5G

En télécommunications, 5G est la cinquième génération de standards pour la téléphonie mobile, faisant suite à la 4G+.

La technologie 5G est une « technologie clé » qui pourrait permettre des débits de télécommunication mobile, de plusieurs gigabits de données par seconde, soit jusqu'à 1 000 fois plus rapides que les réseaux mobiles en 2010 et jusqu'à 100 fois plus rapide que la 4G à l'horizon 2020.

Ces débits de données sont susceptibles de répondre à la demande croissante de données avec l'essor des smartphones et objets communicants, connectés en réseau. Ce type de réseau devrait favoriser le cloud computing, l'intégration et l'interopérabilité d'objets communicants et de smartgrids et autres réseaux dits intelligents, dans un environnement domotisé et une « ville intelligente ». Cela pourrait également développer l'imagerie 3D ou holographique, le datamining, la gestion du big data et du tout-internet « Internet of Everything » (expression évoquant un monde où tous les ordinateurs et périphériques pourraient communiquer entre eux). D'autres applications concernent les jeux interactifs et multijoueurs complexes, la traduction automatique et assistée instantanée…

Histoire et contexte

La 5G n'est pas encore définie et n'est donc pas officielle, mais le terme est utilisé pour désigner la prochaine génération successeur de la 4G dans certains journaux et documents.

Le terme 5G était déjà évoqué par les industriels de l'électronique dans les années 1980 ; cette technologie pourrait voir le jour vers 2020.

En France, le 22 septembre 2015, l'ARCEP a autorisé Orange à tester des technologies 5G dans les bandes de 3,7 GHz, 10,5 GHz et 17 GHz dans la ville de Belfort (Territoire de Belfort, Franche-Comté).

En juillet 2016, l'Institut de recherche technologique b-com est retenu par l'Arcep pour effectuer un test de la 5G dans la ville de Rennes.

Enjeux

De nombreux enjeux sont identifiés ou pressentis.

Enjeux économiques

De nombreux acteurs voient là un marché émergent, potentiellement riche en applications et débouchés nouveaux ; la 5G pourrait par exemple permettre de nouveaux usages numériques dans des domaines variés tels que la santé (diagnostic automatique ou distant, chirurgie et médication commandées à distance), du travail (télétravail), du déploiement d'objets communicants (dont voitures et autres véhicules sans conducteurs), de détecteurs et senseurs du e-commerce, des smartgrids, de l'intelligence artificielle, de la sécurité (téléprotection, gestion des flux de personnes, véhicules, denrées, biens et services en temps réel…), de l'éducation et de l'accès à l'information.

Enjeux éthiques

Des questions éthiques nouvelles, et des défis techniques et de soutenabilité se posent concernant la gestion et gouvernance de la bande passante (Cisco annonce d'ici 2018 une multiplication en 4 ans par 11 du trafic de données mobiles dans le monde ; par rapport à 2014), mais aussi concernant de possibles effets pervers du très haut débit dans les domaines de la vitesse de l'information sécurité informatique, flux financiers, bancaires et gestion boursière, de stockage des informations qui tendront à beaucoup grandir, voire d'« épidémiologie virale » et de protection des données privées (le piratage pouvant devenir quasiment instantané). L'analyse du cycle de vie (consommation d'énergie et de métaux rares par les serveurs et réseaux).

Enjeux environnementaux et sanitaires

Des questions se posent encore concernant les incertitudes en termes d'effets de la multiplication du nombre et de la puissance des antennes et relais en termes de smog électromagnétique et de santé environnementale, de même pour d'éventuels effets du haut-débit sur la psyché humaine.
Un défi énergétique consiste à atteindre une meilleure efficience énergétique, voire une sobriété ou indépendance énergétique d'appareils qui auraient fait l'objet d'une écoconception permettant des économies et un recyclage intégral (économie circulaire) de ressources rares et toxiques. Ceci implique des moyens plus intelligents, propres, sûrs et sobres pour alimenter les appareils mobiles mais aussi tout le réseau Internet.

Enjeux techniques

De nombreux défis sont à relever, qui vont d'une moindre consommation, voire d'une autonomie énergétique à la gestion du big data et d'un très grand nombre d'IP.

