La 5G est l’épine dorsale de l’industrie des communications et permettra d’obtenir des applications révolutionnaires sur d’autres marchés tels que l’industrie, l’automobile, le médical et même la défense nationale. Dans un monde de plus en plus connecté à l'Internet des objets (IoT), les améliorations remarquables de la 5G en termes de vitesse (au moins 10 fois plus rapide que la 4G, jusqu'à 10 Gbit/s), de latence (10 fois inférieure à la 4G, jusqu'à 1 ms) et de densité (prenant en charge 1 millions d'appareils IoT par kilomètre carré) rendront possibles de nombreuses applications innovantes, notamment dans des domaines importants tels que la sécurité, la fiabilité, la qualité du service, l'efficacité et le coût.

Comme le montre la figure ci-dessous, la 5G réalisera l'interconnexion des biens et des services, tandis que les « biens » résideront dans l'espace de l'utilisateur ou de l'entreprise, tandis que les « services » résideront généralement dans le cloud. Le réseau 5G sera capable de diviser de manière flexible la connexion parallèle, d'adapter parfaitement le niveau de service requis par les utilisateurs grâce à des ajustements et de fournir un excellent équilibre coût/performance.

La 5G n’est pas seulement une autre « ère » dans le développement des normes de communication, mais aussi un terme général contenant au moins trois grandes tendances. Selon la définition de l’Union internationale des télécommunications, la première tendance est le haut débit mobile amélioré (emBB), qui renforcera les domaines d’innovation tels que la réalité augmentée et la réalité virtuelle. La deuxième tendance est la communication massive de classe machine (mMTC), qui inclut la connectivité omniprésente des capteurs IoT. Le troisième est une communication ultra-fiable et à faible délai pour des applications clés, telles que la conduite automatique ou la chirurgie à distance.

La 5G sera partout, couvrant les téléphones intelligents, les voitures, les services publics, les appareils portables, les salles d'opération des hôpitaux, les grandes usines, les réseaux électriques et autres applications, et se rapprochera davantage du concept de villes intelligentes, de fabrication intelligente et de monde connecté.

La nouvelle radio (NR) 5G est liée à LTE Advanced, qui reste un élément essentiel de la plate-forme 5G pour garantir le fonctionnement sur l'infrastructure de réseau central existante. Avec le lancement de la 15e version du Programme de partenariat de troisième génération (3GPP) achevé fin 2017, cette approche a permis à l'industrie de progresser régulièrement dans le spectre inférieur à 6 GHz. D’ici 2020, la 15e édition pourra favoriser le déploiement précoce de la plupart des 5G.

Cependant, il est prévu que la 16ème norme publiée au second semestre 2019 affectera le spectre de fréquences supérieur à 6GH (onde millimétrique z) (voir la figure ci-dessous).

La 16e édition est essentielle pour les services de communications critiques, la réalité virtuelle et l'Internet des objets Low Power Wide Area (LPWA). Cette norme devrait réaliser le réel potentiel généralement présenté comme la vision 5G : elle permettra de nombreuses applications et diverses nouvelles fonctions, telles que le partage de spectre, la norme Internet cellulaire des véhicules (C-V2X) pour l'industrie automobile, etc. ., changeant ainsi complètement la structure du secteur des communications.

Le premier business case de la 5G est très simple :

Elle améliore la capacité, la vitesse, la fiabilité et la disponibilité du réseau, et réduit la latence au même coût que la 4G.

La deuxième analyse de rentabilisation a été mise en exploitation commerciale aux États-Unis, c'est-à-dire une application sans fil fixe, qui utilise une fréquence d'ondes millimétriques (3GPP n'a pas été spécifié) pour couvrir les utilisateurs distants, afin de fournir une connexion de 300 Mbps ou plus comme moyen bon marché. alternative d'installation de fibre optique. Cela a répondu aux exigences de la plupart des opérateurs mobiles dans le monde qui ont participé aux premiers tests et tests 5G, ainsi que des opérateurs qui ont construit une infrastructure pour prendre en charge le lancement des services 5G (construire d'abord l'infrastructure dans le réseau central et augmenter la couverture densité de nouveaux réseaux cellulaires hétérogènes).

