Article par : NXP Semiconductors
La 5G est plus qu’une simple superposition sur la génération précédente, c’est un changement sismique qui apporte un changement fondamental à tous les niveaux.
Le développement et le déploiement de la 5G s’accélèrent, notamment en Asie. Des essais sur le terrain sont en cours, des composants arrivent et les tests couvrent le spectre à plus d’un titre. Quels sont les défis et comment se présente l’écosystème ? Découvrez-en plus dans la série In Focus de ce mois-ci.
À mesure que le déploiement des infrastructures 5G s’étend, les opérateurs de réseaux mobiles modifient l’infrastructure existante, ajoutant ce qui est nécessaire pour prendre en charge des débits plus élevés et une plus grande densité d’appareils. et une latence plus faible, nous devrons exécuter des cas d’utilisation 5G avancés, maintenant et à l’avenir.
Les opérateurs ont déjà effectué ce genre de travail, déplaçant le cellulaire de la 2G à la 3G et à la 4G, mais cette fois, c’est différent. La 5G est plus qu’une simple superposition sur la génération précédente, c’est un changement sismique qui apporte un changement fondamental à tous les niveaux. Se préparer aux opérations 5G signifie devoir faire face à de nouvelles technologies et de nouvelles techniques, des bandes récemment ouvertes de spectre inconnu et d’architectures d’antennes actives complexes à la virtualisation et aux algorithmes d’apprentissage automatique.
Dans le même temps, l’objectif d’investissement dans les infrastructures a pris un tournant. Là où l’accent traditionnel, en place depuis environ 30 ans, a été mis sur la couverture et en essayant de trouver le coût le plus bas par kilomètre carré desservi, l’accent initial pour la 5G s’est déplacé sur la capacité et en essayant de trouver le coût le plus bas par gigabit livré.
Alors que le déploiement de la 5G se poursuit, l’accent est actuellement mis sur l’équilibre optimal entre la couverture 5G et la capacité 5G. Ce qui était autrefois un réseau dominé par des macrocellules haute puissance est en train de devenir un mélange complexe de technologies utilisées pour fournir de la capacité là où elle est le plus nécessaire.
Les complexités du déploiement de ce type de réseau hétérogène sont compensées par le fait que le service cellulaire devient plus flexible, permettant de mieux répondre aux évolutions de la demande et de prendre en charge de nouveaux cas d’utilisation tout en maîtrisant les coûts. Pour comprendre l’économie de ces décisions d’investissement, il est utile d’examiner ce qui rend la 5G différente et, par conséquent, plus difficile à déployer.
Trois façons dont la 5G est différente
Trois éléments qui distinguent les réseaux d’accès radio (RAN) 5G des générations précédentes sont : (1) où dans le spectre sans fil ils fonctionnent ; (2) la structure d’antenne utilisée pour transmettre et recevoir des signaux ; et (3) la transition vers une approche plus logicielle de la gestion et de l’optimisation des opérations.
Comme le montre le diagramme, la 5G étend le spectre cellulaire existant pour inclure la zone comprise entre 2,7 GHz et 6 GHz, et ajoute une toute nouvelle partie du spectre, au-dessus de 25 GHz. Cette nouvelle portion du spectre, connue sous le nom d’ondes millimétriques (mmWave), était auparavant réservée à d’autres services, tels que l’imagerie médicale, la télédétection micro-ondes et la radioastronomie.
Il permettra des cas d’utilisation à bande passante ultra-élevée et à latence ultra-faible en 5G, mais présente une courbe d’apprentissage abrupte pour les ingénieurs habitués à travailler en dessous de 6 GHz.
- Nouvelles configurations d’antenne
La 5G utilise des antennes actives, plus intégrées et plus complexes que les antennes passives traditionnellement associées au cellulaire. Les antennes actives nécessitent un mélange sophistiqué de matériel et de logiciels et utilisent des entrées multiples massives, sorties multiples (mMIMO), une technique qui implique des dizaines (voire des centaines) d’antennes travaillant ensemble pour étendre la capacité dans la même bande passante. Travailler avec autant d’antennes est une tâche complexe et gourmande en calculs qui nécessite une optimisation minutieuse pour assurer un fonctionnement fiable et sans interférence.
