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 01 août 2014

Les futurs réseaux cellulaires 5G

Depuis l’introduction de la norme General Packet Radio Service (GPRS) dérivée du GSM en 2000, les consommateurs et les compagnies de télécommunication réclament sans cesse des vitesses de transfert toujours plus élevées sur les réseaux mobiles.

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Depuis l’introduction de la norme General Packet Radio Service (GPRS) dérivée du GSM en 2000, les consommateurs et les compagnies de télécommunication réclament sans cesse des vitesses de transfert toujours plus élevées sur les réseaux mobiles. Il est vrai que l’augmentation de la vitesse de transfert de données des réseaux cellulaires serait un atout pour nos projets M2M. Qui pourrait vraiment s’en plaindre? Il est juste d’affirmer que le désir de continuellement augmenter les vitesses de transfert sur les réseaux de communications cellulaires est l’une des plus grandes motivations derrière les recherches en cours pour la définition et conception du 5G. Certes, le déploiement des réseaux 5G n’est pas pour demain (on parle de 2020), mais les ingénieurs ont déjà débuté leurs recherches au niveau des technologies qui constitueront le 5G, en espérant ainsi, atteindre des vitesses beaucoup plus rapides qu’aujourd’hui. Lorsque l’on regarde l’évolution du GPRS (communément appelé 2.5G) vers le Long Term Evolution Advanced (LTE-Advanced ou 4G), la recette pour produire une plus grande vitesse de transfert semble relativement simple. Pourtant, il faudra encore plusieurs années de recherches avant d’en arriver à une définition officielle pour le 5G. En fait, la combinaison de canaux de bande passante plus large (de 200 kHz à 100 MHz), les régimes de modulation d’ordre supérieur de Gaussian Minimum Shift Keying (GMSK) jusqu’au 64-state Quadruple Amplitude Modulation (64QAM) et la technologie “Multiple-Input Multiple-Output” (MIMO) permet aux réseaux cellulaires modernes, comme le LTE-Advanced, d’atteindre des vitesses de transfert beaucoup plus grandes que le bon vieux GPRS permettant, du coup, de passer de 56 kbits/s à 3 Gbits/s. Wow!

L’évolution de l’architecture réseau

Même s’il est évident que les réseaux cellulaires 5G incorporeront une nouvelle couche physique, l’utilisation d’entrées multiples, sorties multiples massives et les ondes radio millimétriques, il est important de comprendre ces innovations d’un point de vue d’évolution de l’architecture des réseaux. Historiquement parlant, un réseau cellulaire était constitué d’une seule station de base servant un grand nombre d’utilisateurs. Aujourd’hui, toutefois, l’architecture moderne des réseaux cellulaires devient de plus en plus hétérogène, pour de bonnes raisons. Dans ces réseaux hétérogènes, également connus sous le nom de “HetNets”, les stations de base sont souvent augmentées avec un grand nombre de petites cellules comme les femtocellules et les picocellules. Ces petites cellules sont en fait des stations de base miniatures qui peuvent être utilisées afin d’améliorer la couverture dans des environnements difficiles et d’augmenter la capacité du réseau. Tout porte à croire que, dans le moyen long terme, les réseaux cellulaires utiliseront un nombre de plus en plus élevé de petites cellules. De plus, les radios Wi-Fi de classe télécommunication peuvent définitivement contribuer aux réseaux cellulaires en augmentant la capacité. En fait, ces évolutions dans la topologie réseau sont déjà en cours. Dorénavant, les ingénieurs peuvent considérer les technologies considérées comme étant utopiques dans le passé pour les communications cellulaires présentes et futures. Par exemple, les ingénieurs peuvent maintenant, grâce à la réduction de la taille des cellules, songer à utiliser une gamme de fréquences plus élevées qui n’étaient pas viables, à l’époque, à cause des problèmes de propagation sur la distance.

Nouvelles couches physiques

Le premier domaine de recherche dans les réseaux cellulaires 5G est, sans aucun doute, l’évolution de la couche physique. Historiquement, l’évolution de la couche physique avait permis une plus grande vitesse de transfert grâce à l’utilisation de modulation d’ordre supérieur et d’une structure de signal plus sophistiquée.  Par exemple, la progression du GSM/EDGE vers le Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) a introduit la technologie du Code Division Multiple Access (CDMA). De plus, la progression du LTE avait impliqué l’introduction du Orthogonal Frequency Division Multiplexer (OFDM) et du Single-Carrier Frequency Division Multiple Access (SC-FDMA). Comme à l’époque, les chercheurs continuent de concevoir et de rendre plus efficaces les structures de signaux. Par exemple, le Generalized Frequency Division Multiplexing (GFDM) utilise un filtre spécial afin d’atténuer l’interférence sur les canaux adjacents par rapport au traditionnel OFDM. De plus, les technologies telles que le multiplexeur Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) utilisent le domaine d’énergie de transmission pour une meilleure utilisation du spectre. Le GFDM et le NOMA ne sont que deux des domaines à explorer pour les nouvelles structures de signaux qui seront conçues pour augmenter la capacité et l’efficacité à l’intérieur d’un spectre donné.

