Quel spectre de fréquences la technologie 5G utilisera-t-elle et comment cela se compare-t-il à la 4G ?

Cependant, la nature désormais omniprésente de la technologie sans fil dans les applications grand public, automobiles, industrielles et même militaires/aérospatiales a transformé le potentiel de la technologie sans fil cellulaire, qui est passée d'une plateforme de communications interpersonnelles à un écosystème de réseau sans fil très flexible. Cela est évident compte tenu de l'évolution des capacités et des fréquences entre la 4G LTE et les technologies 5G à venir. Cet article fournit des détails sur l'évolution des performances, de la fréquence et des exigences entre les systèmes 4G LTE et la technologie 5G.

Les applications émergentes modifient l'utilisation du spectre et les performances du réseau cellulaire

Bien que les générations sans fil cellulaires antérieures servaient des applications autres que le haut débit mobile, la plupart des services cellulaires 2G, 3G et maintenant 4G LTE sont conçus et dédiés au haut débit mobile. Les normes et les technologies des générations cellulaires précédentes prenaient principalement en charge les utilisateurs cellulaires à large bande mobile dans les régions urbaines et les banlieues, avec une couverture moindre dans les régions rurales. Cependant, l'objectif des technologies 5G va au-delà de la simple desserte du haut débit mobile : elle offre des améliorations clés qui permettent une gamme d'applications beaucoup plus vaste : eMBB (haut débit mobile amélioré), URLLC (communications ultra-fiables et à faible latence), MMC (communication massive de type machine) et FWA (accès sans fil fixe).

Enhanced Mobile Broadband (eMBB)

La différence entre l'eMBB 5G et le haut débit mobile 4G résident dans le fait que la 5G offre des débits de données extrêmes, avec des objectifs de couverture urbaine omniprésente. Avec l'eMBB, les objectifs de l'IMT-2020 consistent à fournir une norme qui permet des vitesses de téléchargement de pointe, allant jusqu'à 20 Gbit/s et des débits de données utilisateur fiables dans des environnements urbains d'au moins 100 Mbps, avec seulement 4 ms de latence. Bien que les vitesses actuelles du haut débit mobile 4G puissent atteindre des vitesses de pointe de centaines de mégabits par seconde, la plupart des utilisateurs urbains bénéficient de vitesses inférieures à 10 Mbps avec des latences de quelques dizaines de millisecondes. Au-delà des téléchargements rapides de contenus vidéos, la 5G eMBB ouvrira la voie à des applications de réalité augmentée et de réalité virtuelle en temps réel, de toutes parts et en milieu urbain.

Cette performance nécessite des mises à niveau dans toute la pile de réseau cellulaire, ainsi que des améliorations technologiques pour les combinés téléphoniques. Une grande partie des évolutions de l'architecture du réseau se produit actuellement, car les grandes entreprises de télécommunications déploient davantage de petites cellules pour assurer les performances eMBB, là où les architectures de macrocellules homogènes traditionnelles se sont avérées inefficaces, en particulier dans les environnements urbains denses, voire encombrés.

Ultra-reliable Low Latency Communications (URLLC)

Bien que certains domaines bénéficient de performances sans fil cellulaires qui peuvent être considérées comme de qualité professionnelle, la plupart des systèmes cellulaires actuels ne sont pas en mesure de fournir les exigences de fiabilité ou de latence pour les applications critiques, telles que les véhicules autonomes, les soins de santé mobiles, l'automatisation d'usine ou les interventions d'urgence. La 5G URLLC vise à fournir des communications hautement fiables, sécurisées et à faible latence qui fournissent des communications de latence inférieures à 1 ms suffisamment solides pour une utilisation dans des applications engageant un pronostic vital.

L'amélioration de la fiabilité du réseau cellulaire et la réduction de la latence impliquent des changements dans la façon dont le combiné mobile, la station de base et la mise en réseau sont utilisés. Ces améliorations incluent de nouvelles formes d'onde, du matériel à latence plus faible et des approches de réseau sans fil probables qui permettent l'agilité en fréquence, la redondance et d'autres types d'architecture de réseau qu'un réseau en étoile.

