Les nouvelles technologies suivent souvent le cycle de battage médiatique classique de Gartner, passant de l'innovation initiale à l'enthousiasme excessif et à la désillusion jusqu'à l'illumination et finalement à la productivité. La 5G ne fait pas exception. Alors que les gros titres et le battage médiatique autour de la 5G cèdent la place aux réalités pratiques, défenseurs et critiques s’accordent sur le fait qu’un certain nombre de problèmes techniques doivent être résolus avant que la 5G n’atteigne son plein potentiel. Les réseaux 5G basés sur des fréquences à ondes millimétriques (mmWave) dans la gamme de 24 à 40 GHz sont les plus prometteurs en matière de connectivité sans fil à large bande passante et à faible latence. Cependant, mmWave sans souci pose également d’importants défis de propagation RF et des obstacles au déploiement de réseaux 5G ultra-rapides à grande échelle que les concepteurs doivent surmonter pour libérer le potentiel de la 5G partout.
Transformation 5G : Réseaux sans fil avec des vitesses similaires à celles de la fibre optique
L'évolution du cellulaire est sans fin : la messagerie texte compatible 2G, la connectivité Internet mobile 3G et la vidéo en streaming mobile 4G. 5G New Radio, la cinquième génération de technologie cellulaire, est en passe de succéder à la 4G LTE d'aujourd'hui, offrant des débits de données de pointe 100 fois plus rapides que la 4G, ainsi qu'une bande passante considérablement plus élevée, une latence plus faible, une plus grande disponibilité et une couverture plus cohérente.
La 5G sera un catalyseur d'innovation dans la façon dont nous vivons, travaillons et nous connectons, transformant les industries et améliorant nos vies d'une manière que nous n'avons pas encore imaginée. Tout comme la prolifération des communications par fibre optique à haut débit a révolutionné Internet, les réseaux 5G vont dynamiser la connectivité mobile partout. Les vitesses 5G de type fibre avec une disponibilité du spectre 10x brouilleront les frontières entre l'accès filaire et sans fil dans nos maisons, bureaux, usines et paysages urbains.
Les applications bénéficiant des performances inégalées de la 5G incluent les véhicules entièrement autonomes, les communications de véhicule à véhicule, les bâtiments intelligents et les villes intelligentes, la télémédecine, la robotique médicale, la réalité virtuelle et augmentée, les services mobiles basés sur le cloud. Une augmentation exponentielle des appareils connectés pour l'Internet des objets et l'IoT industriel Les usines, entrepôts et arènes sportives intelligents seront parmi les premiers à bénéficier des réseaux 5G privés.
mmWave : la technologie 5G que nous voulons tous
Tout comme il existe de multiples saveurs de Wi-Fi et les technologies sans fil Bluetooth avec des fonctionnalités et des niveaux de performances variables, les opérateurs de téléphonie mobile déploient plusieurs types de 5G avec des différences significatives de vitesses et de latence en fonction du spectre utilisé.
Il existe deux principaux types de réseaux 5G :
- Les réseaux mmWave 5G ultra-rapides sont basés sur des bandes ultra-hautes fréquences allant de 24 GHz à 40 GHz et même plus, offrant les performances ultra-rapides, la large bande passante et le « facteur époustouflant » que la plupart des gens attendent de la 5G. Il s'agit de la plage de fréquences 5G qui permet de réaliser des films complets en quelques secondes plutôt qu'en minutes.
- Les réseaux 6G inférieurs à 5 GHz - ce que la plupart des gens connaissent actuellement dans leur service 5G - prennent en charge les bandes de fréquences moyennes et basses inférieures à 6 GHz. Les bandes basse fréquence sont inférieures à 1 GHz et les bandes moyennes vont de 3.4 GHz à 6 GHz.
Comprendre les différences entre chaque type de technologie 5G est crucial pour relever les défis de déploiement et répondre aux attentes des utilisateurs finaux en matière de bande passante et de latence. Le type de 5G que la plupart des utilisateurs reçoivent aujourd'hui sur leurs smartphones n'est pas la 5G ultra-rapide et multi-gigabit qu'ils attendent immédiatement.
Les réseaux 4G LTE sont considérablement plus lents que les réseaux mmWave 5G, avec des vitesses de téléchargement 4G allant d'environ 35 Mbits/s à plus de 50 Mbits/s. mmWave peut fournir des vitesses aussi élevées que 5 Gbits/s, considérablement plus rapides que ce qui est possible avec la 4G LTE. Les vitesses de réseau inférieures à 6 GHz 5G se situent quelque part entre les vitesses mmWave et LTE. Alors que les réseaux inférieurs à 6 GHz surclassent la 4G LTE en termes de débit, de latence et de bande passante, ils sont en deçà des performances mmWave.
La plupart des utilisateurs particuliers et professionnels ne paieront pas le supplément pour passer de la 4G à la 5G à moins qu'ils ne constatent des améliorations spectaculaires des débits de données, de la latence et de la bande passante. mmWave est la seule forme de technologie 5G qui offre une expérience utilisateur nettement supérieure. C'est la 5G que nous voulons tous.
