5G : À quoi ressemble l’avenir des réseaux mobiles ?

La 4G actuellement utilisée à travers le monde reprend certaines bases de standards très anciens, à l’image du GSM qui date du tout début des années 1990. Depuis, les usages se sont énormément diversifiés, puisqu’on a connu, parallèlement aux appels téléphoniques, l’arrivée des SMS, des MMS puis d’Internet mobile.

C’est surtout depuis l’apparition des smartphones que les réseaux des opérateurs commencent à être saturés et ne peuvent plus répondre à la demande croissante des clients. Depuis quelques années, on assiste aussi à la multiplication des objets connectés. Ceux-ci nécessitent une connexion à Internet, avec une faible consommation d’énergie. Dans ce cas, le débit est alors secondaire. Pourtant, en 2G, 3G et 4G, l’accent est mis sur le débit, au détriment de la consommation énergétique. C’est ici qu’entre en scène la 5G.

La 4G met trop l’accent sur le débit

Depuis de nombreux mois, on lit un peu partout que la 5G permettra d’atteindre des débits supérieurs à 10 Gbps. C’est fort probable, mais ce n’est pas ce qui va changer la donne. La 4G a en effet encore un fort potentiel d’évolution en termes de débits. On a pu le voir avec le nouveau modem Snapdragon X16 de Qualcomm, capable d’atteindre 1 Gbps, ce qui est largement suffisant pour l’immense majorité des usages. La 4G évoluera encore, et il sera donc possible de s’approcher des 10 Gpbs avec le standard LTE. Cependant, la 5G est attendue au tournant sur d’autres sujets.

5G : cap sur la consommation

Le premier point à retenir est celui de la consommation. Comme on a pu le voir au MWC l’année dernière, les acteurs des télécoms parlaient déjà de réduction de la consommation, puisque le livre blanc de l’alliance NGMN émettait le souhait de voir l’autonomie des smartphones portée à trois jours. Pour les objets connectés peu gourmands en énergie, ils évoquaient même une autonomie de 15 années. Comment y parvenir ? Pour le moment, c’est encore assez flou, mais les pistes sont nombreuses : réduction du débit, instauration de créneaux pendant lesquels les appareils seront allumés, à l’image de LoRa et Sigfox.

L’autre grand chantier, c’est le temps de latence, c’est-à-dire le temps que met une information à transiter d’un endroit à un autre du globe. En 4G, on tourne autour de plusieurs dizaines de millisecondes dans le meilleur des cas. Avec la fibre optique, ce chiffre tombe sous la barre des 10 ms.

La question de la latence

Pour la 5G, les ingénieurs veulent faire tomber ce chiffre, dans certains cas, sous la barre de la milliseconde, notamment pour des cas de figure où la latence est primordiale. Ça sera le cas, dans le futur, des voitures connectées et autonomes, des feux rouges, des services d’urgence, des drones connectés, des opérations médicales à distance, etc.

Lors du MWC 2016, Samsung et Deutsche Telekom ont réalisé une démonstration de la latence de la 5G face à la latence de la 4G. Un bras robotisé devait rattraper deux balles dont la position était envoyée en 4G pour l’une, avec une latence de 25 ms, et en 5G pour l’autre, avec une latence de 0,75 ms. Comme vous pouvez vous en douter, le robot n’est parvenu qu’à rattraper la balle « 5G ».

La saturation des antennes

Enfin, le dernier grand chantier que devra relever la 5G est la saturation des cellules, à cause du trop grand nombre d’appareils connecté en même temps. Les différents acteurs du monde des télécoms espèrent donc compter sur les small cells pour régler le problème de saturation. L’idée est de multiplier les antennes relais sous la forme de small cells, des toutes petites antennes, qui seraient posées un peu partout dans les centres-villes et les habitations. De quoi permettre d’augmenter considérablement le nombre d’antennes, et donc la couverture du réseau, tout en réduisant la saturation de chaque cellule.

