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Perspective - Réseaux du Futur

La 5G : Le Réseau des réseaux

19 févr. 2018

Bien plus qu’un nouveau standard de communications mobiles, la 5G sera une toile entièrement nouvelle pour l’IoT
5G will not just be a new and even more powerful mobile communications standard
Être « au coeur de l’action et pas simple spectateur ». Tel est le slogan d’une chaîne de sport allemande. C’est aussi la réalité aux Jeux Olympiques d’hiver de Pyeongchang. Lorsque les sauteurs à skis descendent la rampe précédant le tremplin ou que les bobsleighs foncent sur la piste, les téléspectateurs suivent l’action vue de la perspective du sportif et vivent l’événement au plus près grâce à de minuscules caméras installées sur les casques des athlètes et au 5G.
Le fournisseur de télécommunications mobiles sud-coréen Korea Telecom et ses partenaires Intel et Samsung ont connecté les sites olympiques et d’autres zones d’accès à l’aide d’un réseau de communication 5G auxquels les parties prenantes des Jeux olympiques, sportifs ou employés des chaînes de télévision pouvaient se connecter... Les techniques modernes permettent non seulement la diffusion en direct de vidéos de haute qualité directement sur internet. Grâce à des caméras à angle de 360 degrés, les téléspectateurs portant des lunettes à réalité virtuelle peuvent suivre en temps réel ce qui se passe tout autour de l’athlète.

De la 1G à la 5G : Un bond technologique tous les dix ans

Pyeongchang sonne le lancement médiatique de la technologie 5G. Les sauts technologiques ont tendance à se produire à intervalles réguliers ; c’est notamment le cas pour ce qui est des communications mobiles. En 1990, la 2G a remplacé le standard de première génération et a ouvert la voie au textage. En 2000, la 3G a permis de surfer sur Internet sur les téléphones mobiles. En 2010, la 4G a permis aux utilisateurs de smartphones d’accéder aux contenus multimédias grâce à des connexions internet à large bande. Le lancement commercial mondial de la cinquième génération technologique en matière de communications mobiles est prévu pour 2020. Mais la 5G représente bien plus encore qu’un simple bond technologique.
La 5G, terme dès à présent sur toutes les lèvres à l’instar d’autres abréviations telles que HD, 3D, 4K ou IoT, est à la fois un nouveau standard technologique et une nouvelle infrastructure de réseau. Un nouveau standard est en cours de préparation. Lors du 2017 Mobile World Congress de Barcelone, l’International Telecommunication Union (ITU) a présenté les premières caractéristiques techniques et un calendrier pour la 5G sur lesquels les Nations unies s’étaient entendues.

D’immenses exigences envers le réseau de l’avenir

La 5G va faire passer les performances des communications mobiles à un niveau supérieur. Les exigences les plus importantes seront placées devant l’Internet des Objets. Les deux milliards de smartphones qui selon les prévisions d’IDC (IDC forecast) utiliseront l’Internet mobile en 2020 seront rejoints par un nombre d’appareils connectés, véhicules et machines communiquant les unes avec les autres, avec le nuage et avec les usagers pouvant aller jusqu’à 50 milliards.
Un réseau de communication capable de s’adapter à tous les scénarios actuels et surtout futurs doit être suffisamment puissant. Prenons l’exemple des vitesses de transmission. L’ITU veut transmettre des vitesses de données de 10 gigabits par seconde et télécharger 20 gigabits par seconde maximum pour un seul mât de communications mobiles, dans des conditions idéales. Pour comparaison, les clients utilisant la 4G LTE Advanced, peuvent atteindre environ 300 Mbit/s. Lors des examens en laboratoire et des essais pilotes
dans le réseau réel, les opérateurs mobiles ont dépassé 1 gigabit par seconde pour la première fois en août 2016.
Avec de 10 à 20 fois la largeur de bandes de la 5G à fournir, des scénarios tels que la réalité augmentée et virtuelle (Virtual and Augmented Reality) ou le streaming vidéo permanent en haute définition dans les trains et véhicules particuliers seront réalisables pour la première fois.

 

Prenons maintenant l’exemple des temps de latence. Dans un réseau 5G, selon l’ITU, le temps de latence, c’est-à-dire le temps que prend une information pour aller de l’expéditeur au destinataire, ne peut dépasser une milliseconde pour les applications les plus exigeantes en matière de rapidité. Cela fait que les signaux de transmission peuvent frôler l’instantané pour contrôler des infrastructures cruciales comme l’alimentation en énergie ou en cas de catastrophe naturelle par exemple.
Le second sujet important est celui de la densité de connexion. Si les cellules de communication atteignent dès maintenant leurs limites avec les grandes foules, la communication sans câble devrait atteindre son point d’étranglement avec 50 ou 100 milliards d’objets connectés. Selon les prévisions, la 5G devrait apporter la qualité de service (QoS) attendue pour un million d’appareils par kilomètre carré en même temps, soit 1000 fois la capacité des cellules radio actuelles.

