Expliquez-moi : la 5G
Dans toute la section « Expliquez-moi », nous allons tenter d'exposer en quelques lignes les points essentiels pour bien comprendre le projet ANR-LiLit.
Sur cette page, vous trouverez une définition des spécificités attendues de la 5ème Génération de Télécommunication, ou 5G, ainsi qu'une revue des différentes générations qui l'ont précédé et la place du projet ANR-LiLit au sein de cette génération.
Les différentes Générations de télécommunications
On appelle 1G, 2G etc. les différentes Générations de télécommunications qui se sont succédé au fil des années et des avancés technologiques depuis le premier appel effectué depuis un téléphone cellulaire. En règle général, l'introduction d'une nouvelle G dénote d'un changement dans la nature des technologies de transmissions et l'attribution de nouvelles bandes de fréquence.
La première génération, 1G
La première générations de télécommunications coïncide avec la première génération de téléphones mobiles. Elle fût lancée dès 1979 dans la région de Tokyo au Japon par NTT (Nippon Telegraph and Telephone) [1], puis 1981 dans le nord de l'Europe, en 1983 au États-Unis et plus largement dans les grandes nations aux début des années 80.
Cette génération utilisait un mode analogique de transmission des communications vocales, et employait différents standards suivant le pays . Les messages vocaux était modulé à des fréquences supérieures à 150 MHz pour pouvoir être échangés entre les tours radio, impactant grandement la richesse des enregistrements. À cela s'ajoutait une absence totale d'intimité étant donné que les enregistrements étaient diffusés dans les tours radio [2], une faible capacité, transferts peu fiables etc.
La deuxième génération, 2G
La 2G marque une rupture avec la technologie précédente notamment dans le mode de transmission des signaux vocaux qui sont désormais numériques. Introduite à la fin des années 80, elle se base sur la norme Global System for Mobile Communications (GSM) et permet désormais l'envoi et la réception de textes et d'images grâce aux services SMS et MMS à une vitesse de quelques kbps (kilobit par seconde).
Pour répondre à l'augmentation de la quantité de données échangées, les technologies General Packet Radio Service (GPRS) et Wireless Application Protocol (WAP) furent ajoutées à la norme GSM et permirent pour la première fois un accès à l'internet mobile tout en augmentant la vitesse de transmission des données à 64-144 kbps. On appelle volontiers le GPRS : la 2.5G pour ces raisons.
La troisième génération, 3G
Une minute sur internet [4]
La commercialisation des premiers mobiles multifonctions (smartphones) début 2000 coïncide avec le lancement de la 3G (UMTS en Europe, CDMA2000 aux États-Unis). Avec l'IMT-2000, l'Union internationale des télécommunications (UIT) fixe les objectifs et les technologies retenues pour cette nouvelle génération. La rupture se situe dans l'amélioration du système de transmission de données à commutation de paquets (introduite avec la 2.5G) qui permet l'échange de données à une vitesse de plusieurs Mbps (103 kpbs).
La 3G ouvre ainsi la voie aux appels visio, à la télévision et plus globalement à la navigation internet à grande vitesse.
La quatrième génération, 4G
Outre l'introduction de la norme Long Term Evolution (LTE) puis la LTE-Advanced par le consortium 3GPP (créé dans le but d'unifier le système de télécommunication mobile au niveau international et qui définit, avec l'UIT, les objectifs des nouvelles générations de télécommunications), la 4G marque l'abandon du réseau téléphonique commuté (RTC) au profit de la voix sur IP (VoIP).
La 4G a permis à de nouveaux services de se développer grâce à des vitesses de transferts rivalisant avec les connexions câblées (de quelques dizaines de Mbps jusqu'à plusieurs Gbps (103 Mpbs)). On observe en outre une augmentation des coûts d'installation et de la complexité des nouveaux équipements, ainsi qu'un développement plus poussés des systèmes de sécurité.
Les bénéfices attendus de la 5G
Là où la 5G se démarque, c'est que l'idée n'est plus simplement d'augmenter les débits de transfert des données, mais surtout d'élargir sa plage d'action pour bénéficier à de nouveaux secteurs : santé, transports, médias ou encore énergie.
