Quelles fréquences pour la 5G

Quelles fréquences pour la 5G ?
Nouha CHHIH, Hortense DE BRAY (2ème année)
Version 2 - 21/06/2015
Résumé :
Les opérateurs de téléphonie mobile viennent à peine de commercialiser le LTE avec une
technologie 4G encore en cours de développement. Alors pourquoi l’industrie, l’écosystème des
communications mobiles de manière plus générale, commence-t-il déjà à s’afférer autour de la 5G?
Parce que le challenge est de taille et les objectifs sont ambitieux. Cette 5G apparaît aujourd’hui
comme la “concaténation” de nombreuses avancées technologiques, et recherches sur l’optimisation
des équipements et des protocoles des systèmes de communication … autant de technologies qui
s’inscrivent dans une Spectrum Efficiency accrue, l’un des volets de développement essentiels pour
porter les réseaux à la 5G à l’horizon 2020. Une certitude ressort de cette multitudes de projets: les
très hautes fréquences ( >6GHz ) seront acteurs de la 5G, elles sont synonymes de larges bandes
passantes disponibles et surtout de très hauts débits de données. Mais faire le choix de ces nouvelles
bandes, se tourner vers une solution de Spectrum Extension, c’est se heurter à des challenges en terme
de comportement, de propagation dans différents milieu, de perte et d’atténuations liées à la
diffraction, la pénétration d’obstacles. Nous verrons donc que la 5G, indissociable d’impératifs de très
hauts débits, pose des problèmes de disponibilité de spectre (~1GHz de spectre agrégé). Il faut alors
faire un choix entre Spectrum Efficiency sur les bandes actuellement utilisées et Spectrum Extension
sur les très hautes fréquences. Nous verrons que, l’une comme l’autre, chaque alternative apporte son
lot de problématiques de faisabilités techniques, financières, temps de calcul, etc. Il semble ainsi que
des compromis entre optimisation des technologies basses fréquences (< 4 GHz) et exploitation des
trés hautes fréquences (de 6GHz à 100GHz) s’imposent en fonction des cas d’usage, essentiellement
de l’environnement. On préférera donc les basses fréquences en outdoor et les très hautes fréquences
en indoor.
1./ Besoin en bande de fréquence ………………………………………………………….…..… p2
a. Objectifs …………………………………………………………………………….……. p2
b. Deux solutions émergent …………………………………………………………………. p4
c. Problèmes inhérents aux deux alternatives …………………………….……...…………. p6
2./ Spectrum Efficiency : État de l’art concernant l’allocation des basses fréquences ………. p7
a. Exploitation des basses fréquences pour commencer …………………………..........…… p7
b. Mise en commun du spectre et cognitive radio ……………….………………………….. p8
c. Coordination et Multisites MIMO ……………………………...……………………....… p9
d. Very Large MIMO …………………………………………………………………….….. p10
e. L’UF-OFDM ………………………………………………………………………..…….. p11
3./ Spectrum Extension : État de l’art concernant l’allocation des hautes et très hautes
fréquences …………………………………………………………………………….……..... p12
a. Compromis indoor-outdoor pour les ondes millimétriques ………………………..…...… p12
b. Multi-connectivité ………………………………………………………………...…...….. p13
c. Maîtriser les ondes à très hautes : les points sensibles …………………………….…....… p13
d. Effet Doppler dû au Massive MIMO …………………………………………………..…. p15
Bilan …………………………………………………..…………………………………….…..… p15
Selon les modèles mathématiques de l’ITU, le trafic internet sera multiplié par un
facteur allant de 44 à 80 entre 2010 et 2020 [3]. Le nombre d’utilisateurs de téléphones
portables passera à 3 milliards en 2017. En prenant en compte toutes les mesures
augmentant la capacité du réseau (nouvelles architectures sous forme de petites cellules,
LTE-Advanced …), l’ITU prédit qu’une largeur de bande supplémentaire de 1340 à 1960
MHz sera nécessaire pour les communications mobiles à l’horizon 2020. Les prédictions de
l’ITU s’accordent d’ailleurs avec les recherches de la GSMA1 qui tablent sur une bande large
de 1600 à 1800 MHz nécessaire. Environ 1 GHz a déjà été identifié comme disponible et
exploitable en l’état actuel, il ne reste donc plus que 600 à 800 MHz à trouver d’ici 2020
d’aprés la GSMA.
Equipementiers, laboratoires de recherche, opérateurs : les grands acteurs de sont
aujourd’hui tous investis dans la définition de standards 5G.
Source image: https://gsmaintelligence.com/research/?file=141208-5g.pdf&download
La plus grande part de recherche se concentre sur la nouvelle interface radio, dont
les exigences ont été définies. Initialement, la vision pour 2020 était que le réseau soit
capable de supporter 1 000 fois plus de trafic qu’aujourd’hui. Avec la 5G, cette ambition fut
portée à 10 000 fois, soit une capacité de 10 Gbit/s par terminal.
Au-delà des débits, la 5G s’accompagnera de réduction de la latence avec des délais
proches de 0 (objectif d’1ms selon [2]), afin d’offrir une interaction directe pour l’expérience
utilisateur à travers le concept d’Internet tactile, de réalité augmentée, d’anticipation de
l’augmentation de vidéos HD en ligne, du développement du Cloud et de l’Internet des
objets, cela pour offrir de meilleurs temps de réaction des services.
Pour le Dr Ulrich Dropmann [5], Responsable de la normalisation chez Nokia
Solutions, il est évident que pour satisfaire ces objectifs, il faudra avoir recours à des
spectres plus élevés qu’actuellement, ce qui constitue une rupture avec les générations
précédentes de réseaux mobiles autour de 1 à 3 GHz. La 5G aura besoin de porteuses très
larges avec des spectres au-delà des 5 GHz. Avec une propagation adaptée et une
disponibilité globale.
