Présentation: Connectivité de masse à l’ère de la 5G

La cinquième génération de réseaux mobiles (5G) est sur le point de permettre l’avènement d’un monde entièrement connecté. Avec l’augmentation spectaculaire des débits de données et du nombre d’appareils connectés, nous pourrons bientôt profiter d’une communication étendue entre les appareils (Figure 1) et ne plus nous limiter à la communication utilisateur-utilisateur et utilisateur-appareil. D’ici 2025, la 5G devrait permettre de connecter 25 milliards d’appareils, un chiffre considérable.¹

La 5G, qui peut être considérée comme une superposition du réseau 4G existant, marque non seulement une évolution des réseaux cellulaires, mais aussi une intégration avec des réseaux de communication tels que le Wi-Fi et la télémétrie (tableau 1). Selon la Next Generation Mobile Networks (NGMN) Alliance, « la 5G est un écosystème de bout en bout qui permettra de créer une société entièrement mobile et connectée. Elle permet la création de valeur pour les clients et les partenaires, au travers de cas d’utilisation existants et émergents, tout en offrant une expérience cohérente, et favorise la mise en place de modèles d’affaires durables. »² Dans un avenir proche, nous pourrions tirer des avantages majeurs
de l’intégration quasiment omniprésente de la connectivité 5G : vous pouvez essayer virtuellement des vêtements et faire des achats chez vous à l’aide de casques de réalité virtuelle (VR) ; votre véhicule autonome peut naviguer seul et vous conduire à votre restaurant préféré pour le dîner ; votre thermostat peut préchauffer / prérefroidir votre domicile à une température souhaitée en récupérant l’heure d’arrivée de votre voiture, ainsi que les conditions météorologiques actuelles et prévues. 

Une connectivité avancée et fiable est l’un des facteurs les plus importants pour permettre la mise en place de cas d’utilisation reposant sur la 5G, lesquels peuvent être regroupés en trois catégories (Figure 2). 

L’eMBB (Enhanced Mobile Broadband, haut débit mobile amélioré) se concentre sur la fourniture de services qui présentent des exigences élevées en matière de bande passante, en fonction de la demande des utilisateurs en faveur d’un mode de vie de plus en plus numérique. Les applications typiques incluent la réalité virtuelle (RV) et la réalité augmentée (RA), la vidéo 8K et la vidéo 3D. Les cas d’utilisation de l’eMBB devraient connaître une croissance rapide, sous l’impulsion des pays de la région Asie-Pacifique, notamment la  Corée du Sud et le Japon, hôtes des Jeux olympiques. Les récents Jeux olympiques d’hiver de 2018 à Pyeongchang se présentent comme l’un des premiers environnements non testeurs d’un réseau 5G de l’industrie. Le projet pilote comprenait une couverture RV en direct ou à la demande pour 30 événements, alimentée par la couverture omniprésente de la 5G sur les sites, ainsi qu’une faible latence pour permettre un contrôle en temps réel.

L’uRLLC (Ultra-Reliable and Low-Latency Communications, communications ultra-fiables à faible latence) vise à répondre aux exigences de l’industrie numérique et se concentre sur les services sensibles à la latence. Les applications typiques

comprennent les véhicules autonomes, les systèmes de transport public et de masse, les drones, les soins de santé à distance, la surveillance et le contrôle des réseaux intelligents. La latence peut également être critique pour les cas d’utilisation de la RV dans le cloud, où des latences inférieures à la milliseconde seront importantes pour garantir une expérience utilisateur convaincante. 

Le mMTC (massive Machine Type Communications, communications massives de type machine) vise à répondre aux besoins d’une société numérique plus développée et se concentre sur les services qui imposent des exigences élevées en matière de densité de connexion, car l’élargissement de la portée des services pour les réseaux mobiles enrichit également le réseau de télécommunications. Les applications typiques comprennent les villes intelligentes, l’automatisation industrielle et l’agriculture.

La 5G devrait permettre une amélioration considérable des performances dans les domaines suivants : une plus grande capacité, une latence plus faible, une plus grande mobilité, une plus grande précision de la localisation du terminal, une fiabilité et une disponibilité accrues. ⁸ En tant que ressource essentielle mais rare à l’ère de la 5G, le spectre dans trois gammes de fréquences clés, chacune dotée de caractéristiques uniques, devrait offrir une couverture étendue et prendre en charge tous les cas d’utilisation de la 5G : inférieure à 1 GHz, entre 1 et 6 GHz et au-dessus de 6 GHz. Les deux premiers sont souvent désignées par l’expression sub-6 GHz. 