Massive Machine-type Communications (MMC)

La plupart des utilisateurs sans fil cellulaires d'aujourd'hui utilisent des combinés mobiles, mais les futurs réseaux cellulaires seront probablement dominés par les dispositifs de l'Internet des Objets (IdO) qui communiquent, signalent les informations des capteurs et agissent sur les données de contrôle dans les zones urbaines modernes, des usines, des installations industrielles et les réseaux de transport. Une grande partie, et peut-être la majorité, des futures communications cellulaires se feront entre des machines, ce qui pose des exigences très différentes de celles des utilisateurs humains.

Les appareils et machines IdO dispersés auront peut-être des exigences de communication très diversifiées, par conséquent il ne sera pas possible de mettre en place un protocole de communication sans fil unique. Par conséquent, les nouvelles normes 5G sont susceptibles d'inclure des méthodes de protocole de communication flexibles, de sorte que les systèmes tels que les capteurs alimentés par batterie avec des exigences de faible puissance et de faible débit de données puissent par exemple utiliser la même technologie de réseau que les robots autonomes à haut débit et à faible latence. Les générations cellulaires précédentes reposaient sur l'utilisation de bandes de fréquences spécifiques pour certaines applications, ce qui est moins susceptible d'être la solution pour les générations cellulaires futures car la congestion du spectre rend chaque bande de fréquences plus précieuse.

Accès FWA sans fil fixe

Bien que peu utilisés, les réseaux cellulaires 3G et 4G ont pris en charge une gamme de systèmes d'accès sans fil pseudo-fixes, avec des bornes d'accès et des modems cellulaires. Cependant, le débit de données amélioré et la faible latence des réseaux 5G permettent de fournir, d'une manière très intéressante d'un point de vue commercial, des FWA afin de rivaliser avec d'autres services Internet du « dernier kilomètre ». Avec une plus grande bande passante et des technologies d'antenne avancées, de nombreux experts estiment que les réseaux 5G seront en mesure de fournir des performances similaires à celles de la fibre et permettront aux marchés développés et à ceux en développement de rendre Internet et la connectivité plus accessibles. Au-delà des antennes massives multi-entrées multi-sorties (mMIMO) capables de former des faisceaux, les services FWA nécessitent également une bande passante supérieure à ce qui est disponible dans le spectre inférieur à 6 GHz, qui soutient les réseaux cellulaires actuels. De grandes quantités de bande passante, dépassant probablement 1 GHz, seront nécessaires pour fournir un service de type fibre. Par conséquent, les réseaux cellulaires 5G incluent des bandes de fréquences à ondes millimétriques pour permettre de nouvelles applications et des augmentations spectaculaires des débits de données par rapport aux générations précédentes.

Comparaison des fréquences 5G et 4G

Les premiers réseaux cellulaires GSM fonctionnaient à 850 MHz et 1900 MHz. Les réseaux 2G et 3G modifient la méthode de modulation mais utilisent largement les mêmes portions du spectre avec des bandes de fréquences réorganisées. Au fur et à mesure de l'évolution de la 3G, des bandes de fréquences supplémentaires ont été incluses ainsi qu'un spectre autour de 2100 MHz. Les technologies 4G LTE lui ont apporté un spectre et des bandes de fréquences supplémentaires, à savoir environ 600 MHz, 700 MHz, 1,7/2,1 GHz, 2,3 GHz et 2,5 GHz. Toutes les fréquences précédentes du réseau cellulaire sont basées sur des licences (tableau 1).

Les plans de bande de fréquences 5G sont beaucoup plus complexes, car le spectre de fréquences pour la 5G inférieures à 6 GHz s'étend de 450 MHz à 6 GHz, et les fréquences 5G à ondes millimétriques s'étendent de 24,250 GHz à 52,600 GHz, et incluent également le spectre sans licence. De plus, il peut y avoir un spectre 5G dans la plage de 5925 à 7150 MHz et de 64 GHz à 86 GHz. Par conséquent, la 5G comprendra tout le spectre cellulaire précédent et une grande quantité de spectre dans la gamme inférieure à 6 GHz, et au-delà de cette dernière, le spectre cellulaire actuel est plusieurs fois supérieur (tableaux 2 et 3). La version 3GPP initiale des normes 5G New Radio Non-standalone (5G NR) comprenait plusieurs bandes de fréquences inférieures à 6 GHz, désignées FR1 (tableau 2). La deuxième version du 3GPP 5G après IMT-2020 inclura les bandes de fréquences FR2 dans le spectre des ondes millimétriques (tableau 3).