Techniques

Le 12 mai 2013, Samsung a annoncé avoir testé pour la première fois avec succès des techniques de sa future offre de réseau 5G qu'il prévoit pour 2020, avec des débits de données de 1 Gbit/s (1 gigabit par seconde) et allant dans le futur jusqu'à 10 Gbit/s. En 2015, le Centre de l’université du Surrey, en Grande-Bretagne, a annoncé avoir réussi à atteindre un débit d'1 Tbit/s (1 térabit par seconde, soit 125 Go/s) sur des fréquences au-dessus de 6 GHz. La même année, le centre mathématiques et algorithmiques de Huawei à Paris propose 5 technologies démontrant des débits compatibles avec les pré-requis de la 5G: Le F-OFDM (Filtered OFDM) pour la forme d'onde, le SCMA (Sparse Code Multiple Access) pour la technique d'accès, les codes polaires (pour le codage des différents types de paquets), le Massive MU-MIMO (pour le système d'antennes avec des techniques de précodages non-linéaires) et enfin le full duplex radio (qui combine les modes TDD et FDD). L'ensemble de ces technologies ont permis de démontrer lors d'essais outdoor à Chengdu avec NTT DOCOMO en Chine en octobre 2015 des efficacités spectrales downlink de 50 bit/s/Hz et une capacité du nombre de liens multiplié par 3 en uplink sur des fréquences en dessous de 6 GHz.

F-OFDM

La technologie F-OFDM constitue un socle pour la création d'une interface radio ultra-flexible et capable de s'adapter parfaitement aux types d'utilisation de la 5G définis par l'UIT-R, à partir d'une plate-forme unique de technologie radio. Elle permet à plusieurs numérologies d'interface radio concurrentes et à la structure de base d'assurer la fourniture de services très divers. Grâce au F-OFDM, le système 5G est paré pour l'avenir et sera en mesure de satisfaire aux exigences des services innovants émergents. D'après les résultats des tests, la technologie F-OFDM peut augmenter le débit du système de 10 %, en utilisant les bandes de garde du système LTE. De plus, le F-OFDM prend en charge les transmissions asynchrones en provenance de différents utilisateurs. Des récents tests ont montré que cette solution assurera une augmentation de 100 % du débit du système par rapport au système LTE, dans le cas de services mixtes utilisant la même porteuse avec plusieurs numérologies d'interface radio.

SCMA

Le SCMA, quant à lui, est conçu pour prendre en charge des connexions massives et améliorer le débit du système, tout en optimisant la conception des listes de code SCMA et la modulation multidimensionnelle. Il est également possible d'envisager une optimisation de l'allocation de puissance entre les différentes couches SCMA, notamment en débit descendant, afin d'améliorer le débit global du système. Selon les résultats des tests récents, le SCMA permet d'accroître le nombre de connexions ascendantes de 300 %, tout en augmentant jusqu'à 80 % le débit descendant du système.^{[réf. nécessaire]}

Codes Polaires

Les Codes Polaires assure l'allocation des informations vers des emplacements de données d'une haute fiabilité au sein de la structure du code, afin de transmettre des informations utilisateurs particulièrement importantes. Il prend également en charge le codage de canal d'un débit de code avec une construction de code adaptée permettant de répondre aux exigences des futurs services. Les tests ont démontré que le Polar Code assure une optimisation du codage de 0,5 dB à 2,0 dB comparativement au Turbo code utilisé dans le système LTE.

MU-MIMO

Lors du test de Huawei, le système multi-utilisateur MIMO (MU-MIMO) a pris en charge jusqu'à 24 utilisateurs et 24 couches de transmission parallèles sur une même ressource temporelle de fréquence. Les tests ont démontré que le système MU-MIMO peut atteindre un débit moyen de 3,6 Gbit/s par cellule sur une bande passante de 100 MHz, soit près de 10 fois les performances obtenues avec un système de base LTE. L'essai a confirmé l'intégration optimale de ces nouvelles technologies radio, ainsi que le potentiel des technologies flexibles d'interface radio 5G. Ces tests ont également été l'occasion de procéder à une évaluation des risques techniques, qui vient étayer le travail actuel de normalisation du 3GPP.

Ondes millimétriques en 5G

Le nom d'ondes millimétriques désigne toutes les composantes présentes dans le spectre de fréquence entre 30 et 300GHz. Les ondes millimétriques font partie des ondes radio. L'utilisation d'ondes millimétriques est jusqu'à présent restreinte aux applications indoor . L'une des raisons de cette restriction repose sur le fait que les ondes millimétriques subissent le plus l'atténuation, path loss ou affaiblissement de propagation. Vu que la formule de Friis (le calcul peut être établi ici) indique que les pertes de propagation en espace libre sont directement proportionnels à la fréquence, l'utilisation des ondes millimétriques en outdoor pose un challenge important. Le terme millimétrique met en relief l'aspect longueur d'onde.

