Introduction à la 5G NR

Apprenez les bases de la 5G NR, y compris ses bandes de fréquences, ses applications et les technologies qui la rendent possible.

La 5G, la prochaine (cinquième) génération de communications sans fil pour smartphones, a été fortement promue dans le monde de la consommation comme un niveau supérieur pour les appareils mobiles. Mais qu'est-ce que la 5G aux yeux des ingénieurs qui développent ces appareils ?

Dans cet article, nous allons approfondir la 5G NR (New Radio) et explorer les modèles à usages multiples et les multiples bandes de fréquences couvertes par cette norme émergente. Nous examinerons également certaines des technologies avancées associées à la 5G NR.

Normes 5G

Les normes pour la 5G sont développées par le 3rd Generation Partnership Project (3GPP) qui se compose de partenaires de sept organisations mondiales de normalisation différentes. Les normes pour la 5G ont commencé avec la « Release 15 » en décembre 2017 et sont étendues dans les versions ultérieures à mesure que de nouvelles fonctionnalités, fonctionnalités et exigences sont ajoutées.

Au sein du 3GPP, il existe des groupes de spécifications techniques (TSG) qui travaillent pour définir les systèmes 5G NR dans des niveaux d'abstraction croissants. Les exemples de niveaux incluent, sans s'y limiter :

• Réseau d'accès radio (RAN) : Responsable de la définition des niveaux inférieurs (1-3) des spécifications de performance radio qui incluent :
  • La couche physique
  • Modulation
  • Duplexage par répartition en fréquence (FDD)
  • Duplexage temporel (TDD)
  • Formation de faisceau
  • Détection d'erreurs
  • Correction
• Aspect Services &Systèmes (SA) : Supervise l'architecture globale et les capacités de service, notamment la facturation, la comptabilité, la gestion du réseau et la sécurité
• Réseau central et terminal (CT) : Définit les spécifications de l'équipement utilisateur, le transfert entre les réseaux, la cartographie de la qualité de service, etc.

Trois bandes de fréquences du service 5G à plusieurs niveaux

À mesure que les technologies de télécommunications sans fil ont progressé, les fréquences et la bande passante ont régulièrement augmenté. Comme illustré à la figure 1, les nouvelles générations conservent une certaine rétrocompatibilité avec les réseaux existants, mais s'étendent à davantage de bandes de fréquences.

Figure 1. Évolution des allocations de spectre de fréquences pour les réseaux 2G, 3G, 4G et 5G. Image utilisée avec l'aimable autorisation d'Ericsson

Cette tendance fait un énorme bond en avant avec la 5G alors qu'elle passe aux fréquences d'ondes millimétriques (mmWave) au-dessus de 30 GHz. Cela permet à la 5G NR de prendre en charge des bandes passantes ultra-larges allant jusqu'à 100 MHz à des fréquences inférieures à 6 GHz et jusqu'à 400 MHz à des fréquences plus élevées.

La 5G peut généralement être divisée en trois bandes :

• FR1
  • Fréquences inférieures : MHz–1 GHz
  • Fréquences moyennes :1 à 7 GHz
• FR2
  • Fréquences plus élevées : 24-48 GHz

Comme l'illustre la figure 2, les trois bandes sont conçues pour fonctionner ensemble afin de répondre aux différents besoins de bande passante, de latence et de couverture.

Figure 2. Relations entre la bande passante, la latence et la couverture pour les 3 bandes de la 5G NR. Image utilisée avec l'aimable autorisation d'Advantech

Les déploiements initiaux de la 5G se situent dans la gamme de fréquences inférieures (FR1), avec deux bandes (appelées basses et moyennes) qui couvrent les fréquences plus traditionnelles utilisées pour les smartphones de 450 MHz à 6 GHz. Ces fréquences plus basses offrent la plus grande plage de couverture.

La gamme de fréquences plus élevées (FR2) se déplace vers et dans la région mmWave avec des fréquences de 24 à 100 GHz pour prendre en charge des vitesses de téléchargement plus rapides et permettre de nouvelles applications nécessitant une latence ultra-faible.

Multiplexage orthogonal par répartition en fréquence pour la 5G NR

La transmission 5G pour les liaisons montantes et descendantes est basée sur l'OFDM (multiplexage orthogonal par répartition en fréquence). L'OFDM combine la modulation d'amplitude en quadrature (QAM) et le multiplexage par répartition en fréquence (FDM) pour permettre des communications à haut débit.