Déploiement mmWave 5G : défis et opportunités
L'énorme potentiel de la technologie mmWave s'accompagne de défis majeurs. Les vitesses réelles du réseau mmWave varient considérablement en fonction de la portée, des bloqueurs de signaux et de la proximité de la tour 5G ou de la petite cellule la plus proche. Si les réseaux mmWave 5G sont ultra-rapides, ils sont également à très courte portée. Pour recevoir des signaux mmWave, les utilisateurs doivent se trouver à un ou deux pâtés de maisons d'une tour 5G sans aucune obstruction de la ligne de visée (LOS). Les signaux mmWave haute fréquence sont facilement bloqués par les bâtiments, les murs, les fenêtres et le feuillage, ce qui réduit encore la portée 5G disponible (Figure 1). Pour optimiser la couverture, les opérateurs sont confrontés à l'installation de nombreuses petites cellules à haute densité, ce qui augmente le coût de déploiement des réseaux mmWave à grande échelle.
Figure 1 : Les défis des fournisseurs de services aux déploiements rapides de la 5G mmWave incluent une portée de signal limitée, des exigences en matière de visibilité directe, une mauvaise pénétration dans les bâtiments, ainsi que la couverture et la connectivité. (Source : Movandi) Cliquez pour une image plus grande.
En raison de sa couverture et de ses limites LOS, la technologie mmWave est mieux adaptée aux environnements urbains denses. En raison de sa portée limitée, mmWave n'est pas un choix pratique pour les zones suburbaines et rurales, qui sont mieux desservies par des réseaux 4G LTE et 6G inférieurs à 5 GHz plus faciles à déployer et plus abordables. Le déploiement à grande échelle des réseaux mmWave 5G nécessitera une installation souterraine étendue de câbles à fibres optiques. Jusqu'à ce que cela se produise, les opérateurs continueront de s'appuyer sur l'infrastructure réseau existante pendant que le marché passera à la 5G. De plus, les smartphones d'aujourd'hui ne prennent pas en charge tous les types de 5G. Cependant, Apple et Samsung devraient lancer de nouveaux produits pour smartphones compatibles 5G dans un avenir proche.
Bien que les limites de la portée, de la propagation du signal et de la LOS soient le « talon d'Achille » de mmWave, des technologies avancées telles que des réseaux d'antennes miniaturisés à entrées multiples et sorties multiples massives, une formation de faisceau adaptable et des répéteurs actifs intelligents peuvent relever efficacement ces défis.
Les répéteurs actifs intelligents résolvent les problèmes de propagation des signaux 5G en amplifiant les signaux mmWave et en étendant la portée et la couverture des réseaux basés sur mmWave dans les environnements extérieurs et à l'intérieur des bâtiments. Les répéteurs actifs fonctionnent en amplifiant les signaux mmWave, leur permettant de pénétrer les murs et autres obstacles et de se plier autour des bâtiments pour surmonter les problèmes de LOS sans avoir besoin de conceptions d'antenne encombrantes ou de liaison fibre coûteuse (Figure 2).
Lorsqu'il est déployé à l'intérieur d'un bâtiment, un répéteur intelligent amplifie un faible signal émis et peut éclairer une pièce entière, améliorant ainsi les expériences de connectivité des utilisateurs finaux et des applications. L'utilisation généralisée de répéteurs actifs sur les réseaux 5G permet aux fournisseurs de services de lancer des services 5G mmWave améliorés intérieurs, extérieurs et mobiles à des coûts 50 % inférieurs.
Figure 2 : Des solutions telles que les répéteurs actifs basés sur BeamX de Movandi peuvent augmenter la couverture des stations de base mmWave de 90 % pour moins de 40 % du coût d'investissement. (Source : Movandi) Cliquez pour une image plus grande.
Tous les principaux opérateurs aux États-Unis testent les réseaux mmWave, offrant une disponibilité dans certaines grandes villes et quartiers. La 6G inférieure à 5 GHz est actuellement plus largement disponible que mmWave, les principaux opérateurs déployant des réseaux 5G à basse fréquence pour de nombreux clients dans les zones urbaines.
Les opérateurs de niveau 1 migrent vers la technologie mmWave pour répondre aux exigences de capacité du réseau, car la demande des clients devrait dépasser la capacité inférieure à 6 GHz d'ici 2023, plusieurs opérateurs déployant déjà des réseaux 5G basés sur mmWave. Alors que les critiques de mmWave soutiennent que les réseaux inférieurs à 6 GHz offrent une meilleure couverture que mmWave et nécessitent moins de nœuds radio de nouvelle génération (gNB), un spectre inférieur à 6 GHz limité nécessitera éventuellement le déploiement de plus de gNB. De plus, mmWave à large bande passante aidera à soulager la congestion croissante du réseau dans les zones urbaines surpeuplées, telles que les arènes sportives, les salles de concert et les aéroports.
Alors que la transition vers les réseaux 5G est en cours, il reste encore un long chemin à parcourir jusqu'à ce que la 5G remplace la 4G LTE, réalisant la promesse de vitesses mmWave ultra-rapides et d'une faible latence. La technologie mmWave est la clé pour libérer le potentiel de la 5G. Pour atteindre les objectifs ambitieux de la 5G en matière de faible latence, de bande passante élevée, de vitesses plus rapides et de large couverture, les principaux opérateurs et fournisseurs de solutions mmWave travaillent ensemble pour surmonter ces défis fondamentaux.