1
L’acronyme GSMA désigne la GSM Association, rassemblement de plus de 850 opérateurs à
travers le monde
1
Mais aux vues du besoin urgent en cette solution 5G, on parle de “5G in London by
2020” pour des raisons de campagne électorale, en 2020 en Corée également lors des Jeux
Olympiques de Tokyo, etc… Il faut alors espérer que les recherches sur les ondes
millimétriques et centimétriques (respectivement de fréquence > 6GHz et >30GHz) aient
abouties à des conclusions exploitables et déployables d’ici 2020. Le plus sage, aux vues
des délais, serait en fait de se concentrer sur l’amélioration de technologies maîtrisées ou
facilement maîtrisables à l’heure actuelle. Aussi se poser la question “Quelles fréquences
pour la 5G?”, c’est choisir entre la “Spectrum Efficiency” ou la “Spectrum Extension”.
1. Besoins en bande de fréquence :
a. Objectifs
L’étude réalisée par Nokia2 a tenté d’estimer quelle largeur de spectre et de bande
passante minimum étaient vraiment nécessaires pour satisfaire les exigences autour de la
5G jusqu’en 2030 et permettre de répondre au besoin principal : un débit de pointe de
10Gb/s, débit non atteignable avec la Release 12 du LTE.
Pour l’ITU et la GSMA les objectifs ont été clairement énoncés : une latence réduite
par 10, un débit de données allant de 10Gb/s à 100Mbit/s dans le “pire des cas”,une
capacité du réseau multipliée par 10 000 ...
Source: https://www.itu.int/dms_pub/itu-r/oth/0a/06/R0A0600005F0001PDFE.pdf
La 5G devra donc impérativement s’accompagner d’une plus grande plage de
fréquence disponible, ainsi que d’une meilleure efficacité spectrale, et d’une grande
densification de petites cellules [1] pour plus d’optimisation. L’architecture devra également
2
Étude publiée par Nokia, relatée dans les documents [1] et [2]
2
être assez flexible car le système sera sûrement déployé sur des bandes allant de 2 à 100
GHz, et que celui-ci pourra aussi servir à d’autres utilisations (futures et non encore définies)
dans les vingt prochaines années. La nouvelle génération d’interface radio, devra être
facilement intégrable aux infrastructures LTE: il s’agit aussi de permettre à ces réseaux
d’évoluer, et de simplifier la gestion de tous les types de réseaux qui seront existants en
pensant une introduction progressive de la 5G.
De plus, les bandes de fréquences devront être naturellement harmonisées au moins
au niveau régional et être disponibles en larges bandes de spectre continu (entre 500 MHz
et 1 GHz) dans l’éventualité d’une extension future.
Le constructeur Nokia a ainsi identifié un certain nombre de règles ou exigences à
respecter pour le futur de la 5G, explicitées dans [2]. Entre autres, 1 GHz de spectre agrégé
serait nécessaire pour fournir une capacité et un débit en contour de cellule suffisamment
élevé d’ici 2030.
A ces exigences s’ajoutent celles d’un Internet peu coûteux, d’une fiabilité et sécurité
requise pour les nombreuses futures applications de la 5G chacune portant ses propres
spécificités. Les communications Machine-To-Machine nécessitent par exemple un accès
fiable qui pourra être supporté par des ondes centimétriques et millimétriques. En revanche,
la grande majorité des communications dues à l’Internet des Objets devront rester très peu
coûteuses, tout en bénéficiant d’un réseau étendu, et n’ont pas besoin de beaucoup de
puissance. Des fréquences beaucoup plus basses seront donc plus appropriées pour ce
type de communication.
Source: http://www.frandroid.com/0-android/le-monde-de-la-mobilite/272945_5g-ce-quenous-prepare-le-futur-reseau-mobile-tres-haut-debit
3
La 5G devra aussi être consciencieuse en matière d’efficacité énergétique et de coût
d’infrastructure. L’infographie réalisée par la 5G-PPP parle alors d’elle même, la 5G
Infrastructure Public Private Partnership, constituée de représentants de la Commission
Européenne, d’équipementiers, d’opérateurs télécom, de fournisseurs d’accès et de
chercheurs. Le 5G PPP a pour objectif de fournir des solutions architecturales et
technologiques, ainsi que de définir des standards pour la nouvelle génération ambitieuse
d’infrastructure radio pour les prochaines décennies. Cet organisme a également identifié de
son côté ce qui lui semblait important :
Source: http://5g-ppp.eu/#
Toutes ces exigences impliquent de nombreuses contraintes et imaginer une solution
les respectant toutes paraît assez irréalisable aujourd’hui. Les différents rassemblements
autour de la 5G dans les prochaines années auront donc aussi comme but de redéfinir les
priorités concernant la 5G, permettant de réaliser des compromis.
b. Deux solutions émergent
L’efficacité spectrale mesure l’efficacité avec laquelle le spectre disponible peut être
utilisé pour la transmission de données. Un système est conçu avec différentes efficacités
spectrales, prévues pour différents cas, comme les limites de cellule, l’utilisation moyenne
ou les pics. Sur cela, de nombreuses technologies peuvent également jouer, comme la
modulation, le multi-antenne, le type d’onde, etc. En ce qui concerne la 5G, le massive
MIMO, la détermination de la bande de fréquence la plus adaptée au milieu, le choix de la
technique de multiplexage, seront des éléments clé susceptible de varier d’un endroit à
l’autre.
Les différentes exigences pour 2020 citées plus haut concordent sur le fait qu’il faut
repenser l’architecture spectrale de la 5G : utiliser du mieux que possible les fréquences en
dessous de 6 GHz, mais aussi débloquer de nouvelles fréquences. Ce sont donc les deux
pistes à privilégier en ce qui concerne les fréquences autour de la 5G.