 

Les caractéristiques de l’ITU pour la 5G posent aussi des exigences poussées devant le réseau et les appareils devant accepter divers modes de sauvegarde lorsque les transferts de données sont inactifs. La fiabilité (c’est-à-dire la probabilité pour qu’un paquet d’une taille donnée soit transmis en un temps donné) sera réglementée tout comme le seront la couverture et le débit de données maximum, avec une qualité de service uniforme quelle que soit la vitesse de déplacement de l’usager, c’est-à-dire qu’il se déplace à pieds (jusqu’à dix km/h) en voiture (jusqu’à 120 km/h), en train (jusqu’à 500 km/h) ou en avion (jusqu’à 1000 km/h).
La 5G ne nécessitera pas seulement un nouvel environnement technique mais aussi une nouvelle infrastructure de réseau. Le réseau 5G devra s’avérer le plus souple possible afin de pouvoir parer à toutes les éventualités. Les fournisseurs utilisent différentes techniques pour que leurs réseaux soient suffisamment intelligents. Une combinaison de réseau partagé de transmission des données (Software-Defined Networking [SDN]) et de virtualisation de fonctions de réseau (Network Functions Virtualization [NFV]) fait que les flux de données peuvent être canalisés et contrôlés de manière centrale en se basant sur un logiciel et non plus sur du matériel.
Ce n’est plus le matériel qui décide quelle technologie sans fil et quel canal utiliser pour transmettre les données, mais le logiciel. Or un logiciel s’actualise facilement. Là où auparavant il fallait remplacer un appareil, il nous suffit donc maintenant de réactualiser un programme.

Le bon réseau pour chaque application

Un réseau 5G peut par exemple fournir du contenu en provenance d’Internet et des services privilégiés avec qualité de service et sécurité de données pour applications spéciales. Le tranchage de réseau (Network slicing) joue ici un rôle central. Selon les exigences en matière de taux de données, de vitesse et de capacité, l’infrastructure de réseau 5G network va offrir à chaque personne et chaque application une connexion taillée sur mesure, sa « tranche de réseau juste pour elle ».
Pour ce faire, les réseaux 5G prévus intègrent différentes technologies ; non seulement les derniers standards 5G mais aussi les réseaux terrestres (fibre optique et câble cuivre), les réseaux sans câble tels que le WLAN, les nouveaux mobiles standards comme l’IdO à bande étroite (NarrowBand IoT) et bien entendu les standards existants comme le LTE. Cela signifie que les opérateurs de réseau ne sont plus obligés de configurer de nouvelles stations de base apportant une couverture exhaustive, puisqu’ils peuvent simplement actualiser le matériel de transmission existant grâce à la technologie moderne. Une des potentielles largeurs de bande pour la 5G dépasse cependant les 3 GHz. La gamme se réduit rapidement avec chaque gigahertz, ce qui implique d’augmenter d’autant le nombre de mâts de transmission. Pour une couverture nationale, donc, les opérateurs de réseau devraient revenir à la 4G pour une période illimitée, la « véritable » 5G étant dans un premier temps réservée aux zones métropolitaines.

Lancement en 2020, des recherches d’ici là

En décembre 2017, l’agence de normalisation 3GPP a établi une première étape des normes de la 5G. Le NSA 5G NR (de l’anglais Non-Standalone 5G New Radio) permet l’utilisation des infrastructures LTE existantes. Le recours à des outils tels que l’Enhanced Mobile Broadband (eMBB), des taux de données plus importants et des temps de latence réduits peuvent être rendus possibles avec le canal de données LTE. La 3GPP prévoit de finaliser les normes NSA 5G NR à la mi-2018.
De premiers réseaux pilotes sont prévus pour la fin 2018. Les premières largeurs de bandes devraient être disponibles en 2019. L’approbation d’une nouvelle norme par l’ITU et la 3GPP ainsi que les premières applications commerciales sont quant à elles prévues pour la fin 2020. D’ici là les recherches continuent, et les projets 5G vont tourner à plein régime.

La course au leadership technologique

L’Asie est comme on pouvait s’y attendre parmi les fers de lances, et les Jeux olympiques jouent un rôle de premier plan comme dans le cas des innovations technologiques antérieures. Après la Corée du sud, c’est le Japon qui va pleinement s’appuyer sur la 5G lors des Jeux olympiques d’été en 2020 à Tokyo, tout comme la Chine avec les Jeux olympiques d’hiver à Pékin en 2022. Les fournisseurs américains principaux font avancer l’innovation tout comme leurs homologues européens. L’UE a en effet lancé le 5G for Europe Action Plan pour réglementer et avant tout coordonner les développements et faire tout cela avec une efficacité supérieure à celle qui a caractérisé le déploiement de la LTE en Europe.
L’Allemagne entend jouer un rôle de premier plan en matière de 5G, Berlin en tête. Dans le 5G-Testfeld, initié par le Sénat de Berlin, le Fraunhofer Institute for Telecommunications entre autres propose aux opérateurs de réseau et aux entreprises l’opportunité d’essayer les réseaux et services 5G. Pour goûter la 5G en conditions réelles, les chercheurs utilisent des transmetteurs de Software-Defined Radio (SDR). Le matériel SDR consiste en un transmetteur et des convertisseurs analogues ou numériques. Le traitement du signal est contrôlé par logiciel de manière à ce qu’un module sans fil puisse maîtriser différentes fréquences et alterner entre LTE, WLAN ou 5G sans que le matériel ait à être remplacé.
Le fournisseur de réseau Nokia et Deutsche Telekom ont mis au point un autre banc d’essais sur le port d’Hambourg. Une antenne 5G haute de 150 mètres sur la tour de la télévision d’Hambourg (5G antenna 150 meters up on the Hamburg TV Tower) fournit à une zone portuaire de 8000 mètres carrés des communications mobiles en 5G. La 5G est utilisée pour contrôler les feux de signalisation et recueillir des données environnementales, tandis que les applications Réalité Virtuelle servent à surveiller les sites de construction. Les sociétés partenaires essaient de déterminer si ces différentes exigences peuvent être remplies de manière fiable sur un réseau unique grâce au tranchage de réseau.