Ceci est important car le trafic de données cellulaires continue d’augmenter et l’eMBB est appelé à devenir la principale proposition de valeur pour le consommateur. Nous nous attendons à ce que les États-Unis et la Chine mènent tous deux la première vague de déploiements de la 5G, et ce avec des approches différentes. La Chine, à notre avis, concentrera les déploiements initiaux dans la bande C (3 à 5 GHz), en ciblant les cas d’utilisation IoT. Les États-Unis, quant à eux, concentreront les déploiements initiaux sur l’accès sans fil fixe par le biais du spectre de fréquences mmWave (au-dessus de 24 GHz) ainsi que dans les bandes basses (600 MHz).

À long terme, nous pensons que le spectre de la bande C pourrait avoir des difficultés à fournir un haut débit mobile amélioré en raison de ses limites en matière d’efficacité spectrale et d’amélioration des capacités du système, et de sa latence inférieure à 10 ms. Pour répondre aux exigences relatives aux grandes bandes passantes contiguës, les bandes mmWave devront peut-être être envisagées.

Ces bandes peuvent prendre en charge de fortes augmentations de capacité pour les applications à large bande passante. En outre, grâce à des techniques telles que la formation d’un faisceau, les signaux sans fil pourraient être rendus hautement directionnels sans provoquer beaucoup d’interférences, ce qui permettrait d’améliorer l’efficacité spectrale. Cependant, avec l’augmentation de la fréquence porteuse, l’affaiblissement sur le trajet et l’affaiblissement par diffraction deviennent plus importants, et les effets atmosphériques doivent être pris en compte.

Actuellement, il existe un grand nombre de tests préliminaires de la 5G dans le monde qui utilisent différentes bandes de fréquences, en particulier 3,5 GHz et 26/28 GHz. Dans plus de 30 régions, il est prévu d’attribuer des fréquences dans deux bandes au cours des deux prochaines années. (Figure 3).

Un grand nombre de fréquences sont nécessaires pour fournir des augmentations massives de la capacité afin d’atteindre des vitesses plus élevées et une latence plus faible.  Ainsi, les architectures modernisées et de nouveaux progrès dans les technologies de connexion devraient contribuer à la réalisation du plein potentiel de la 5G (Figure 4). Trois changements architecturaux clés ont un impact sur la connectivité 5G.

1. Adoption de systèmes d’antennes actives massives (AAS) MIMO (Minimum-input Minimum-Output). L’écosystème 5G devrait prendre en charge les réseaux à haute densité en ajoutant de nouvelles fonctionnalités aux radios et à la configuration globale du système. La combinaison traditionnelle dans les réseaux 3G/4G d’une tête radio distante connectée à une antenne externe sera étendue par des systèmes d’antennes actives (AAS) ou des antennes en réseau à commande de phase avec des éléments d’antenne massifs (APAA massives) (Figure 5), dans lesquels l’électronique sera intégrée au système d’antenne et fonctionnera sur une large gamme de fréquences (600 MHz à 28 GHz et plus). Ce système primaire sera soutenu par des systèmes complémentaires dans les zones denses (Figure 6). Ces systèmes complémentaires comporteront un grand nombre d’antennes pour prendre en charge le MIMO multi-utilisateurs (MU-MIMO). Ces éléments d’antenne comporteront leur propre électronique de commande, ce qui nécessitera de nouvelles solutions de connectivité . Les fréquences supérieures à 6 GHz seront principalement prises en charge par des systèmes hautement intégrés . Ces circuits intégrés de radiofréquence (RFIC) comportent souvent des antennes intégrées sur la surface supérieure du chipset.

Les systèmes d’antennes actives massives 5G devraient accroître la complexité des systèmes, exiger une plus grande miniaturisation des antennes et une plus grande intégration des antennes avec les filtres et les amplificateurs de puissance. En tant que fournisseur de solutions d’antennes intégrées personnalisées, TE offre un large éventail de solutions d’antennes personnalisées qui pourraient s’adapter aux contraintes mécaniques de votre application et permettre la conception et la fabrication d’antennes conformes aux exigences de fonctionnement les plus strictes. De plus, les solutions d’entrée/sortie (E/S) à haute vitesse, de connecteurs internes et de câblage, les solutions coaxiales RF rentables et les modules d’antenne de TE sont tous bien adaptés à la prochaine génération de systèmes d’antenne.

