Solutions techniques pour la 5G

Dans la première partie de ce blog, nous avons discuté des exigences de la 5G et du processus de spécification entrepris par l'Union internationale des télécommunications (UIT) et le projet de partenariat de troisième génération (3GPP). Ici, nous poursuivons la discussion en étudiant les solutions techniques potentielles.

Les systèmes de télécommunications mobiles fonctionnent traditionnellement dans la bande UHF, de 300 MHz à 3 GHz. Cela a donné le meilleur compromis entre les problèmes concurrents de couverture et de capacité, qui sont respectivement plus importants aux basses et hautes fréquences. Malheureusement, la bande UHF est désormais extrêmement fragmentée et encombrée, c'est pourquoi l'attention se porte désormais sur les bandes SHF et EHF, de 3 à 300 GHz. Le diagramme montre certaines bandes suggérées dans des études réalisées par le régulateur britannique Ofcom, tandis qu'un point à l'ordre du jour visant à identifier les bandes appropriées a été adopté pour la Conférence mondiale des radiocommunications en 2019.

La propagation radio dans les bandes SHF et EHF est quelque peu différente de celle dans les bandes UHF. La taille des cellules dans un environnement urbain semble limitée à environ 200 mètres, cette limite étant due au fait que la propagation est dominée par les signaux en visibilité directe et que le signal est atténué par les précipitations et l'absorption atmosphérique. Les pertes de pénétration sont importantes et semblent susceptibles d’empêcher la communication de l’extérieur vers l’intérieur. De plus, l’utilisation de signaux radio avec des longueurs d’onde de l’ordre du millimètre ou du centimètre implique que les réseaux d’antennes constitueront un moyen important de maximiser la puissance du signal reçu.

L’utilisation de réseaux d’antennes suggère que les antennes à entrées multiples et sorties multiples (MIMO) joueront un rôle important dans la 5G. Dans la nouvelle technique du MIMO massif, chaque station de base est équipée de centaines d'antennes, qu'elle utilise pour communiquer avec des dizaines de mobiles en utilisant la même ressource temps-fréquence. Si l’on considère les transmissions de la station de base vers un mobile cible unique, alors les signaux des différentes antennes de la station de base se combinent de manière cohérente au niveau de la cible, mais se combinent de manière incohérente ailleurs. Pour M antennes desservant K mobiles, la puissance émise de la station de base est proportionnelle à 1/M, tandis que le rapport signal/interférence reçu est proportionnel à M/K. Les avantages de la 5G en termes d’efficacité spectrale et d’efficacité énergétique sont potentiellement importants.

La technologie d’accès multiple la plus probable pour la 5G semble toujours être l’OFDMA, mais cette question fait l’objet d’études plus approfondies dans le cadre des études 3GPP. Le MIMO massif est plus efficace lorsqu'il est utilisé avec le duplex par répartition dans le temps (TDD) plutôt que par le duplex par répartition en fréquence (FDD), mais l'attention est également portée sur la communication en duplex intégral, qui implique une transmission et une réception simultanées sur une seule fréquence porteuse. Dans la continuité des tendances existantes, les réseaux 5G seront probablement hétérogènes, avec une variété de tailles de cellules, et utiliseront de plus en plus de relais et de communications entre appareils. Enfin, l'attention se porte sur la centralisation et la virtualisation du réseau d'accès radio, dans laquelle le traitement du signal des stations de base est d'abord ramené vers un hub central, puis implémenté dans un logiciel sur des serveurs à usage général.