Parmi les pays/régions qui ont participé aux premiers tests et tests, les États-Unis ont commencé à promouvoir la 5G plus rapidement que tout autre pays pour se préparer à la densification requise de la couverture du réseau cellulaire, mais ont pris du retard dans l'installation de stations émettrices-réceptrices de base (BTS). À titre de référence, les États-Unis ont installé environ 200 000 stations de base en 2018, tandis que la Chine en a entretenu environ 2 millions. En outre, la Chine dispose également de 70% de connexions Internet des objets existantes dans le monde, ce qui rend les besoins de promotion des deux pays très différents. Au moment de la rédaction de cet article, de nouvelles enchères de fréquences ont eu lieu en Corée du Sud, en Australie, au Royaume-Uni, en Italie, en Espagne, aux États-Unis et en Allemagne ou ont été incluses dans le plan.

Lors de la Conférence mondiale sur les communications mobiles de 2018, la GSMA a prédit que d'ici 2023, il y aurait environ 400 millions de connexions 5G (dont 30% aux États-Unis) couvrant les applications grand public et les applications d'entreprise.

Les fournisseurs de services de communication (CSP) ne sont pas les seuls à être pleins d’attentes quant au développement de la 5G, car de nombreux acteurs non traditionnels sont également impatients de s’essayer dans le domaine de la 5G. Les fournisseurs de médias over the top (OTT) (dont Facebook, Microsoft, Google et Amazon) surveillent de près les opportunités commerciales. Ces fournisseurs OTT possèdent le cloud, où résident la plupart des services, et sont donc les principaux participants aux opérations 5G. Cependant, ils n’ont pas de droits d’accès, et cette partie est toujours entièrement hébergée par CSP.

Même lors de la mise en œuvre de la 4G, de nombreuses fonctions réseau ont été virtualisées, ce qui permet à la partie cloud public de l'infrastructure (infrastructure as a service) de se développer de manière significative. Cependant, la chaîne reste fermement entre les mains du CSP. Le système de fonctions symbiotiques nécessite une connexion correcte entre les fournisseurs et les utilisateurs et une gestion intelligente de ceux-ci. Dans le processus de développement de ces connexions, de nouvelles technologies telles que le découpage de réseau et l’informatique de pointe seront incluses, qui constituent des nouveautés importantes de la 5G.

Tranche de réseau

Rendre l’informatique plus proche des utilisateurs (edge computing) est un élément important du projet 5G. Cependant, un autre élément futur tout aussi important de la 5G est le concept de découpage du réseau, qui peut faire passer le concept de réseau défini par logiciel de la 4G à un nouveau niveau.

Comme le montre la figure ci-dessous, le découpage du réseau permet aux opérateurs de séparer la couche de flux de paquets de la couche de contrôle et prend en charge l'exécution en parallèle de plusieurs applications et services pour une série d'utilisateurs avec différents niveaux de qualité, de délai et de bande passante.

Cela signifie que le système 5G comportera de nombreuses tranches de réseau logiques (ou « canaux de suivi rapide ») pour prendre en charge des applications et des clients spécifiques. Par exemple, certains clients des opérateurs peuvent avoir besoin d'emBB pour utiliser des outils de réalité augmentée, tandis que d'autres clients peuvent avoir besoin de réseaux adaptés au mMTC, à la conduite automatique ou à la chirurgie à distance, ils doivent donc fournir différents attributs de réseau. Chaque application a ses propres exigences spécifiques. En divisant le réseau en différentes sessions privées ou connexions parallèles, différentes tranches peuvent être optimisées en conséquence.

Cela permet aux opérateurs de vendre des réseaux aux clients sous la forme de « réseau en tant que service », de sorte que chaque client puisse expérimenter la tranche de réseau, comme s'il était complètement physiquement isolé de l'ensemble : certains s'apparentent à la « volonté de partager un réseau ». méthode « du gâteau » et modulation en temps réel des ingrédients disponibles dans la formule. Essentiellement, le découpage du réseau peut améliorer l’efficacité opérationnelle et réduire les délais de commercialisation pour mettre en œuvre de nouveaux services.