Spectre électromagnétique et bandes de fréquences associée

Importance dans le cadre de la cinquième génération

1. Larges bandes possibles en hautes fréquences : ce point est important dans le cadre de la 5G, vue la croissance dans la demande de hauts débits. L' Ultra Wideband, une technique appliquée dans les communications sans fil permet des taux de transfert de données élevés tels que demandés par la 5G
2. Spectre électromagnétique relativement disponible. Vu l'épuisement des ressources fréquentielles, les bandes de fréquences allouées forment un débat important. La question se pose également pour la 5G ou les bandes utilisés ne sont pas encore définies et les bandes millimétriques peuvent être considérées comme solution possible.
3. Cette technologie peut être utilisée pour une transmission de données avec un débit élevée en utilisant une modulation de faible ordre, ce qui permet de mapper moins de bits / symboles. Les schémas de modulation à faible ordre consomment moins de puissance, réduisent la complexité et économisent sur le coût associé. Ces avantages sont vitaux dans le cadre de la 5G.

Domaines d'application

L'utilisation de cette bande a été proposée pour de nombreuses applications, y compris le transfert de données à haute vitesse, l'imagerie radar, le security screening, l'identification des substances ainsi que beaucoup d'autres.

Full-duplex

Le mode full-duplex a fait l'objet de tests lors de la première phase des essais 5G. D'après les premiers tests, ce mode permet la transmission et la réception simultanées des données au niveau de la station de base, avec trois niveaux de technologie en cascade, à savoir l'annulation analogique passive, l'annulation analogique active et l'annulation digitale. Les tests ont prouvé que le Full-Duplex peut permettre d'optimiser l'annulation des auto-interférences de plus de 113 dB en situation réelle, ce qui assure une augmentation de 90 % du débit du système par rapport aux modes half-duplex traditionnellement utilisés.

Tableau récapitulatif des techniques 5G

Les futures générations de réseaux mobile 5G^{[réf. nécessaire]}

Génération	Acronyme	Description	Version des normes 3GPP	Intitulé	Débit indicatif (download) en bit/s (théorique/pratique/usuel)
5G	IMT-2020 / LTE - B	Génération de téléphonie mobile 5G	pas encore normalisées	Long Term Evolution Advanced (LTE - B)	50 Gbit/s à l'arrêt / - / -

Recherche, tendances et prospective

Tous les grands opérateurs du secteur des télécommunications s'intéressent au sujet ainsi que de grandes institutions et de nombreux États : par exemple l'Union européenne a financé ou cofinancé de grands programmes comme 5G now, IJoin, Tropic et METIS (Mobile and wireless communications Enablers for the Twenty-twenty Information Society).

Lors du Mobile World Congress 2014 a été présenté le Tethercell, un dispositif qui fait de presque n'importe quel appareil à piles un objet compatible Bluetooth (une pile AA associée au Tethercell transforme la pile en « batterie intelligente », programmable et contrôlable à distance ou capable d'alerter avant que le dispositif ne manque d'énergie).

De grandes entreprises et des réseaux de chercheurs essayent d'imaginer et préfigurer une « 5G verte », c'est-à-dire à moindre empreinte carbone et écologiquement plus respectueux des ressources naturelles pas, peu, difficilement ou lentement renouvelables car jusqu'ici, les progrès techniques ont toujours été compensés ou dépassés par l'« Effet rebond » induit par l'augmentation des usages et des usagers et par l'obsolescence programmée de certains dispositifs.

En juillet 2014, le Suédois Ericsson a déjà fait la démonstration d'une pré-version de sa technologie 5G. L'entreprise de télécommunication avait alors atteint un débit de 5 Gbit/s^{[source insuffisante]}.

En juillet 2017, Saint-Marin signe un protocole d'accord avec Telecom Italia pour le déploiement expérimental de la 5G sur son territoire, ce qui fera d'elle la première nation à en disposer.

Financements

En mars 2013, la Commission européenne annonce 50 millions d'euros de subventions pour des projets liés à la 5G. La Commission supervise et cofinance le consortium Metis (partenariat public-privé contractuel de recherche « cPPP »), et a annoncé (en décembre 2013) ne pas vouloir prendre de retard sur la 5G ; il sera doté d'un budget de 700 millions d'euros pour la période 2014-2020.

