La 4G n'est pas encore entièrement déployée que la 5G est déjà sur toutes les lèvres. L'occasion pour nous de nous intéresser aux promesses du futur réseau très haut débit.

Alors que trouver un signal 4G relève toujours de la chance, particulièrement hors agglomération et en intérieur, industriels, chercheurs, gouvernements, institutions et opérateurs pensent déjà au standard de demain : la 5G.

Le développement de la 5G n’en est qu’à ses débuts, mais cela n’empêche pas les différents acteurs du marché de louer le potentiel exceptionnel de la prochaine génération de réseaux mobiles. On parle par exemple de débits supérieurs à 10 Gbit/s, de latences inférieures à une milliseconde et d’autonomie pouvant atteindre plusieurs jours, voire plusieurs années pour les appareils les plus économes.

Il faut compter environ une dizaine d’années entre chaque génération de standard de télécommunication mobile. Le premier réseau mobile commercial avait été lancé en 1979 au Japon par NTT (Nippon Telegraph and Telephone Corporation). Il fut suivi de près en Europe par NMT (pour Nordic Mobile Telephone), un réseau mobile utilisé principalement dans les pays du Nord.

Au niveau européen, la CEPT (Conférence européenne des administrations des postes et télécommunications) a poussé à la mise en place d’un standard global. Et en 1991, c’est le Standard GSM développé par l’ETSI (l’institut européen des normes de télécommunications) qui commence à être déployé, on parle alors de réseau 2G. La principale différence entre la seconde et la première génération est le passage de l’analogique au numérique.

La 5G, c’est d’abord beaucoup d’idées et une promesse : répondre aux besoins exponentiels en matière de télécommunication

Les générations suivantes avaient pour ambition d’améliorer la vitesse afin de supporter l’usage croissant de l’Internet mobile. C’est en partie le cas pour la 3G et ça l’est encore plus pour la 4G — quand celle-ci est disponible — puisqu’elle permet des débits pouvant atteindre les 300 Mbit/s, selon les opérateurs et les fréquences utilisées.

Avec de telles performances, on peut légitimement se demander l’intérêt de développer — en tout cas dès maintenant — un nouveau standard. C’est que l’enjeu de la 5G n’est pas de répondre aux problèmes d’aujourd’hui — ceux-là ne nécessitent que des efforts financiers et logistiques de la part des opérateurs pour améliorer leur couverture. Non, c’est pour les utilisations de demain qu’est pensée la 5G : l’ensemble des usages qui subiront de plein fouet les limitations de nos infrastructures.

À force d’annonces magistrales de l’industrie qui découvre tous les mois « la technologie qui servira à la 5G », on pourrait presque croire qu’elle existe déjà… Loin de là ! La 5G est à des années de devenir un standard, et pour l’instant, l’industrie elle-même peine à la définir. Et pour cause, la 5G, c’est d’abord beaucoup d’idées et une promesse : répondre aux besoins exponentiels en matière de télécommunication.

En 2020, tout sera connecté
En 2020, tout sera connecté ?

Pour comprendre l’empressement généralisé autour du futur standard, il faut imaginer l’espace de quelques instants, l’état de la technologie en 2030. Dans quinze ans, des centaines de milliards d’objets connectés, des voitures autonomes, la réalité augmentée et virtuelle, des vidéos toujours mieux définies seront utilisés quotidiennement par des milliards de personnes. Une telle projection est optimiste ; qui aurait pu imaginer il y a quinze ans la révolution technologique et sociale apportée par l’Internet ubiquitaire ?

Le futur standard est spécifiquement conçu pour cet accroissement démesuré, avec en tête l’idée de créer un réseau à toute épreuve, qui ne craindrait ni la surcharge ni les évolutions et pouvant s’adapter à de nouveaux usages toujours plus exigeants.

La maturation d’un standard

Jusqu’à maintenant, institutions et entreprises sont toutes allées de leurs petites idées concernant la technologie employée dans le standard de demain. Mais dans les faits, tous s’accordent à dire que la 5G ne sera pas une technologie, mais bien un ensemble qui aura atteint un niveau de maturité suffisant pour répondre aux attentes commerciales du futur standard.

Les acteurs tablent sur un déploiement aux alentours de 2020, et l’espoir est que les Jeux Olympiques d’Hiver de Pyeongchang en 2018 en soient la vitrine technologique — et cela avant-même que le standard définitif ne soit opérationnel. Mais dans le passé, ce genre de pré-déploiement s’est avéré risqué. En 2001 au Japon, le FOMA n’a pas attendu la standardisation de la 3G avant d’être offert aux consommateurs. Résultat, le réseau 3G du japonais NTT DoCoMo n’a été compatible avec l’UMTS que trois ans plus tard, en 2004 !

De son côté, l’Europe tente clairement de ne pas réitérer les errances des deux dernières générations de réseaux mobiles. L’Union européenne a donné l’impulsion à de nombreux projets visant à sécuriser ses ambitions sur le secteur des TIC. L’association 5G PPP, un partenariat-public privé initié par l’EU, les équipementiers, les opérateurs et les chercheurs des télécoms, a obtenu 125 millions d’euros sur une enveloppe de 700 millions que la commission va consacrer au futur réseau dans le cadre du programme européen de recherche et de développement Horizon 2020. Le successeur du septième programme-cadre dit « FP7 », qui s’étendait de 2007 à 2013, compte accélérer le passage « du laboratoire au marché » des nouvelles technologies.