Triangle des objectifs de la 5G [7]
Dès 2013 l'UIT a commencé à travailler sur le nouveau standard IMT-2020 et en parallèle, le 3GPP s'est intéressé aux technologies capables de répondre aux standards de la 5G. Depuis, elle a publié les Release 15, 16 et 17 détaillant les étapes d'établissement de la nouvelle norme.
La 5G a trois principaux objectifs liés à troix groupes de travail différents : le Massive Machine Type Communications (mMTC), l'Enhanced Mobile Broadband (eMBB) et l'Ultra-reliable and Low Latency Communications (uRLLC) [6,7].
1. mMTC – Massive Machine Type Communications
L'objectif est de fournir l'environnement idéal au développement de l'Internet des objets (IdO) : une grande couverture, une faible consommation énergétique et une bonne sécurité. La 5G devrait ainsi permettre de répondre à l'augmentation exponentielle du nombre d'objets connectés dans notre environnement.
Performances principales visées :
- Nombre d’objets connectés sur une zone (en quantité d’objets/km²) : 106 (105 actuellement)
- Efficacité énergétique du réseau : x50 (x1 actuellement)
2. eMBB – Enhanced Mobile Broadband
Cet objectif vise au développement des applications demandant des débits de transfert de données importants : vidéo en ultra-haute définition (8K), diffusion en temps réel de contenus, de vidéos en réalité augmenté, en 3D et en réalité virtuelle.
Performances principales visées :
Performances recherchées pour les trois groupe de travail de la 5G [8]- Débit maximal (en Gbps) : 20 (1 actuellement)
- Débit perçu par l’utilisateur (en Mbps) : 100 (10 actuellement)
- Efficacité spectrale (rapport débit/bande passante, en bit/Hz) : x3 (x1 actuellement)
- Vitesse (en km/h) : 500 (350 actuellement)
- Efficacité énergétique du réseau : x100 (x1 actuellement)
- Débit sur une zone (en Mbps/m²) : 10 (0,1 actuellement)
3. uRLLC – Ultra-reliable and Low Latency Communications
Ce groupe de travail se concentre sur l'application de la 5G dans les transports et l'industrie. Dans ces deux secteurs d'activité, les données récoltées doivent être sans équivoques, ultra-fiables et doivent pouvoir être interprétées immédiatement et en continu.
Performances principales visées :
- Vitesse (en km/h) : 500 (350 actuellement)
- Latence (en ms) : 1 (10 actuellement)
Pour répondre à toutes ces exigences, le réseau devra être flexible, et pour se faire il devra être composé pour une grande partie de composants génériques agiles et reconfigurables.
Dans le cadre du projet LiLit, l'objectif est de fabriquer un dispositif de filtre radiofréquence travaillant à 5,890 GHz et disposant d'une bande passante supérieure à 10%. De cette façon, quelques retouches dans l'architecture permettrait de l'intégrer à n'importe quelle application entre 3 et 6 GHz.
[1] Hilbert, Jeffrey L. Tunable RF Components and Circuits: Applications in Mobile Handsets. CRC Press, 2015.
[2] Gawas, A. U. "An overview on evolution of mobile wireless communication networks: 1G-6G." International Journal on Recent and Innovation Trends in Computing and Communication 3.5 (2015): 3130-3133.
[3] http://www.cntr.salford.ac.uk
[4] https://www.ericsson.com/res/docs/2014/5g-what-is-it-for.pdf
[5] https://www.sicomtesting.com/fr/blog/dal-1g-al-5g-il-passato-e-il-futuro-degli-standard-gsm-umts-hspa-ed-lte/
[6] https://www.arcep.fr/uploads/tx_gspublication/rapport-enjeux-5G_mars2017.pdf
[7] http://5g.ieee.org/standards
[8] https://5g-ppp.eu/wp-content/uploads/2016/11/06_10-Nov_Session-3_Lee-JunHwan.pdf
Vincent Astié, 09/19