En novembre 2013, la compagnie chinoise Huawei annonce avoir investi dans ces techniques dès 2009 et réussi à faire le premier test mondial d'un réseau cellulaire 5G en octobre 2015 à Chengdu avec NTT DoCoMo. L'entreprise investira 600 millions de dollars dans la recherche et développement de la 5G et prévoit à l'horizon 2018 que les utilisateurs auront accès à l'Internet mobile avec un débit de 1 Gbit/s avec la 4.5G et jusqu'à 50 Gbit/s avec la 5G, comme annoncé lors des Mobile World Congress de 2011 et 2012. Dans ce cadre, Huawei a mis en place un centre en mathématiques et algorithmiques de 100 personnes à Paris autour de la 5G et l'intelligence artificielle pour les réseaux dirigée par le professeur Mérouane Debbah.

Début 2014, la Corée du Sud a annoncé investir 1,1 milliard d'euros pour la mise en place de la 5G en 2020.

Voir aussi

Articles connexes

• Télécommunications
• Haut-débit
• Troisième révolution industrielle

Liens externes

• Portail du projet METIS 2020 (Mobile and wireless communications Enablers for the Twenty-twenty Information Society) et Horizon 2020 Advanced 5G Network Infrastructure for Future Internet PPP - Industry Proposal[PDF] ((en)brouillon Version 2.1)
• (en) ETSI Summit on Future Mobile and Standards for 5G (25 novembre 2013)
• (en) 5G mobile system requirements discussed at ETSI Future Mobile Summit (27 novembre 2013)
• La 5G, c'est pour quand? http://bfmbusiness.bfmtv.com/mediaplayer/video/la-5g-c-est-pour-quand-1603-777372.html

Bibliographie

• Bohlin E, Forge S & Blackman C (2007) L'infrastructure des télécommunications jusqu'à 2030. Les infrastructures à l'horizon 2030 Télécommunications, transports terrestres, eau et électricité : Télécommunications, transports terrestres, eau et électricité, 1, 57 (extraits avec Google Books).
• (en) Gani A, Li X, Yang L, Zakaria O, Anuar N (2009), Multi-Bandwidth Data Path Design for 5G Wireless Mobile Internets, WSEAS Transactions on Information Science and Applications archive, vol. 6, n^o 2, février 2009. (ISSN 1790-0832).
• (en) METIS (2013), “Positioning of multi-node/multi antenna technologies”[PDF], D4.1 on “Summary on preliminary trade-off investigations and first set of potential network-level solutions[PDF]” & D6.1 on “Simulation guidelines[PDF]”
• (en) METIS (2013), The 5G future scenarios identified by METIS –The first step toward a 5G mobile and wireless communications system
• (en) METIS (2013), Deliverable D1.1 Scenarios, requirements and KPIs for 5G mobile and wireless system[PDF]
• (en) METIS (2013), Deliverable D2.1 Requirement analysis and design approaches for 5G air interface[PDF]
• (en) METIS (2013), Deliverable D3.1 Positioning of multi-node/multi-antenna technologies[PDF]
• (en) METIS (2013), Deliverable D4.1 Summary on preliminary trade-off investigations and first set of potential network-level solutions[PDF]
• (en) METIS (2013), Deliverable D5.1 Intermediate description of the spectrum needs and usage principles[PDF]
• (en) METIS (2013), Deliverable D6.1 Simulation guidelines[PDF]
• (en) METIS (2013), Deliverable D7.1 Academic Dissemination & Exploitation Plans[PDF]
• (en) Pandey, MS, Kumar M, Panwar A, & Singh I (2013) A Survey: Wireless Mobile Technology Generations With 5G. In International Journal of Engineering Research and Technology (vol. 2, n^o 4 (April-2013)). Avril 2013, ESRSA Publications (lien de téléchargement).
• (en) Patil S, Patil V & Bhat P.(2012) A Review on 5G Technology. International Journal of Engineering and Innovative Technology[PDF] (IJEIT), 1(1), 26-30 (5 pages)
• (en) Siddiqui MM (2011) Vision of 5G Communication. In High Performance Architecture and Grid Computing (p. 252-256). Springer Berlin Heidelberg (résumé).
• (en) Wang LC & Rangapillai S (2012) A survey on green 5G cellular networks. In Signal Processing and Communications (SPCOM), 2012 International Conference on (p. 1-5). IEEE ; (ISBN 978-1-4673-2013-9) (résumé).