2. Adoption d’une nouvelle technologie de transmission par liaison frontale. La 5G apportera une très grande capacité. C’est pourquoi il faudra probablement mettre à niveau le réseau de liaison frontale vers l’unité de traitement en bande de base (BBU), le réseau de liaison arrière et le réseau de transport pour répondre aux besoins croissants en matière de trafic. Nous nous attendons à voir une plus grande connectivité optique à haut débit dans l’ensemble du réseau, avec le portefeuille d’E/S à haut débit de TE, y compris les connecteurs SFP28, QSFP28 et FullAXS comme solutions possibles de connectivité denses et à haut débit. Les petites cellules seront un élément clé de l’ère de la 5G. Elles augmenteront la densité du réseau et apporteront des solutions à courte portée, utilisant potentiellement les technologies sub-6 GHz et mmWave. Pour les déploiements inférieurs à 6 GHz , TE dispose d’un vaste portefeuille d’antennes et de produits qui protègent contre les interférences électromagnétiques (EMI). Une pénétration plus profonde de la fibre (plus proche de l’emplacement des petites cellules ) peut également être nécessaire pour acheminer via une liaison arrière le trafic à partir des petites cellules en utilisant notre portefeuille de produits à haut débit.

3. L’adoption du C-RAN. Dans les réseaux 5G, les concepts de type cloud appliqués à la fois au réseau d’accès radio et au réseau central

devraient connaître une plus grande utilisation. C-RAN (Cloud RAN) se concentrera à la fois sur la centralisation des BBU et sur l’adoption de technologies cloud telles que la virtualisation. La phase de centralisation consiste à déplacer la BBU vers un emplacement commun qui dessert plusieurs tours, ce qui réduit considérablement le coût du terrain, de l’alimentation, du refroidissement et des dépenses opérationnelles. La phase cloud virtualise les BBU matérielles, ce qui leur permet de s’exécuter sur des serveurs commerciaux prêts à l’emploi. La mise en commun des BBU ainsi que l’adoption des technologies cloud - SDN (Software-Defined Network, réseau à définition logicielle), NFV (Network Functions Virtualization, virtualisation des fonctions réseau), découpage et virtualisation du réseau – nécessiteront toujours des solutions de connectivité haut débit, à forts volumes de données, de haute densité, à la fois fiables et robustes. 

Les solutions de connectivité de TE, qui sont utiles pour les stations de base et le transport optique, repoussent les limites de la vitesse et de la bande passante dans les architectures actuelles et répondent à des exigences complexes en matière de débits de données, de signal et de puissance des réseaux mobiles 5G émergents. En plus de notre savoir-faire en matière d’antennes, nos solutions carte-à-carte et câblées à grande vitesse offrent une largeur de bande passante accrue pour les fonds de panier et les cartes intermédiaires. Nous pouvons tirer parti de notre savoir-faire dans le domaine des centres de données et de la technologie cloud pour fournir des solutions d’E/S à haut débit, des solutions câblées à haut débit, des solutions carte-à-carte à grande vitesse et des solutions d’alimentation.

Dans un contexte de débats et de ramifications inconnues pour l’ensemble du secteur, l’industrie du mobile devrait franchir de nombreuses étapes d’ici 2025, et notamment accomplir des progrès majeurs dans le domaine de la 5G avec des lancements commerciaux prévus aux États-Unis en 2018 et sur les principaux marchés d’Asie, d’Amérique du Nord et d’Europe au cours des trois prochaines années11 (tableau 2). L’approbation officielle des spécifications de la nouvelle radio 5G non autonome (NSA 5G NR) en décembre 2017, ainsi que les débuts commerciaux de la 5G aux Jeux olympiques d’hiver de Pyeongchang en 2018 marquent tous deux la volonté de bâtir un avenir fondé sur la 5G. 

La 5G a occupé le devant de la scène au Mobile World Congress (MWC) 2018 en tant que nouvelle technologie passionnante et imminente. Les principaux fabricants d’équipements ont tous annoncé des dizaines de produits innovants : Huawei a dévoilé son premier équipement commercial 5G pour les locaux des clients (CPE), un terminal prenant en charge les normes 3GPP 5G avec un chipset Balong 5G01 développé par Huawei, dans le cadre de sa solution 5G de bout en bout ; Ericsson a présenté une latence très faible de la 5G (seulement 6 millisecondes) ; Intel a présenté le premier PC conceptuel 2-en-1 compatible avec la 5G ; Samsung a annoncé que sa solution 5G complète d’accès sans fil fixe (FWA) commerciale était devenue la première au monde à recevoir l’approbation de la Federal Communications Commission (FCC) des États-Unis.