Les fréquences en dessous de 6 GHz ont été utilisées jusqu’à présent pour leur
capacité à couvrir des zones très étendues. Malheureusement, beaucoup de ces fréquences
sont aujourd’hui déjà allouées. L’enjeu est donc de trouver certaines techniques permettant
une plus grande utilisation de certaines fréquences déjà allouées (Spectrum Efficiency) tout
4
en tentant d’en exploiter de nouvelles (Spectrum Extension), essentiellement dans le spectre
des ondes à très hautes fréquences.
Spectrum Extension:
Débloquer de nouvelles fréquences, et utiliser la grande largeur de spectre toujours
disponible, situées entre 6 et 100 GHz permettra notamment de pouvoir répondre aux
grandes exigences en terme de capacité et de débit des quinze prochaines années. Cette
gamme de fréquence doit être divisée en deux : les ondes centimétriques, allant de 6 à 30
GHz, et les ondes millimétriques, de 30 à 100 GHz. Ces deux catégories n’ont en effet ni les
mêmes caractéristiques de propagation, ni les mêmes bandes de porteuse possible dans
ces plages de fréquence.
Les ondes centimétriques seront sûrement celles utilisées en premier car plus
proches des plages déjà utilisées aujourd’hui. Des travaux de recherche additionnels
devront cependant être menés pour pouvoir mieux caractériser la propagation des ondes
radio dans ces bandes de fréquence. La largeur de bande contiguë potentiellement
nécessaire et disponible pour ces longueurs d’onde serait de l’ordre de 100 à 500 MHz,
donc plus large que celle du LTE-Advanced (100 MHz)
Face au besoin des 1 GHz de spectre agrégé, il faut donc aller plus loin et considérer
les ondes millimétriques, situées entre 30 et 100 MHz, quasi inutilisées. La principale raison
de faire le choix des très hautes fréquences est en effet principalement la disponibilité de
très larges bandes, selon [7]. Ce choix offre en effet jusqu’à 50GHz d’ondes millimétriques et
centimètriques. Malheureusement, les ondes millimétriques entre 30-300GHz, les plus à
même de convenir pour ce critère, ne permettent pas de couvrir une zone suffisante la
plupart du temps et sont plutôt indiquées pour une utilisation dans un espace fermé.
De plus, la plus grande capacité que l’on associe aux architectures à ondes
millimétriques est principalement due à la bande de porteuse plus large disponible.
Cependant, Nokia estime que quatre antennes sectorisées doivent être associées à chaque
point d’accès millimétrique. Ceci implique que les cellules centimétriques (à une seule
antenne nécessaire par secteur) peuvent servir quatre fois plus d’utilisateurs que les cellules
millimétriques, chaque point d’accès étant capable de couvrir quatre secteurs différents pour
une même aire de cellule à ces hautes fréquences.
Actuellement les grands équipementiers, naturellement moteurs en terme de
recherche sur le sujet des fréquences à allouer à la 5G, ont choisi de prendre le risque de se
concentrer sur une alternative/bande cible dans les (très) hautes fréquences. Citons
essentiellement NEC (5 GHz), Ericsson (15 GHz), Samsung (28 GHz) et Nokia (70 GHz). Le
congrès organisé en Avril par le NSN (Nokia Siemens Networks) au centre de recherche
NYU WIRELESS à la New York University s’est d’ailleurs uniquement concentré sur une
solution adoptant des fréquences au dessus de 6GHz voir dépassant les 60GHz.
Spectrum Efficiency:
Selon Nokia, on pourrait continuer à se concentrer sur l’existant et mieux utiliser
jusqu’à 2 GHz de spectre en dessous de la barre des 6 GHz. Ces fréquences pourraient être
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attribuées à plusieurs opérateurs simultanément (avec dans l’idée un partage d’une même
bande de fréquence). Afin de mieux maîtriser et exploiter le spectre en dessous de 6 GHZ,
des techniques comme LSA/ASA (Licensed Shared Acess and Authorized Shared Acces)
(voir 2.b) , le Massive MIMO, ou l’UF-OFDM sont prometteuses.
La GSM Association, a même ordonnancé les fréquences à utiliser en premier d’ici
2020. Elles se situent toutes en dessous des 6GHz et sont :
- < 700 MHz : Très grande couverture, notamment pour les zones rurales et à
l’intérieur des immeubles, les services de broadcast pourraient être maintenus et
cela dans peu de spectre.
- La bande L (1300 à 1518 MHz) : Utilisée aujourd’hui notamment par l’aérospatial,
mais largement inutilisée; donnerait une capacité additionnelle et une couverture
plutôt large. Cette bande a notamment l'avantage de pénétrer encore à travers les
cloisons d’immeubles.
- De 2.7 à 2.9 GHz : Plus grosse source d’apport de capacité. Leur déploiement serait
économiquement pertinent car les cellules existantes pourront être utilisées.
Aujourd’hui surtout dédiées à l’aéronautique, cette bande est largement sous-utilisée.
Le gain financier lié à l’utilisation d’une partie de cette bande pour les services
mobiles serait 10 fois supérieur au coût de ré-allocation des usagers existants.
- La bande C (3.4 à 4.2 GHz) : Grâce à la largeur de la bande, elle représente une
opportunité unique pour délivrer un service haut-débit sur des petits hotspots où les
réseaux cellulaires sont sous pression à cause des débit croissant de données. Ces
fréquences sont surtout utilisées pour les services satellites et dans les tropiques (à
cause des fortes pluies). Grâce aux innovations technologiques, un spectre alternatif
pourrait être utilisé pour les satellites et cette bande serait alors allouée aux services
de communication cellulaire
c. Problèmes inhérents aux deux alternatives
Les ondes centimétriques se comportent comme celles des bandes cellulaires
traditionnelles pour certains aspects: les réflexions ou les facteurs d’atténuation en
propagation par exemple. En revanche, certains effets, différents, apparaissent : on citera
notamment l’affaiblissement total et la diffraction, surtout à la limite haute de cette plage de
fréquence.