Étant donné que les fréquences des sous-porteuses sont orthogonales les unes aux autres, les pics individuels s'alignent tous avec les valeurs nulles des autres sous-porteuses (Figure 3).

Figure 3. Le spectre de fréquences du multiplexage orthogonal par répartition en fréquence. Image utilisée avec l'aimable autorisation de Keysight

Cela minimise les interférences et permet au récepteur de récupérer efficacement le signal. Ces sous-porteuses modulées peuvent être utilisées pour prendre en charge de nombreux signaux indépendants (comme les canaux radio FM), mais dans les applications 5G, elles sont généralement combinées pour augmenter le débit de données pour un seul canal.

La spécification NR prend en charge un espacement réglable des porteuses de 15 kHz, 30 kHz, 60 kHz, 120 kHz, 240 kHz ou 480 kHz avec un maximum de 3 300 sous-porteuses. De plus, la modulation de sous-porteuse peut être QPSK (quad-phase shift keying) ou 16-, 64- ou 256-QAM. Ces options offrent une polyvalence qui permet aux opérateurs d'optimiser le schéma de communication pour répondre aux environnements et aux applications.

Performances 5G par rapport à la 4G

Comme nous l'attendons de chaque nouvelle génération de technologie de smartphone, la 5G est plus rapide et offre plus de capacité que son prédécesseur 4G. La 5G devrait prendre en charge des taux de transfert de données de pointe allant jusqu'à 10-20 Gb/s et des débits de données moyens supérieurs à 100 Mb/s. La 5G est également conçue pour prendre en charge une augmentation de 100 fois de la capacité grâce à des améliorations de l'efficacité du réseau et une diminution de 10 fois de la latence jusqu'à 1 ms.

Au-delà de ces améliorations de base, la 5G est conçue comme une norme de télécommunications plus diversifiée que la 4G pour prendre en charge des applications au-delà du haut débit mobile standard, notamment :

• Communications critiques avec une faible latence
• Connectivité massive pour l'Internet des objets (IoT)
• Prise en charge de tous les types de spectre (sous licence, partagé, sans licence)
• Modèles de déploiement étendus, y compris les points d'accès
• Nouveaux modèles de communication tels que le maillage d'appareil à appareil et à sauts multiples.

Modèles d'utilisation 5G

Typiquement, lorsque nous entendons parler de 5G, nous pensons immédiatement à de meilleurs smartphones, et c'est, en effet, un aspect des spécifications 5G NR. Cependant, les normes sont développées pour prendre en charge bien plus que de meilleurs smartphones. Plus précisément, il existe trois principaux modèles d'utilisation, comme illustré à la figure 4 :

• eMBB (Enhanced Mobile Broadband) :smartphones légèrement meilleurs, applications grand public
• URLLC (Communications ultra-fiables et à faible latence) :services critiques
• mMTC (Massive Machine Type Communications) :pensez à l'Internet des objets

Figure 4. Exemples d'applications des trois modèles d'utilisation 5G NR. Image [modifiée] utilisée avec l'aimable autorisation de 3GPP

eMBB (haut débit mobile amélioré)

L'objectif initial du développement du réseau 5G NR est axé sur l'eMBB pour l'amélioration des vitesses de téléchargement et de téléchargement et une latence réduite. eMBB devrait améliorer le streaming vidéo mobile et permettre des applications qui incluent la réalité augmentée et virtuelle mobile (AR et VR). emBB devrait fournir un accès amélioré au haut débit sans fil dans les zones urbaines densément peuplées, les salles de sport ou de concert et les bureaux intelligents.

URLLC (communications ultra fiables à faible latence)

Comme son nom l'indique, URLLC est conçu pour fournir des communications à très faible latence pour les applications « en temps réel », notamment les véhicules autonomes, l'automatisation industrielle et la chirurgie à distance. De toute évidence, chacune de ces applications nécessitera des connexions réseau robustes avec de faibles taux d'erreur et une latence imperceptible (théoriquement aussi faible que 1 ms). Ces exigences sont très différentes de celles d'un appel vocal ou de la diffusion en continu de votre nouvelle émission préférée.

mMTC (communications de type machine massive)

mMTC est le troisième modèle d'utilisation et est également assez différent des deux premiers. mMTC tirera parti de la large bande passante disponible avec la 5G NR pour prendre en charge la communication avec un nombre « massif » d'appareils à faible débit de données. Les applications comprendront l'Internet des objets et les villes intelligentes où un grand nombre de nœuds nécessiteront des bandes passantes étroites pour la télédétection, la surveillance, la gestion du trafic et du stationnement, la logistique et la gestion de flotte, et les panneaux d'affichage électroniques.