La 5G fait un usage intensif de la virtualisation, avec davantage d’efforts dans le cloud, et utilise souvent des algorithmes d’apprentissage automatique (ML) pour une gestion de réseau optimisée, une orchestration dans le cœur, une surveillance du trafic et un équilibrage de charge. Une station de base 5G typique a des millions de lignes de code, utilisant un logiciel pour ajouter de nouvelles fonctionnalités telles que la prise en charge de plus d’appareils, une capacité accrue et une couverture étendue pour accueillir plus de trafic. Une forte dépendance aux logiciels modifie la façon dont le réseau est déployé et exploité ainsi que les modèles de sécurité.
Figure 1: La 5G ajoute un nouveau spectre de fréquences
Mettre la 5G au travail en couches
La préparation de l’infrastructure pour le fonctionnement de la 5G implique l’ajout de différentes couches de couverture, chacune offrant le compromis capacité/couverture nécessaire pour une zone ou un cas d’utilisation donné. Contrairement à la 4G qui se composait de macrocellules haute puissance complétées ici et là par de petites cellules, les déploiements 5G se composent de macrocellules haute puissance, de cellules mMIMO, de petites cellules, avec mmWave comblant le fossé entre elles.
Desservant une vaste zone d’environ 25 km, les macrocellules traditionnelles à haute puissance fournissent principalement de la capacité dans les environnements suburbains et ruraux. Les macrocellules sont de grandes stations de base de grande puissance qui vivent sur des tours, des monopoles et des toits, et sont parfois conçues pour ressembler à des arbres géants. Ils utilisent généralement un système d’antenne passif et une simple configuration Multiple In Multiple Out (MIMO) pour la transmission qui utilise de deux antennes (2T2R) à huit antennes (8T8R), sous 6 GHz.
Desservant une zone plus petite d’environ 1 km, les cellules mMIMO sont utilisées pour fournir une capacité dans les environnements urbains qui ont une densité d’appareils plus élevée que les zones suburbaines et rurales. L’antenne passive et l’unité radio de la macrocellule haute puissance sont remplacées par un système d’antenne active. Le système d’antenne active combine chaque transmission d’antenne pour la formation de faisceau, afin de diriger le signal RF dans une direction précise. Les configurations typiques utilisent 32 antennes (32T32R) ou 64 antennes (64T64R), inférieures à 6 GHz.
Desservant une zone d’environ 100 m, les cellules mmWave utilisent le nouveau spectre au-dessus de 24 GHz pour fournir une capacité dans les environnements urbains à très haute densité d’appareils et pour prendre en charge l’accès sans fil fixe (FWA) vers les maisons. Travailler dans le spectre mmWave signifie une bande passante exceptionnellement élevée, rendue possible en utilisant des centaines d’antennes dans une configuration mMIMO (par exemple 256T256R), mais parce que les signaux mmWave ont une longueur d’onde plus petite, ils ne voyagent pas aussi loin, ce qui limite mmWave aux zones urbaines les plus denses domaines. mmWave servira également de backhaul pour les petites cellules et les hotspots WiFi6/6E.
Les petites cellules sont des stations de base de faible puissance de la taille d’un sac à dos qui fournissent une capacité ciblée dans les « points d’accès » du réseau en complément des configurations de réseau macro RAN décrites ci-dessus. Les petites cellules sont compactes et légères, elles peuvent donc être montées à peu près n’importe où, et elles empêchent les signaux 5G d’être abandonnés dans les zones surpeuplées, telles que les centres-villes ou les sites sportifs. Les petites cellules offrent une grande flexibilité de déploiement grâce à leur prix bas par rapport aux solutions RAN plus grandes et à un facteur de forme plus petit et plus rapide à installer. Ils ont besoin de trois éléments pour fonctionner : un espace autorisé pour l’exploitation, l’alimentation et une sorte de connexion de liaison pour la transmission au réseau central. Certains utilisent des micro-ondes pour la communication de liaison, d’autres utilisent des câbles à fibre optique.
Aux États-Unis, la Federal Communications Commission (FCC) dit qu’elle s’attend à ce que les petites cellules représentent bientôt 80% du nouveau déploiement de sites cellulaires en raison, en partie, d’un plus grand nombre d’opérateurs profitant du nouveau spectre 5G sans licence disponible. Le groupe commercial CTIA, qui suit l’industrie américaine des communications sans fil, confirme les prévisions de la FCC, avec une prévision selon laquelle les petites cellules aux États-Unis passeront d’environ 86 000 en 2018 à plus de 800 000 d’ici 2026, en grande partie en raison du besoin de 5G. opération.