Les ondes millimétriques ont quant à elles un comportement assez différent des
ondes de fréquences inférieures à 6 GHz, notamment en ce qui concerne la propagation
radio : plus de diffraction ou encore plus d’affaiblissement en cas de pénétration d’une
structure régulière ou d’un feuillage. En revanche, les réflexions et les facteurs
d’affaiblissement en propagation libre restent similaires dans une certaine mesure à ceux
observés en dessous de 6 GHz.
Ainsi, l’un des problèmes soulevés par l’utilisation de ces ondes très hautes
fréquences est la modélisation de leur comportement, similaire aux ondes de fréquences
plus faibles par endroits, et très différent par d’autres aspects. De plus, bien que la
séparation entre les ondes centimétriques et millimétriques se fasse de manière précise à
30 GHz (correspondant à une longueur d’onde de 1 cm), la transition dans leur
comportement en matière de propagation ne se fait pas de manière franche, ce qui
complique encore plus la tâche. La problématique est la même à la limite des 6 GHz. Les
6
ondes de fréquences plus faibles sont gênées dans leur propagation par la traversée
d’interfaces intérieurs-extérieurs régulières, alors que les ondes plus hautes fréquences sont
plus sensibles aux obstacles irréguliers type “feuillage” ou le propre corps de l’utilisateur par
exemple !
Ainsi allouer des bandes de fréquences dans un spectre très large, allant de 700
MHz à éventuellement 100 GHz, équivaudra à l’allocation de ressources aux
comportements significativement différents [6], nécessitant une modélisation, un codage,
des calculs, une électronique différente. Il faudra donc accorder une grande importance aux
problématiques de compatibilités. L’article [6] défini d’ailleurs la 5G comme une multitude
d’interfaces radio correctement intégrées les unes aux autres.
Source:
http://www.ericsson.com/res/thecompany/docs/publications/ericsson_review/2014/er-5gradio-access.pdf
Si le débit de données sera plus élevé en très hautes fréquences, l’utilisateur n’aurait
actuellement que peu de chances d’obtenir de “sa station de base” le meilleur service s’il ne
se trouve pas dans une configuration très précise. Car à des hauts débits de données
transmises par une station de base, le réseau ne peut pas se permettre de s’attarder sur les
bits transmis en conservant une puissance rayonnée constante. D’autant plus qu’à ces très
hautes fréquences l’atténuation du signal est très importante à travers murs, fenêtres et
obstacles quelconques. Ces ondes sont donc plus adaptées au déploiement dans le cadre
de réseaux denses, dans des zones très fréquentées telles que des centre commerciaux,
les aéroports, les gares, etc...
2. Spectrum Efficiency:
État de l’art concernant l’allocation des basses fréquences
a. Exploitation de basses fréquences pour commencer
On l’a dit, l’exploitation des bandes de fréquences connues et maîtrisées
actuellement doit être le point de départ pour la sélection d’un nouveau spectre pour la 5G.
Les équipementiers s’accordent avec la GSMA sur ce point et développent des techniques
afin de libérer des bandes “ré-allouables”et d’optimiser l’utilisation des autres. Les premières
cibles citées en 1.b sont les bandes situées en dessous des 700MHz.
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En Mars 2015 a d’ailleurs été décidé que la bande 700MHz (précisément la tranche
694-790 MHz), jusqu’alors utilisée pour la diffusion de la télévision numérique terrestre serait
réaffectée à la téléphonie mobile dans toute l’Europe d’ici 2020. L’Arcep, a publié le 31 Mars
une note de synthèse [8] définissant les modalités d’attribution de ce spectre de fréquences
qui permettra d’augmenter le débit des réseaux mobiles, l’attribution définitive aux
opérateurs attendra décembre 2015.
Les fréquences basses, comme la tranche de 700MHz, présentent un double
avantage: elles permettent, d’une part, au réseau mobile de mieux pénétrer dans les
immeubles, car les ondes traversent le béton. Elles sont donc précieuses, pour les
opérateurs, en milieu urbain où la densité de bâtiments est importante. Elles restent, d’autre
part, très utiles dans les zones peu denses, car elles permettent une bonne couverture
grâce à un nombre limité d’antennes. Ces fréquences sont pour l’instant encore occupées
par le secteur audiovisuel, qui s’en sert pour les émissions des chaînes de la télévision
numérique terrestre (TNT) et ne devraient être libérées, après enchères et attribution aux
opérateurs, que progressivement entre décembre 2015 et juillet 2019. L’Arcep [9] a
également indiqué que cette nouvelle attribution est un pas vers la croissance des usages
sur les réseaux mobiles à très haut débit. Il s’agira de permettre de préparer l’arrivée de la
5G à l’horizon 2020. « L’attribution de la bande 700 MHz revêt une importance stratégique
pour le déploiement de réseaux mobiles à très haut débit étendus et performants à court et
moyen terme, ainsi que pour accompagner, à plus long terme, les futures innovations ».
Mais, selon le Dr Ulrich Dropmann [5] “la bande des 700 MHz est un spectre qui
répondra aux attentes du LTE 4G. Au niveau mondial, le 700 MHz est déjà alloué en
Amérique du Sud et s’étend en Asie-Pacifique. La 5G sera complémentaire à la 4G, et n’a
pas vocation à remplacer le LTE. La 5G, qui se situe au dessus des 5 GHz, nécessitera
donc de nouvelles plages de fréquences.” Soulevant alors une problématique de
compatibilité et de “complémentarité des technologies 4G et 5G ainsi que le soucis de
trouver plus de bande passante pour la 5G que celle offerte par ces 700MHz.
b. Mise en commun de spectre et cognitive radio
Le plus gros problème lié aux bandes de fréquences inférieures à 4 GHz est leur
allocation. Cependant, une bande radio n’étant jamais utilisée à 100%, on peut donc
imaginer des techniques permettant d’optimiser l’utilisation de ces fréquences. Deux pistes
se dégagent: la première, la cognitive radio, technique applicable également pour la mise en
commun de spectre entre opérateurs.