Entrées multiples, sorties multiples (MIMO) de masse

La technologie MIMO permet un transfert de données plus rapide et sur une plus grande distance à travers les réseaux cellulaires par rapport à la technologie SISO (entrée simple, sortie simple). Le MIMO constitue le deuxième domaine de recherche pour le 5G. Les réseaux de type Global System for Mobile Communications (GSM) standards utilisent une seule antenne au niveau du récepteur et de l’émetteur tandis qu’une technologie MIMO, en contrepartie, utilise plusieurs antennes tant au niveau du récepteur que de l’émetteur. Depuis la dernière décennie, la technologie MIMO a ouvert la porte à l’augmentation de la capacité par canal au-delà de ce que le théorème Shannon-Hartley permettait, d’un point de vue théorique. La prémisse première du MIMO est que l’utilisation de plusieurs antennes permet une transmission de données sur un spectre de plus grande d’envergure. L’utilisation de plusieurs antennes permet de diviser la transmission des flux de données et d’améliorer la qualité du rapport signal sur bruit. De nos jours, plusieurs standards de communication cellulaire permettent l’utilisation du MIMO afin d’améliorer la capacité par canal. Depuis 2007 avec la livraison 7 du 3rd Generation Partnership Project (3GPP), le Evolved High Speed Packet Access (HSPA+) supportait déjà une transmission en aval avec un MIMO de 2 par 2. Qui plus est, le standard LTE introduit avec la livraison 8 de 3GPP en 2008 permettait, quant à lui, un MIMO de 8 par 8. L’utilisation de la technologie MIMO dans nos réseaux sans-fil, même actuels, n’a cessé d’augmenter. Ceci nous porte à croire que les prochaines générations des réseaux de communication cellulaires utiliseront, fort probablement, des systèmes MIMO avec un nombre d’antennes fortement plus élevé. On parlera donc d’entrées multiples, sorties multiples de masse. Des chercheurs de l’université Lund en Suède utilisent des systèmes de radios logiciel (SDR pour Software Defined Radio) afin de mettre sous prototype un concept de liens de communication d’entrées multiples, sorties multiples de masse (voir LUND University Massive MIMO). En plus d’utiliser plusieurs antennes pour permettre un plus grand débit de transfert de données, le système permettra de focaliser l’énergie pour la formation d’un faisceau vers un périphérique sans fil spécifique.

Ondes radio millimétriques

C’est sans surprise que l’on peut annoncer que les ondes radio millimétriques sont le troisième domaine de recherche. La majorité des réseaux cellulaires actuels opèrent dans des bandes particulièrement étroites en deçà des 2 GHz et dans laquelle les signaux se propagent sur une grande distance dans l’air libre, en demeurant, toutefois, dans un spectre quelque peu limité. La bande passante du spectre disponible affecte la vitesse maximale de transmission des données dans ces bandes. Selon le théorème de Shannon-Hartley, la capacité est une fonction linéaire de la bande passante selon la formule suivante: C = B log2 (1 + S / N) Où: C est la capacité du canal en bit par seconde B est la bande passante du canal en hertz S est la puissance du signal reçu sur la bande passante en watts et N est le bruit moyen sur la bande passante en watts. Étant donné les limitations du spectre sous la barre des 2 GHz, les chercheurs explorent les fréquences qui peuvent supporter une plus grande capacité. Parmi les bandes les plus prometteuses pour les réseaux cellulaires futurs, on y retrouve les ondes radio millimétriques telles que 28 Ghz, 38 Ghz et 72 GHz. Les ondes millimétriques ou Extremely High Frequency (EHF) sont les fréquences qui se situent entre 1 millimètre et 1 centimètre, donc de 30 à 300 GHz. Les ondes millimétriques offrent une bande passante substantiellement plus grande que les bandes présentement utilisées dans les télécommunications.

Conclusion

Nous nous préparons déjà à la venue du 5G. Les domaines du machine à machine (M2M) et des objets connectés (IoT) sauront faire bon usage de cette évolution technologique très anticipée.

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