En fait, le découpage du réseau pourrait être l’un des principaux contributeurs à la fourniture de nouveaux services 5G rentables aux entreprises clientes.

L’Edge Computing consiste à prendre des décisions en temps réel à proximité de la source de données. En localisant l’intelligence informatique à proximité de sources de données distinctes et différentes, l’edge computing peut réduire la latence dans la mise en œuvre des services demandés. L'Edge Computing n'envoie pas de données vers le cloud pour les traiter via l'ensemble du réseau central, mais utilise une architecture de réseau distribuée pour garantir un traitement en temps quasi réel et réduire en même temps la latence. Sinon, c'est tout simplement inacceptable pour des services spécifiques.

Avec la multiplication des applications critiques nécessitant des ressources informatiques en temps réel et la multiplication des fonctions intelligentes assistées par l'intelligence artificielle (IA) telles que les applications de conduite automatique, de télémédecine et de réalité virtuelle, l'informatique se rapproche de l'utilisateur final, et donc du bord, ce qui est crucial. Par exemple, si le système attend des dizaines de millisecondes lorsque la voiture traverse tout le réseau et revient, la voiture roulera encore plusieurs mètres de plus même après avoir reçu la commande de freinage. L'utilisation des ressources de pointe et la réduction du délai de 10 fois réduiront considérablement le temps écoulé entre la commande et le freinage.

Les ressources Edge Computing (ou Edge Computing multi-accès) peuvent facilement trouver une place dans le bureau central traditionnel du réseau d'accès sans fil (RAN). Des ressources matérielles supplémentaires et des serveurs dotés d'accélérateurs d'IA peuvent être situés à une distance variable de plusieurs kilomètres du cluster d'antennes. Cela générera beaucoup d’infrastructure matérielle supplémentaire.

Le réseau 5G dispose de normes et de fonctionnalités d’accès NR, il convient donc à plusieurs marchés verticaux avec différentes applications. Cela a entraîné des exigences matérielles excessives, notamment des exigences en matière de système d'antenne active (AAS) et d'autres équipements, ce qui a également fait évoluer le concept de tête de réseau radio distante via des antennes intégrées. Cette intégration contribue à résoudre les défis auxquels la 5G est confrontée dans les aspects suivants : utilisation de la diversité spatiale et des faisceaux locaux pour améliorer la capacité, et mise en œuvre de la technologie MIMO (mMIMO) à grande échelle.

La technologie AAS peut maximiser l’efficacité de la station de base et permettre aux opérateurs d’augmenter considérablement leur capacité (jusqu’à cinq fois celle de la 5G) et leur couverture réseau. Le cluster d'amplificateurs de puissance (PA) et les éléments d'antenne sont les composants de base de l'AAS (jusqu'à 1 024 PA peuvent être inclus à l'heure actuelle), qui peuvent fournir une fonction complète d'accès au réseau pour se connecter au nœud de bande de base, où le nœud de bande de base peut être localisé. au même endroit que l'AAS ou dans le bureau central (cloud RAN). Le multiplexage de fréquence peut être réalisé via mMIMO (cette technologie est basée sur la diversité spatiale et prend en charge plusieurs synchronisations et chemins de données séparés pour les utilisateurs individuels), et le multiplexage de fréquence est devenu le principal facteur d'amélioration de la capacité du BTS, qui est utilisé pour mettre en œuvre le multiplexage spatial.

Lorsque plusieurs antennes sont utilisées, une technologie améliorée de formation de faisceaux peut également être utilisée, qui utilise des faisceaux directionnels et focalisés 3D. Cette technologie réduit les interférences dans les canaux adjacents, maximise la distance accessible avec une puissance égale et dirige le flux de données vers la cible souhaitée. Par conséquent, il peut optimiser la capacité globale et atteindre un débit de signal radio plus élevé.

AAS a été déployé dans la phase finale de la 4G. Aujourd’hui, en tant que nouveau dispositif, l’AAS est largement utilisé là où la capacité et la couverture doivent être améliorées. La mise en œuvre d'un nouveau spectre prenant en charge le matériel 4G rétrocompatible et la bande de base prenant en charge les logiciels évolutifs favoriseront également la mise à niveau matérielle du macro BTS.