Une autre manière pour réduire la saturation consiste en la multiplication des fréquences utilisées ainsi que les nouvelles modulations. Ainsi, déjà 4G, la nouvelle modulation QAM256 permet d’augmenter de 33 % le débit sans augmenter la largeur des fréquences utilisées. Prenons l’exemple d’une cellule dotée d’un débit maximal de 100 Mbps en QAM64. En passant en QAM256, son débit maximal devient 133 Mbps et si deux utilisateurs utilisent chacun 50 Mbps, il reste encore une réserve pour un troisième utilisateur.

Comment les différents acteurs comptent-ils faire pour augmenter les débits tout en réduisant la consommation énergétique des appareils en 5G ? Bonne question. Pour le moment, tout n’est pas très clair, comme nous allons le voir.

De standards encore à définir

Si la 4G dispose de standards, qui permettent aux différents opérateurs et constructeurs de smartphones de proposer des produits compatibles entre eux, ce n’est pas encore le cas de la 5G. Les différents acteurs travaillent à trouver un terrain d’entente. On trouve ainsi la 5GPP qui est un partenariat public – privé créé par l’Europe qui regroupe les constructeurs, les opérateurs, les équipementiers réseau et des chercheurs du monde entier.

L’objectif est de réussir à faire émerger un standard commun, avec notamment l’utilisation de bandes de fréquence communes. Cet objectif, s’il est réalisé, permettra de mettre fin au casse-tête lors de l’achat d’un téléphone dans une autre région du monde, puisque tous les smartphones pourront alors fonctionner sur tous les réseaux mondiaux.

Mais pour l’instant, il manque clairement les standards de la 5G et personne n’arrive à réellement définir la 5G ni les techniques et technologies utilisées pour répondre aux cas d’usages que nous avons vus plus haut. Le 3GPP, à qui l’on doit les spécifications des normes 3G et 4G, a réalisé un workshop en septembre dernier. L’occasion d’apprendre que la première phase des spécifications devrait être complétée pendant le second semestre 2018 (3GPP Release 15) et une seconde phase pour la fin de l’année 2019 (3GPP Release 16).

Dans les grandes lignes, les différents acteurs misent beaucoup sur les ondes millimétriques qu’on trouve entre les bandes 30 et 300 GHz. À titre de comparaison, la 4G en France utilise les bandes comprises entre 700 et 2600 MHz. Plus la fréquence utilisée est élevée, et plus le débit sera élevé, au détriment de la pénétration dans les bâtiments et de la distance d’émission et donc de la couverture, d’où la nécessité d’utiliser des small cells.

Les ondes millimétriques au service de la 5G

Les ondes millimétriques commencent déjà à être utilisées, notamment par le FAI Starry à Boston qui promet un débit de 1 Gbps. Facebook compte utiliser ce type d’ondes également dans son projet Internet.org. Enfin, Fujitsu a de nombreux projets dans ses cartons, et y compris avec les ondes millimétriques qui ont permis au constructeur d’atteindre un débit de 56 Gbps (environ 7 Go/s) sur une liaison sans fil dans des bandes comprises entre 72 et 99 GHz.

Les small cells pour les villes

En plus des small cells, des ondes millimétriques, il existe deux autres techniques qui permettront d’augmenter les débits et que l’on connaît déjà bien avec la 4G. Il s’agit du MIMO et de l’agrégation de porteuses. Le MIMO est le fait d’implémenter plusieurs antennes au sein du smartphone et des antennes radio, pour multiplier le débit par le nombre d’antennes. Cette année, on devrait voir les premiers smartphones MIMO 4×4 apparaître, notamment avec le modem Snapdragon X16 de Qualcomm. La 5G pourrait alors utiliser encore plus de quatre antennes pour augmenter davantage les débits. Se posera toutefois la question de la place, et de la consommation.