Comme pour les générations cellulaires précédentes et les versions 3GPP, diverses régions et pays adopteront probablement un spectre unique pour les utilisations 5G. La FCC américaine, par exemple, envisage d'ouvrir 5,925 GHz à 6,425 GHz et 6,425 GHz à 7,125 GHz pour une utilisation sans licence et envisage d'ajouter une capacité de large bande mobile dans le spectre de 3,7 GHz à 4,2 GHz. Actuellement, la FCC utilise le spectre dans la plage de 27,5 GHz à 28,35 GHz, de 24,25 GHz à 24,45 GHz et de 24,75 GHz à 25,25 GHz pour une utilisation 5G à ondes millimétriques. La FCC pourrait également envisager d'ouvrir des fréquences moyennes de 3,7 GHz à 4,2 GHz pour la 5G, et pourrait aussi ouvrir des bandes de sécurité publique de 4,9 GHz pour l'accès 5G. De plus, la FCC peut également mettre à disposition des bandes supplémentaires pour la 5G dans les bandes 2,75 GHz, 26 GHz et 42 GHz. En décembre 2018, la FCC a annoncé une action incitative dans les plages 37,6 GHz à 38,6 GHz, 38,6 GHz à 40 GHz et 47,2 GHz à 48,2 GHz. La plupart des autres pays en développement font l'objet de considérations similaires en termes d'attribution du spectre pour les cas d'utilisation de la 5G.

L'une des principales raisons pour lesquelles un spectre supplémentaire est mis à disposition pour les utilisations de la 5G concerne les limitations physiques associées au débit et à la bande passante. Les plans de bande 4G représentaient entre 5 MHz et 20 MHz de bande passante par canal, alors que la norme 5G FR1 autorise entre 5 MHz et 100 MHz de bande passante par canal. La bande passante étant directement proportionnelle au débit maximal, la multiplication par 5 de la bande passante correspond à une augmentation d'environ 5 fois le débit. De plus, 3GPP Release 15 a établi de nouvelles formes d'onde et l'ajout de π/2 BPSK en tant que méthode de modulation. Les formes d'onde supplémentaires sont DFT-S-OFDM pour FR1 et le préfixe cyclique OFDM (CP-OFDM) pour FR2.

Bien que le matériel RF, la technologie et l'infrastructure de communication soient disponibles et capables de répondre à certaines des exigences des premières spécifications de fréquence et de performances 5G, la majorité des attentes propres à la 5G sont supérieures à ceux que les technologies actuellement accessibles peuvent offrir. Ces défis incluent un matériel rentable avec le fonctionnement de fréquence nécessaire, une intégration portable/mobile et une infrastructure réseau dense et hautement distribuée. Les services 4G LTE étant toujours déployés aux États-Unis et dans d'autres pays, il faudra probablement plusieurs années avant que les services 5G au-delà des capacités du FR1 5G ne soient viables.

Conclusion

Chaque nouvelle génération de technologie cellulaire a inclus des changements au niveau des bandes de fréquences et des modes de fonctionnement. Il en va de même pour le développement des technologies 5G. Il existe cependant des différences, à savoir la quantité de nouveau spectre de fréquences ajouté, et l'emplacement où résident ces fréquences dans le régime du spectre électromagnétique. De plus, cette nécessité d'obtenir une plus grande bande passante amène également les décideurs et les fabricants de périphériques à tirer autant de performances que possible sur les bandes de fréquences cellulaires encombrées et inférieures à 6 GHz, grâce à une variété de techniques qui combinent plusieurs bandes cellulaires et augmentent la bande passante d'un seul canal. Les applications émergentes, telles que l'Internet des Objets (IoT) et les communications de machine à machine (M2M), encouragent également l'industrie à étudier une variété de modes de fonctionnement pour la 5G afin de s'adapter à la multitude d'applications. À bien des égards, la 5G est conçue pour devenir une solution modulaire aux défis de la connectivité sans fil universelle.

Tableau 1

Tableau 2

Tableau 3

Tableau 4

Ressources

http://www.3gpp.org/specifications/specifications

Spectre GSA pour les réseaux terrestres 5G : développement des licences dans le monde (décembre 2018)