Afin d'augmenter la densité de couverture des nouveaux services, en particulier dans les environnements denses tels que les immeubles d'habitation de grande hauteur, les stades, les centres commerciaux et les parcs à thème, il faudra déployer de petites cellules pour rapprocher la transmission des utilisateurs avec une consommation d'énergie plus faible et une consommation plus élevée. débit binaire.

Du point de vue du matériel, le défi le plus important est la densité, comprenant principalement : premièrement, comment parvenir à une gestion thermique complète dans des boîtiers de plus en plus petits. Deuxièmement, comment répondre efficacement aux attentes grâce à une intégration à grande échelle des fonctions et des composants. Troisièmement, tout en réalisant tout cela, maintenez des performances élevées avec une faible consommation d’énergie.

Pour y parvenir, tous les composants de l'AAS, des émetteurs-récepteurs aux horloges en passant par la gestion de l'énergie, doivent être repensés ou ajustés pour répondre aux exigences élevées générées par le nombre croissant de composants dans le nouveau dispositif. Ceci peut être réalisé à partir de l'émetteur-récepteur radiofréquence (RF), intégrant davantage d'émetteurs-récepteurs RF, ajoutant des fonctions auxiliaires et créant des solutions système intelligentes pour regrouper de nombreux nouveaux composants grâce à une gestion commune de l'alimentation.

L'émetteur-récepteur RF multicanal hautement intégré est l'élément central du plan matériel 5G. Cela nécessite non seulement une bande passante du signal RF jusqu'à 1 GHz, mais prend également en charge le fonctionnement multibande. En mettant en œuvre une technologie d'échantillonnage RF, les caractéristiques décrites peuvent être mises en œuvre dans une architecture plus simple à moindre coût. L'émetteur-récepteur sérialiseur/désérialiseur a des performances supérieures à 10 Gbit/s et une boucle à verrouillage de phase (PLL)/oscillateur contrôlé en tension (VCXO) intégré à faible gigue. Autre fonction clé de ces nouveaux systèmes sur puce, ils peuvent simplifier la génération d’horloges d’échantillonnage en permettant l’utilisation d’horloges de référence avec des fréquences plus basses.

Le respect des exigences de synchronisation des réseaux 5G à haut débit ne peut être ignoré. Dans le réseau mobile actuel, la source de synchronisation (oscillateur à cristal commandé en tension (VCXO)/oscillateur à cristal compensé en température (TCXO)) doit avoir une très faible gigue et être capable de répondre aux exigences de réduction continue du bruit pour prendre en charge une modulation d'amplitude en quadrature d'ordre supérieur. et obtenez les meilleures performances de transmission d'ondes millimétriques.

Selon l'architecture cloud RAN, la dernière spécification CPRI (Common Radio Interface) (nommée eCPRI (EthernetCPRI)), en tant que liaison multipoint entre le pool d'unités de bande de base (BBU) et le réseau d'unités radio distantes (RRU), fournit un liaison à large bande passante pour répondre aux exigences de plusieurs RRU. Étant donné que 5GeCPRI est utilisé dans la transmission directe 5G, de nouvelles exigences de synchronisation doivent être respectées. Dans la liaison CPRI point à point, la synchronisation temporelle et la synchronisation fréquentielle doivent être garanties par essence, mais ce type de synchronisation n'est plus un problème après coup, mais doit être résolu dans le cadre de l'ensemble de la solution de synchronisation 5G. Par conséquent, l'arborescence d'horloge a évolué d'une solution de suppression de gigue basée sur VCXO adoptée par la transmission CPRI à une solution de synchronisation de réseau basée sur TCXO pour gérer les exigences de synchronisation dans eCPRI.

En outre, la station de base macro 5G prendra également en charge la norme du système de communication mobile mondial (GSM) multiporteuse pour les transmissions inférieures à 6 GHz. Par conséquent, l'arbre d'horloge doit également répondre aux exigences de bruit de phase ponctuelle qui ne violent pas la spécification globale du bloqueur GSM. Pour une station de base 5GmMIMO, l'utilisation de la technologie de formation de faisceaux peut utiliser efficacement le spectre tout en minimisant les interférences. Cela affecte le décalage entre les différentes sorties dans l'arborescence d'horloge de la liaison de signal RF.