L’agrégation des porteuses

L’agrégation de porteuses est un principe bien connu, puisqu’elle permet au smartphone d’utiliser différentes bandes de fréquences en même temps, afin d’augmenter le débit. Ainsi, si une bande d’une largeur de 10 MHz permet d’obtenir un débit de 100 Mbps, l’agrégation de deux bandes (par exemple 800 et 1800 MHz) d’une largeur totale de 20 MHz permettra d’atteindre un débit de 200 Mbps. L’inconvénient de l’agrégation se mesure en termes de coût pour l’opérateur, puisque ce dernier se voit contraint de déployer, à chaque fois, différentes antennes, mais aussi d’acheter différentes bandes de fréquences, à prix d’or.

Beamforming : le filtrage spatial

Enfin, les équipementiers réalisent également des recherches pour optimiser au mieux le signal selon l’emplacement de l’utilisateur par rapport à l’antenne. Une technique qu’on connaît déjà dans le monde du Wi-Fi avec le beamforming. Le but est de  concentrer le signal dans la bonne direction, par l’intermédiaire des informations remontées par le smartphone vers l’antenne. Cette méthode évite ainsi d’utiliser toute la puissance disponible pour émettre « à l’aveugle » en espérant tomber sur le terminal. Ici, la puissance disponible est utilisée dans un faisceau plus étroit, ce qui augmente alors le débit. Cela évite également au téléphone de consommer trop d’énergie en tentant d’amplifier le signal.

5G : où et quand ?

Il y a donc encore beaucoup de chemin à parcourir avant que les acteurs du monde des télécoms trouvent un standard sur la 5G. Le temps presse, puisque selon le PDG de Nokia, on devrait assister aux premiers déploiements en 2017, avec une progressive montée en charge jusqu’en 2020. Ce qui est certain, c’est qu’en 2018, certains clients pourront profiter de la 5G lors des Jeux olympiques d’hiver en Corée du Sud en 2018. Chez Orange, qui teste la 5G en France à Belfort sur les ondes millimétriques les responsables estiment que les tests grandeur nature se poursuivront en 2017 et 2018 et qu’il faut compter sur un déploiement commercial en 2020.

Au MWC, les démonstrations étaient pratiques, signe que les technologies sont quasiment prêtes, et qu’il ne reste que le volet administratif et standardisation. Ericsson montrait un terminal en mouvement avec un débit de 10 Gbps sur la bande des 15 GHz qui communiquait avec une station intégrant 8 modules de 64 antennes chacun.

Chez T-Mobile, on pouvait voir une démonstration d’un débit de 10 Mbps avec une latence de 1 ms, mais aussi un débit maximal de 70 Gbps grâce aux ondes millimétriques et trois stations en MIMO. Verizon devrait réaliser des tests cette année avant de débuter le déploiement de la 5G en 2017.

Vive la 4G !

La 4G n’est toutefois pas morte puisque les équipementiers et les constructeurs mettaient en avant de nombreuses technologies que nous avons déjà abordées par le passé. C’est notamment le cas de la LTE-U (LAA en Europe) qui permet d’agréger du Wi-Fi avec de la 4G afin d’augmenter considérablement le débit des utilisateurs sans mettre en œuvre de nouvelles bandes de fréquences du côté des opérateurs. On peut aussi citer le LTE Broadcast qui permet d’envoyer un même flux (vidéo, mise à jour, etc.) à des milliers d’utilisateurs sans saturer les cellules, ou encore le LTE Direct qui permet aux appareils de se connecter entre eux.

Évoquons également une technologie que nous n’avons pas encore abordée dans nos colonnes, le LSA (Licensed Shared Access) qui permet à différents acteurs de se partager une même fréquence. On imagine par exemple les opérateurs être en mesure d’utiliser les bandes de fréquence des militaires (et notamment la bande 70 GHz) dans des lieux et à des moments où l’armée n’en a pas besoin. En cas de besoin, les militaires pourraient alors reprendre la main sur les fréquences en quelques minutes seulement. Le LSA permet aussi aux opérateurs de se partager une bande de fréquence, et donc ses coûts d’achat, et pourquoi pas permettre à un MVNO d’avoir ses propres fréquences.