Figure 2: La densification 5G apporte de la capacité en couches.
Trouver le bon mélange : un travail en cours
L’approche en couches tire parti du fait que la 5G est une norme qui répond à de nombreuses exigences différentes et permet aux opérateurs d’adapter le fonctionnement du réseau pour répondre à des besoins spécifiques tout en maîtrisant les coûts. Un seul opérateur pourrait, par exemple, utiliser des macrocellules 4T4R ou 8T8R pour desservir les zones rurales et suburbaines, tandis que les cellules mMIMO 32T32R desserviront les zones urbaines semi-denses, les cellules mMIMO 64T64R desserviront les zones urbaines denses. Le coût plus élevé de mmWave peut être économisé pour les zones les plus denses, telles qu’un quartier d’affaires surpeuplé, un port maritime international ou un lieu de divertissement qui accueille de grands événements sportifs et culturels.
Mais nous ne sommes qu’au début du super-cycle 5G. Les réseaux 5G déjà en place aujourd’hui exploitent principalement les réseaux 4G hérités, dans ce qu’on appelle une configuration de réseau non autonome (NSA). La capacité 5G est essentiellement ancrée à la 4G, de sorte que les utilisateurs peuvent annuler une connexion LTE lorsqu’une connexion 5G n’est pas disponible. Avant que la 5G ne devienne largement disponible, mMIMO peut être utilisé pour augmenter les vitesses LTE et améliorer la latence, mais le véritable avantage de mMIMO, et son effet positif sur la densité du réseau, commencera à se manifester une fois que l’infrastructure passera à la configuration autonome (SA), qui est un pur réseau 5G pour un fonctionnement à plus haute fréquence.
Informatique en réseau flexible
L’informatique de périphérie est une fonctionnalité importante pour les scénarios Wi-Fi et cellulaires, car les serveurs locaux connectés plus près de l’utilisateur final peuvent effectuer des tâches avancées pour réduire la quantité de trafic transporté vers/depuis l’infrastructure cloud sur laquelle ils sont généralement hébergés. aujourd’hui. Dans un stade de sport, par exemple, une vidéo en relecture instantanée, diffusée à partir de caméras sur place, peut améliorer l’expérience du jeu pour les fans, tandis que les commandes de nourriture et de boissons, passées et payées depuis le siège du spectateur, peuvent réduire les files d’attente et les temps d’attente pour service.
L’utilisation du traitement local avec la connectivité Wi-Fi 6/6E ou 5G pour ces types de services réduit la latence et décharge le réseau macro 5G de l’opérateur, tout en améliorant l’expérience client grâce à la réduction de la latence et à l’augmentation de la bande passante. L’informatique de périphérie peut être fournie à l’utilisateur final (par exemple : capacités d’apprentissage automatique à l’intérieur du téléphone mobile), à la périphérie du réseau radio (calcul à proximité des points d’accès WiFi ou des petites cellules 5G) ou sur le site (une ferme de calcul locale à l’exemple de stade que nous avons utilisé ici), tous ont optimisé le cas d’utilisation de déploiement qui a le plus de sens pour l’opérateur.
Le point de vue de NXP
Chez NXP, nous avons élargi et diversifié notre boîte à outils technologique dédiée à la 5G, afin de développer un large éventail de solutions pour tous les types d’options de déploiement 5G. Notre portefeuille à multiples facettes reflète le fait que la 5G n’est pas une proposition unique. Des transistors haute puissance, des modules multipuces au nitrure de gallium et des circuits intégrés de formation de faisceaux SiGe aux processeurs Arm écoénergétiques et aux dispositifs de bande de base personnalisables et pilotés par DSP, nos composants rendent l’infrastructure 5G plus efficace, plus efficace et plus fiable. Nous étendons même les options, avec des solutions de pointe pour le Wi-Fi 6/6E, afin que les opérateurs de réseau puissent prendre en charge les cas d’utilisation qui bénéficient de la coexistence sans fil.
Pour en savoir plus sur la façon dont nous activons la densification 5G, visitez www.nxp.com.
