taines de mil­liers de connexions par ki­lo­mètre car­ré des fu­turs hots­pots ur­bains s’ap­pelle le MIMO, l’acro­nyme de Mul­tiple In­put, Mul­tiple Out­put. Le concept n’est pas neuf, puisque Free l’avait dé­jà mis en avant pour les connexions Wi­Fi de ses Free­box HD. Cette tech­nique s’ap­puie sur la « di­ver­si­té spa­tiale » : la sta­tion de base est équi­pée de mul­tiples an­tennes – dis­po­sées d’ailleurs d’une fa­çon quel­conque. Cette re­don­dance est ex­ploi­table de plu­sieurs fa­çons, de­puis la simple écoute si­mul­ta­née sur chaque an­tenne, qui per­met d’amé­lio­rer le ni­veau de ré­cep­tion en jouant sur la mul­ti­pli­ci­té des si­gnaux re­çus, jus­qu’au beam for­ming, la pos­si­bi­li­té de « concen­trer » le faisceau d’ondes dans la di­rec­tion du mo­bile avec le­quel la base sou­haite com­mu­ni­quer, ce qui as­sure à la fois une meilleure ré­cep­tion côté mo­bile, et une cer­taine confi­den­tia­li­té.

Conclu­sion

Les défis tech­niques à sur­mon­ter pour as­su­rer la couverture ho­mo­gène du ter­ri­toire en 5G sont nom­breux. La qua­li­té de ser­vice ne se­ra de toute fa­çon ja­mais la même en mi­lieu ur­bain et en mi­lieu ru­ral, où les be­soins dif­fèrent. Les tech­niques ra­dio- élec­triques mises en oeuvre peuvent pa­raître com­plexes, mais le déploiemen­t des ré­seaux fixes ca­pil­laires qui vien­dront nour­rir les sta­tions de base est un pro­blème tout aus­si cru­cial et dif­fi­cile à ré­soudre. Avec l’ar­ri­vée des mi­cro- cel­lules ur­baines, le nombre de rou­teurs risque d’ex­plo­ser. Cis­co et les autres fa­bri­cants d’équi­pe­ments de rou­tage doivent dé­jà se frot­ter les mains. ❍

Les performanc­es at­ten­dues avec la 5G en com­pa­rai­son des ni­veaux ac­tuels of­ferts par la 4G

La tech­no­lo­gie MIMO ( Mul­tiple In­put Mul­tiple Out­put) per­met à la sta­tion de base de di­ri­ger ses si­gnaux vers le mo­bile au­quel elle s’adresse. D’après [ 2].]

Newspapers in French

Newspapers from France

© PressReader. All rights reserved.