Des contraintes strictes se forment. En plus du plan d'étalonnage de l'antenne au niveau du système, il existe une variété de technologies au niveau de la carte et au niveau de la puce (par exemple, le mode zéro retard) qui peuvent minimiser les changements de retard de l'arbre d'horloge dans le processus, les angles de tension et de température pour améliorer le faisceau. efficacité de formage.

La 5G modifie également le paradigme des points de charge pour répondre à une série d’exigences de consommation électrique de l’Internet des objets, des petits réseaux cellulaires et des antennes actives. La plage de variation de puissance (expansion) va de quelques dixièmes de watt à des centaines de watts. Plus précisément, avec l'augmentation de la consommation électrique/des besoins en courant, la valeur du bus de distribution a été modifiée à 12 V pour répondre aux exigences de l'AAS, du système d'antenne distribuée et de la radio mMIMO de nouvelle génération.

Avec l'augmentation de la consommation électrique des RRU et BBU, le rôle du bus de gestion de l'énergie (PMBus) est de plus en plus évident. Dans le même temps, les convertisseurs abaisseurs haute tension s'améliorent constamment pour s'adapter à l'augmentation du nombre de PA, nécessitant une dissipation thermique 3D et des convertisseurs fonctionnant en 100 V avec des limites de courant variables. Afin de fournir des circuits d'horloge et d'émetteur-récepteur précis dans la radio tout en augmentant la densité, la taille et le bruit peuvent également être réduits grâce à des convertisseurs dédiés multicanaux. Le convertisseur est utilisé en remplacement du régulateur de tension à faible chute, et la vitesse de commutation est supérieure à 1 MHz, de manière à réduire la taille tout en maintenant l'efficacité.

Minimiser le contenu, la complexité et le coût de la nomenclature est la clé pour remporter la compétition matérielle 5G, et l'intégration de fonctions dans des circuits intégrés est le moyen d'atteindre ces objectifs. Les entreprises de semi-conducteurs devront travailler en étroite collaboration avec leurs clients d’équipements de stations de base pour produire des émetteurs-récepteurs RF hautement intégrés, des chaînes de signaux optimisées et des alimentations électriques afin de soutenir le développement continu de la technologie 5G.

Les données historiques récentes de l'industrie des communications montrent que le cycle de mise à niveau vers la technologie de nouvelle génération est de 10 ans. La vitesse adoptée par la 5G lui est similaire, suivie de l'attente de sa maturité maximale.

La 5G est prête à insuffler une nouvelle vitalité au concept de terre connectée grâce à de nouvelles infrastructures, de nouveaux équipements et de nouveaux cas d’utilisation. Avec sa grande capacité et sa faible latence, la 5G va complètement changer le contact entre les personnes et les équipements.

Au niveau de l’entreprise, la 5G pourrait être plus transformatrice et permettre de réaliser des services critiques qui devraient complètement changer l’ensemble du secteur. Dans la véritable ère de la 5G, la technologie machine to machine, les capteurs basse consommation, la gestion de la mobilité, la surveillance à distance des équipements et des actifs et les réseaux intelligents seront omniprésents dans les usines du futur.

D'autres aspects de la 5G seront améliorés lorsqu'un spectre plus élevé sera activé dans la 16e édition. Un réseau maillé à ondes millimétriques peut être utilisé pour réaliser une transmission de liaison de petite station de base cellulaire à faible coût dans des zones urbaines densément peuplées. Ces réseaux seront également applicables aux systèmes de communication tout connectés aux ateliers ou aux véhicules, faisant ainsi de cette technologie un moteur clé pour la conduite automatique, car les véhicules doivent communiquer avec les véhicules, les feux de circulation et les dernières informations cartographiques numériques.

La 5G est peut-être un réseau tourné vers l’avenir, mais elle incarne le travail acharné des ingénieurs actuels et rendra certainement le monde dans lequel nous vivons meilleur.