Technologies qui permettent la 5G

De nombreuses avancées technologiques se conjuguent pour permettre les communications 5G. Cette section abordera quelques technologies clés susceptibles d'intéresser les ingénieurs électriciens travaillant dans le matériel.

Technologie de transistor avancée

La marche continue de la technologie CMOS silicium vers des géométries plus fines est évidemment importante pour augmenter la puissance de traitement nécessaire dans les combinés, les stations de base et la dorsale du réseau. De plus, à mesure que la 5G s'étend dans la région des ondes millimétriques du spectre de fréquences, les améliorations de la technologie de pointe des transistors occupent une place centrale.

Comme l'illustre la figure 5, le silicium germanium (SiGe), l'arséniure de gallium (GaAs), le nitrure de gallium (GaN) et le carbure de silicium (SiC) conviennent tous pour un fonctionnement dans les bandes FR2 haute fréquence au-dessus de 6 GHz. En particulier, les dispositifs GaN et SiC sont largement utilisés dans les stations de base où à la fois des fréquences élevées et des puissances élevées sont nécessaires.

Figure 5. Puissance par rapport à la fréquence des matériaux à large bande interdite (WBG). Image utilisée avec l'aimable autorisation d'Analog Devices

Au-delà des transistors eux-mêmes, les connexions externes de la puce à la carte de circuit imprimé (PCB) nécessitent des avancées technologiques en matière d'emballage et de techniques de conception avancées. Quelque chose d'aussi simple qu'un fil de connexion de 1 mm à l'intérieur d'un boîtier devient une antenne potentielle à des fréquences d'ondes millimétriques et peut avoir une impédance complexe qui rend difficile l'adaptation d'une impédance de 50 Ω au PCB. Passer à l'assemblage flip-chip à l'aide de billes de soudure peut aider, mais le défi de l'adaptation d'impédance peut toujours subsister.

Antennes massives à entrées multiples et sorties multiples

En raison des longueurs d'onde très courtes, les antennes à réseau phasé deviennent réalisables pour les fréquences d'ondes millimétriques 5G. Par exemple, le prototype de combiné à ondes millimétriques présenté par Qualcomm sur la figure 6 semble avoir trois sections d'antenne à réseau phasé 4x2. Les antennes à réseau phasé peuvent prendre en charge la formation de faisceau pour un gain d'antenne amélioré.

Figure 6. Prototype de combiné 5G NR mmWave. Image [modifiée] utilisée avec l'aimable autorisation de Qualcomm

Dans les stations de base, l'utilisation de réseaux à commande de phase devrait exploser en ce que l'on appelle des systèmes massifs multi-entrées multi-sorties (MIMO). En utilisant un grand nombre d'antennes et d'algorithmes complexes, un système MIMO massif peut utiliser la formation de faisceau adaptative et la diversité spatiale pour :

• Efficacité spectrale grâce à la focalisation de faisceaux étroits vers chaque utilisateur
• Efficacité énergétique grâce au gain d'antenne pour une puissance totale rayonnée réduite
• Débits de données et capacité améliorés grâce au gain et à la diversité spatiale
• Suivi des utilisateurs mobiles via la formation de faisceau adaptative

Une combinaison de traitement numérique et analogique à la station de base crée des canaux de transmission uniques pour les utilisateurs individuels. Les utilisateurs individuels peuvent également utiliser plusieurs antennes pour améliorer la communication en présence d'évanouissement, de trajets multiples et d'interférences.

Figure 7. Communication massive multi-entrées multi-sorties pour la 5G à ondes millimétriques. Image utilisée avec l'aimable autorisation d'Alemaishat et al

Résumé

La 5G NR est bien plus qu'un simple réseau amélioré pour les smartphones mobiles. Les trois principaux modèles d'utilisation du haut débit mobile amélioré, des communications ultra-fiables à faible latence et des communications massives de type machine entraîneront probablement de nombreuses nouvelles applications dans les années à venir.