La cognitive radio repose sur des systèmes implémentant la méthode d’accès
Dynamic Spectrum Access, qui permet aux cognitive devices d’observer des bandes de
fréquences de radio, mesurer leur utilisation et de l’utiliser à leur propre compte si elles son
disponibles. L’adaptation de leurs paramétrage d’émission-réception, est donc basé sur la
connaissance interne et externe pour explorer et exploiter les fréquences non utilisées à cet
instant là.
Cette solution est originale dans la mesure où elle va à l’encontre des systèmes
existants très statiques. Une gestion dynamique de la base de données sera donc
primordiale
et
crucialement
complexe
pour
l’allocation
des
ressources.
8
Cette technique peut également initier la voie vers une allocation du spectre moins
fragmentée, en faisant en sorte que les plus gros morceaux de spectre soient disponibles
pour les communications, non pas de manière permanente mais temporairement sur un
deuxième plan.
Le partage du spectre radio est une solution connue déjà développée pour les
bandes de fréquence actuelles sous-utilisées, et le problème futur du manque de
fréquences. Cette solution devrait englober différentes techniques, tant du côté device que
du côté réseau, en termes administratifs, techniques ou de politique, qui permet d’améliorer
l’utilisation du spectre dans des bandes sous licence ou non.
L’accès “exclusif” à certaines plages de fréquences sera sans doute nécessaire en
5G pour garantir une qualité de service dans des réseaux radio-mobiles étendus.
Cependant, sur les porteuses de fréquence supérieure à 6 GHz, dans des petites cellules,
l’accès exclusif résultera sûrement en une sous-utilsation de la bande. Des accès sans
licences ne seraient pas satisfaisant non plus car la qualité de service serait alors fortement
imprévisible. Une régulation plus flexible -- via la possibilité pour les opérateurs d’exploiter
différentes bandes de fréquence, avec différents modes d'autorisation -- permettrait ainsi
une grande capacité et une utilisation flexible des systèmes 5G.
Co-Primary Shared Access est une technique de partage de spectre où plusieurs
opérateurs utilisent ensemble une partie de leur bande agréée sous licence. Le partage est
fondé sur une monnaie virtuelle intra-Radio Access Network. Le protocole est applicable
dans un scénario de location mutuelle (les opérateurs ont des licences individuelles pour
avoir accès aux bandes de fréquences et sont autorisés de louer mutuellement des parties
de leurs ressources sous licences à des homologues, sur demande) ou quand les
opérateurs mettent en commun leur spectre (une licence de groupe est alors agréée à un
opérateur pour utiliser un regroupement commun de fréquences, regroupement partagé
entre un nombre limité d’opérateurs qui y ont des droits d’accès équivalents).
L‘utilisation conjointe de fréquences sous licence entre opérateurs peut être réalisée
orthogonalement en temps, en fréquences, spatialement ou non-orthogonalement (avec
création d’interférences inter-opérateurs dans ce dernier cas).
c. Coordianation et Multisites MIMO: les “Elastic Cells” d’Ericsson et SK
Telecom
L’équipementier suédois Ericsson et l’opérateur coréen SK Telecom ont fait il y a
moins d’un an la première démonstration mondiale de la technologie Elastic Cell [10].
Egalement connue comme Flexible Cell, cette technologie permet à plusieurs points de
connexion radio mobile de coopérer entre eux autour du terminal de l’utilisateur pour
optimiser dynamiquement la qualité du réseau. Ce modèle de fonctionnement centré sur
l’utilisateur (user centric) rompt avec l’existant où un terminal est connecté à une seule
cellule radio et non plusieurs à la fois.
9
Source image: http://www.sktelecom.com/en/press/detail.do?idx=1079
Proche du fonctionnement CoMP qui se développe en LTE, en échangeant les
différentes informations de l’environnement radio proche de l’utilisateur, ce modèle flexible
vise notamment à améliorer les services du réseau en éliminant le signal des cellules
parasites lorsque l’utilisateur se trouve en limite de la zone de couverture d’une antenne
radio. En prévenant la dégradation de la qualité du réseau quand le terminal passe d’une
cellule à l’autre lorsqu’il est en mouvement (en voiture, dans les transports…), l’Elastic Cell
limite les coupures et améliorer les échanges de données sans coupure.
Selon Ericsson et SK Telecom, la solution permet d’améliorer jusqu’à 50 fois la
vitesse de transfert des données en limite de cellule par rapport aux capacité des réseaux
LTE (4G) actuelles. Les deux acteurs présentent Elastic Cell comme une technologie clé de
la future 5G. Ce qui n’empêche pas SK Telecom d’ambitionner d’installer cette technologie
radio sur son infrastructure dès 2016 pour des essais 4G alors que l’ouverture des premiers
réseaux 5G ne sont pas attendus avant 2020.
Avec Elastic Cell, SK entend s’approcher de l’ambitieux projet d’opérer un réseau
mobile à 1 Gbit/s « depuis n’importe où ». Une ambition présente à l’échelle européenne à
travers le projet METIS (Mobile and wireless communications Enablers for the Twentytwenty Information Society), le programme européen de R&D sur la 5G, qui regroupe les
acteurs européens mais aussi chinois (Huawei), japonais (Docomo) et coréens (SK). Dans
cet esprit coopératif, SK Telecom et Ericsson ont d’ailleurs signé, début juillet, un
Memorandum of Understanding (MoU), un protocole d’entente de développements autour
des technologies 5G.
d. Plus de MIMO: Very Large MIMO
Avec l’utilisation d’un très grand nombre d’antennes de l’ordre de 100 voir 1 000
opérants simultanément et de manière adaptative. De cette manière, en transmission
comme en réception, l’échange de puissance est alors mieux concentré par beamforming.
Répondant alors aux besoins de fort débit, d’efficacité énergétique, mais surtout de
spectrum efficiency avec un signal orienté, des “cellules” plus étroites et une bande
10
passante mieux exploitée pouvant servir jusqu’à 10 à 100 fois plus de terminaux qu’à l’heure
actuelle selon [11].
e. L’UF-OFDM (Universal Filtred OFDM) par FBMC ( FilterBank
MultiCarrier)
L’UF-OFDM, plutôt que l’OFDM, est un candidat préférentiel pour la 5G d’aprés [12]
et [13]. Les bandes de garde nécessaires pour l’OFDM y sont considérablement réduites.
Grâce à un système de codage, avec un rendu plus proche du Dirac, on réduit l'étalement
du signal, on a plus de précision, mais aussi moins d’erreurs. L’UF-OFDM, permet donc de
récupérer du spectre de la bande utilisé pour les intervalles de gardes et la correction
d’erreurs pour plus de débit utile. Cet outils de codage, permet le transport de bursts très
rapides (Short Burst), focalisé sur quelques ressources radio pour les échanges objets
connectés par exemple. On gagne alors en efficacité spectrale par rapport à l’OFDM (de 2025% selon Olivier Marcé d’Alcatel Lucent).
Source images: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=6291765
11
3. Spectrum Extension :
État de l’art concernant l’allocation des hautes et très hautes fréquences
Suite aux annonces technologiques et aux manifestations d’intentions des
équipementiers autour de la 5G ces derniers mois, l’élaboration des normes commence.
L’ETSI (European Telecommunications Standards Institute), qui dresse les normes en
matière de télécommunications sans fil notamment, a tenu son premier atelier, les 14 et 15
janvier derniers, sur la question des très hautes fréquences (plus de 30 GHz) qu’utilisera
potentiellement la 5G à l’horizon 2020 [14].
Le spectre des ondes millimétriques, qui s’étend de 30 à 300 GHz, dispose d’une
plus large capacité de fréquences accessibles qu’avec les bandes plus basses aujourd’hui
tout en autorisant des performances équivalentes à celles des débits en fibre optiques.
L’ETSI ne voit que des avantages à exploiter les ultras hautes fréquences. Pour l’organisme,
le spectre est facile à déployer, il peut être réutilisé aisément, et ses prix de licence plus bas
(que les basses fréquences) diminuent le coût d’exploitation.
a. Compromis indoor-outdoor pour les ondes millimétriques
Selon le constructeur Nokia, la 5G des ondes au-delà de 6 GHz devra être déployée
grâce à de petites cellules. Les ondes centimétriques devront permettre une bande de
porteuse de largeur 500 MHz, pouvant fournir de l’ordre de la centaine de Gb/s/km 2 pour
2025 et au-delà. La 5G sur ondes millimétriques devront elles permette de l’ordre du
Tb/s/km2 pour 2030, grâce à une bande de porteuse de largeur 2 GHz.
Pour compenser le très grand affaiblissement en propagation de ces deux types
d’ondes entre 6 et 100GHz, des antennes captant de très grandes gammes de fréquences
devront être utilisées avec des sites qui ne devront pas être distants de plus de 75 à 100 m
pour permettre une bonne couverture et satisfaire la demande en capacité du réseau.
De plus, les systèmes haut-débit fonctionnant sur des ondes centimétriques et
millimétriques sont par nature plus limitées par le bruit, que par les interférences dues aux
autres cellules, cela vient corroborer l’hypothèse d’une utilisation d’abord en indoor avec un
ensemble de cellules très haute fréquence à faible portée mais haut débit.
En somme, les ondes millimétriques et centimétriques seront une bonne solution
pour les zones très denses, en intérieur, et pour une diffusion du signal très rapide :
beaucoup de débit sera alors disponible, ce qui pourra alors satisfaire la demande
(l'utilisation principale du débit se fait actuellement indoor d’ailleurs).
Aux vues de la très faible couverture et aux problèmes de propagation des ondes
très hautes fréquences, un réseau 5G avec couverture étendue sera donc également
nécessaire en outdoor. Celui-ci exploitant vraisemblablement de la manière la plus
optimisée les basses fréquences pour offrir aux utilisateurs la même QoS que les ondes
centimétriques et mulimétriques en indoor. Il faudra également “délimiter” ces deux types de
réseaux pour permettre de satisfaire d’ici 2020 la future demande de capacité intérieure
avec des équipements adaptés et compatibles avec les technologies existantes, notamment
le LTE qui devrait s’être considérablement démocratisé. Afin d’optimiser l’utilisation de ces
ressources, la multi-connectivité des terminaux semblent donc nécessaires.
12
b. Multi-connectivité
Une piste développée par Nokia [1], en ce qui concerne l’utilisation des différentes
fréquences disponibles, est un système multi-couches. Un réseau de couverture étendue
serait déployé sous les 6 GHz, avec plusieurs dizaines de MHz de bande passante. A ce
réseau, serait ajouté une couche de capacité micro-cellulaire, sur ondes centimétriques, et
de bande passante de 100 à 200 MHz. Une dernière couche, pour les réseaux de petite
échelle ou domestiques, fonctionnerait sur des ondes millimétriques avec une bande
passante de 1 à 2 GHz.
Dans le cas le plus simple, le terminal ne serait connecté qu’à une couche la fois,
dépendant de la couverture et du niveau de service requis. Cependant, dans d’autres cas,
de grande fiabilité ou de faible latence par exemple, le terminal pourrait être connecté à
deux couches adjacentes en même temps.
Source : Nokia Networks white paper - 5G Radio Access System Design Aspects [1]
La multi-connectivité des systèmes à différents types d’ondes est intéressant pour
concilier les systèmes centimétriques et millimétriques notamment, permettant du partage
de charge par exemple (les cellules centimétriques peuvent servir quatre fois plus de clients
que les cellules millimétriques, à tailles égales (d’après Nokia, cf 1/B).
La multi-connectivité entre LTE Advanced, ondes centimétriques et ondes
millimétriques permettraient aussi d’améliorer significativement les performances en bords
de cellule ainsi que diminuer la densité nécessaire pour le déploiement des petites cellules.
c. Maîtriser les ondes à très haute fréquence: les points sensibles
Les systèmes haut-débit pour ondes millimétriques ne sont en effet ni limités par les
interférences, ni par la bande passante, mais par l’affaiblissement de propagation. Le but
sera plutôt d’obtenir un gain en puissance, grâce au beamforming. Le multiplexage spatial,
si essentiel pour les performances de la 4G, ne sont plus centraux en millimétriques :
l’affaiblissement de propagation est bien plus limitant. Les ondes centimétriques évolueront,
13
quant à elles, à cheval sur ces deux modes de fonctionnement, car aussi limitées par la
bande-passante et les interférences. Elles devront donc allier MIMO et beamforming.
Ainsi, selon Nokia, massive MIMO augmentera l’efficacité spectrale des ondes
centimétriques. Pour les ondes millimétriques, en plus du MIMO, il faudra déployer un plus
grand nombre d’antennes pour pouvoir générer des faisceaux très concentrés
(beamforming) pour compenser l’affaiblissement en propagation.
La portée
Les recherches présentées au congrès de Brooklyn sur la 5G, notamment celle
publiée par des chercheurs de la NYU dans [15] ont montrées que la portée de
communications très haut débit peut être étendue par l’exploitation d’antennes (ou réseaux
d’antennes) à gain extrêmement élevés. L’étude a permis en effet d’atteindre une portée de
200m dans un espace très obstrué avec 49dBi de gain d’antennes combinées grâce au
beamforming. A comparer aux 14 à 19dBi de gain pour l’antenne de 2m que l’on trouve le
plus généralement aujourd’hui. Évidemment obtenir un tel gain d’antenne pose lui même
des questions de faisabilité technique et de pertinence financièrement.
Le beamforming
Le beamforming porte son lot de problème également. Concernant le fait de donner
une direction précise à l’antenne dans un environnement hors ligne de vision (NLOS) c’est à
dire avec obstacles, cela est comparé par [7] à l’utilisation d’un faisceau laser à travers les
broussailles. Mais sonder l’environnement avec un faisceau centré et déterminer le meilleur
moyen de donner une direction à l’antenne demande à la fois du temps et une grande
puissance de calcul. A cela il faut ajouter de la signalisation overhead afin de pouvoir suivre
et conserver le beamforming en cas de mobilité.
Remarque: Pour une meilleure utilisation du spectre, le TDD dynamique est une
piste sérieuse à envisager pour les réseaux 5G ultra-denses, fonctionnant au-dessus de 6
GHz.. Il permet en effet d’allouer le spectre complet à la direction qui en a le plus besoin,
donc d’optimiser l’allocation entre les voies montantes et descendantes.
Beampattern
De plus, pour façonner le diagramme d’antenne, il faut de la puissance de calcul et
de traitement. Chaque groupe d’antenne doit ajuster sa propre phase et amplitude afin de
constituer un “beam pattern” c’est à dire une configuration de faisceaux satisfaisante. Cela
est synonyme d’un trafic continu d’aller-retours pour chaque groupe d’antenne mettant en
jeu des amplificateurs faible bruit (LNA pour Low Noise Amplifier), des Amplificateurs de
puissance, des mélangeurs de fréquence, etc… Le nombre de calcul requis pour ce
traitement numérique augmentant de manière plus forte que linéairement par rapport au
nombre d’antennes utilisées. En outre, ces composant consomment bien entendu de
l'énergie et engendrent des coûts additionnels.
14
d. Effet Doppler dû au Massive MIMO
D'après [7], dans un environnement hors ligne de vision (NLOS), le récepteur doit
pouvoir combiner des signaux arrivant avec un large angle de réception (Angle Of Arrival
AOA). Les signaux y ont suivi des trajectoires différentes, donc subissent un effet Doppler
différent pour chacun, engendrant en plus un important “étalement Doppler” global. Ainsi,
pour un accès mobile, le récepteur doit pouvoir combiner, probablement avec une méthode
de combinaison à rapport maximal (Maximum Ratio Combining), l’ensemble des signaux
reçus, issu chacun d’un trajet différent, donc chacun ayant subit un effet Doppler particulier
nécessitant donc une estimation du canal. Reconnaître l’étalement temporel dû à l’effet
Doppler, est un challenge aux très hautes fréquences où cet étalement temporel peut
dépasser l’intervalle inter-symboles en OFDMA ce qui peut créer du recouvrement.
Conclusion : Bilan et recommandations
Les travaux sur les technologies 5G avancent. Lors de la deuxième édition du
Brooklyn 5G Summit qui se tenait à New York du 8 au 10 avril 2015, Nokia Networks a fait
une démonstration de transfert de données sans fil à 10 Gbit/s à une fréquence de 73 GHz.
Soit les ondes millimétriques, envisagées dans le cadre du déploiement de la 5G.
L’usage des ondes centimétriques et millimétriques (les fréquences au-delà des 6
GHz et jusqu’à 100 GHz) pour améliorer la bande passante des réseaux mobiles
constituaient l’une des thématiques de cette conférence co-organisée avec le NYU Wireless
Research Center.
« L’utilisation de nouvelles bandes de fréquences est l’un des ingrédients clés dans les
futurs réseaux 5G, offrant une connexion « pratiquement nulle » pour soutenir la latence des
applications telles que l’Internet tactile, les voitures connectées et la réalité augmentée »,
rappelle le NSN. Au-delà des débits décuplés, la nouvelle génération de réseau mobile
attendue à l’horizon 2020 aura également pour objet de répondre aux besoins des interfaces
de contrôle temps réel et proposer une infrastructure capable de supporter des milliards
d’objets connectés.
Pour parvenir aux 10 Gbit/s de bande passante par utilisateur et une latence proche
de zéro (objectif d’une latence de 1 ms [1]), Nokia s’est notamment appuyé sur des
technologies MIMO 2×2 et de beamforming, lesquelles permettent d’optimiser les liens entre
le point de connexion et le terminal tout en multipliant les capacités de transmission, depuis
une modulation de porteuse unique.
Comme ses concurrents, particulièrement Huawei qui a investit 600 millions d’euros dans la
recherche pour la 5G, Nokia entend s’inscrire comme un acteur majeur de la future
infrastructure mobile. Si aujourd’hui des solutions technologiques sont proposées par les
différents constructeurs et laboratoires, il reste encore à en définir les normes et les
fréquences exploitables. Lesquelles devraient être présentées autour de 2017, notamment
par la 3GPP, l’association chargée de définir les standards mobiles.
15
Source à image: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=6477646
La question était de savoir quelles fréquences pour la 5G ? Cela reviendrait à choisir
entre la “Spectrum Efficiency” ou la “Spectrum Extension”. Et si la solution la plus simple et
performante était d’appliquer les deux ? Bien sûr, ces innovations techniques et
architecturales devront aussi aller de paire avec une densification du réseau et une
augmentation de son efficacité (efficacité réseau et non plus radio) pour pouvoir satisfaire
toutes les exigences énoncées plus haut.
16
Références
[1] Nokia Networks white paper, “5G Radio Access System Design Access”, 19 Dec 2014
[2] Nokia Networks white paper, “Ten key rules of 5G development”, 16 Avr 2015
[3] GSMA Public Policy Position, “Mobile spectrum requirements and target bands for WRC15”, 16 Mai 2014
[4] B. Singh, S. Hailu, K. Koufos, A. A. Dowhuszko, O. Tirkkonen and R. Jäntti (Aalto
University, Finland), R. Berry (Northwestern University, USA), Coordination protocol for interoperator spectrum sharing in co-primary 5G small cell networks, 7 Mai 2015 (LSA …)
[5] Christophe Lagane pour Silicon (4 février 2014). Ulrich Dropmann, NSN : « L’Europe
profitera de la 5G pour combler son retard ». [Online] Available:
http://www.silicon.fr/ulrich-dropmann-nsn-europe-profitera-5g-combler-retard-92494.html
[6] Ericsson Review, “The communications technology journal since 1924, 5G Radio
Access”, 18 Juin 2014. [Online]
Available:http://www.ericsson.com/res/thecompany/docs/publications/
ericsson_review/2014/er-5g-radio-access.pdf
[7] Steve Wilkus. “A frequency is not a network”. 16 Mai 2014. [Online] Available:
http://5gnews.org/frequency-network/
[8] Philippe Guerrier, “Bande de 700MHz, la prochaine bataille des opérateurs pour préparer
la 5G”, 8 Octobre 2014. [Online] Available: http://www.itespresso.fr/bande-700-mhzprochaine-bataille-operateurs-preparer-5g-79961.htm
[9] ARCEP “Revue stratégique du spectre pour les très hauts débits mobile - Consulatation
publique du 16 décembre 2014 au 16 février 2015”. Décembre 2014. [Online] Available:
http://www.arcep.fr/uploads/tx_gspublication/consult-THD-mobile-700mhz-161214.pdf
[10] Press Release, SK Telecom “SK Telecom and Ericsson Achieve World’s First
Demonstration of Elastic Cell, a Key Enabler for 5G”. 21 Juillet 2014. [Online] Available:
http://www.sktelecom.com/en/press/detail.do?idx=1079
[11] Massive MIMO InfoPoint “Massive (Very Large) MIMO Systems”. 2015. [Online]
Available: http://www.massivemimo.eu/
[12] Sriram N. Premnath, Daryl Wasden, Sneha K. Kasera, Member, IEEE, Neal Patwari,
Member, IEEE, and Behrouz Farhang-Boroujeny, Senior Member, IEEE. “Beyond OFDM:
Best-Effort Dynamic Spectrum Access Using Filterbank Multicarrier”. Juin 2013. [Online]
Available: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=6291765&tag=1
[13] Frank Schaich, Thorsten Wild, Yejian Chen Alcatel-Lucent AG Bell Labs Stuttgart,
Germany . “Waveform contenders for 5G – suitability for short packet and low latency
transmissions”. Spetembre 2014. [Online] Available: https://www.metis2020.com/wpcontent/uploads/publications/VTCSpring_2014_Schaich_etal_WaveformContendersFor5G.p
df
[14] ETSI Workshops Presentations. “ Indo-European dialogue on ICT standards and
emerging technologies” . 13-14 Mars 2014 . [Online] Available:
http://docbox.etsi.org/Workshop/IndoEuropean%20dialogue%20on%20ICT%20standards%20and%20emerging%20technologies/
[15] Theodore S.Rapport, Shu Sun , Rimma Mayzus , Hang Zhao , Yaniv Azar , Kevin
Wang, George N. Wong,Jocelyn K.Schulz, Mathew Samimi, Felix Gutierrez, NYU
WIRELESS, Polytechnic Institute of New York University, New York, NY 11201, USA.
“Millimeter Wave Mobile Communications for 5G Cellular: It Will Work!”. Mai 2014. [Online]
Available:http://faculty.poly.edu/~tsr/Publications/IEEE_ACCESS_May_30_2013_mmWave_
Wireless_ it_will_work.pdf
17