Le 5G PPP est le bras armé de la standardisation, « une étape importante vers un accord industriel sur les cas d’utilisation, les exigences et les technologies pour la 5G », affirmait en 2013 le responsable du projet, le Dr Werner Mohr. Celui-ci s’appuie sur d’autres projets, comme le Metis-II (initié lors du FP7) qui sera chargé de coordonner et de développer le système radio et les recommandations de déploiement pour la 5G. Metis-II regroupe des partenaires de 23 régions du monde comme la Chine, le Japon, la Corée du Sud, le Brésil, les États-Unis et l’Europe et dispose d’un budget de 8 millions d’euros.

Preuve que le dynamisme touche de plus en plus de pays, le Royaume-Uni a lancé en 2013 un centre d’innovation sur la 5G à l’université de Surrey, et la Chine a depuis 2013 l’association de promotion IMT-2020 (l’autre nom de la 5G). ARIB, l’organisation de normalisation japonaise, a lancé un groupe de travail « 2020 et au-delà » et les universités américaines comme Stanford, l’Université de Californie à San Diego et l’Université du Texas à Austin travaillent de concert avec l’industrie sur des technologies sans-fils pour le futur réseau. De son côté, l’Université de New-York a lancé NYU Wireless un centre de recherche académique sur l’ingénierie, les sciences informatiques et la médecine.

Libérer les ondes millimétriques

Dans la course au déploiement, chaque région du monde espère être la première à définir le nouveau standard. Une technologie qui revient fréquemment dans la bouche des différents acteurs est celle des ondes millimétriques. Récemment, la FCC (la Commission fédérale américaine en charge des communications) a suggéré d’utiliser ces hautes fréquences (à savoir les bandes de 28, 37, 49 et 64 à 71 GHz) pour le mobile. Toujours par rapport aux ondes millimétriques, la Conférence Mondiale des Radiocommunications organisée en décembre 2015 par l’Union Internationale des Télécommunications (UIT) a autorisé la planification et l’utilisation de ces longueurs d’onde pour le mobile d’ici 2019.

En dehors des usages militaires, ces ondes n’étaient pour l’instant pas exploitées, en partie parce que les chercheurs pensaient le signal trop instable — mais aussi parce qu’on ignore leurs effets sur la santé. Plus les fréquences sont grandes et moins la portée du signal est élevée, et les ondes millimétriques ont la réputation de mal supporter la pluie et de ne pas traverser les murs. Mais de nouvelles études réalisées par des chercheurs de l’Université de New York ont montré que certaines fréquences ne souffraient pas d’atténuations et pouvaient se comporter d’une manière quasiment similaire à celles de nos réseaux actuels.

À gauche, le routeur de Starry, à droite, l’antenne extérieure
À gauche, le routeur de Starry, à droite, l’antenne extérieure

Des sociétés comme Google et Facebook espèrent déjà couvrir des zones avec des réseaux millimétriques à l’aide de drones, mais ces projets ne seront pas réalisés avant plusieurs années. Toutefois, aux États-Unis, la société Starry commercialise déjà un accès à Internet sans fil de 1 Gbit/s en utilisant les très hautes fréquences. L’offre de Starry, pour l’instant réservée à la ville test de Détroit, repose sur un réseau d’antennes émettrices placées sur les toits des immeubles et d’antennes réceptrices placées à la fenêtre des usagers, communicant avec un modem à l’intérieur du logement. À débit similaire, les ondes millimétriques pourraient donc directement concurrencer les offres de fibre optique.

Qu’est-ce qui changera ?

Dans un premier temps, la 5G souhaite apporter des débits de l’ordre du gigabit par seconde, mais sa priorité n’est pas la vitesse brute : elle veut surtout réduire le temps de latence dans la transmission de données. À l’heure actuelle, le temps de réaction des réseaux mobiles peut atteindre la demi-seconde, voir plus quand les réseaux sont surchargés. Une demi-seconde, ça parait peu, mais c’est beaucoup trop quand il est question, par exemple, de voitures autonomes.

Pour répondre à ce futur usage, les industriels et les institutions s’accordent donc sur le fait que le standard devra avoir un temps de réponse de moins d’une milliseconde. Autrement, on imagine facilement les répercussions que pourrait avoir une latence supérieure dans un trafic chargé ou sur une autoroute.

Le futur standard est placé sous le signe de la convergence. Il n’y aura vraisemblablement pas une seule 5G, mais différentes technologies adaptées aux différents usages de demain et capables de communiquer entres elles. Les réseaux 4G ont encore un large potentiel d’amélioration : ils seront optimisés (notamment en libérant des fréquences sur le spectre comme c’est le cas en France avec le passage à la TNT HD) et serviront de fondation au futur standard.

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Mais comment résoudre dès lors la surcharge des réseaux due à la forte concentration d’utilisateurs en milieu urbain ? La réponse se trouve sûrement du côté des Small Cells. Il s’agit de petites antennes qui pourront être intégrées au mobilier urbain (lampadaires, bancs, poubelles). Celles-ci permettront de répartir efficacement les utilisateurs sur plus d’antennes à haut débit selon leur position, au lieu de les entasser sur une seule et même antenne-relais.

Une autre technologie est également présupposée au sein du futur standard de télécommunications : le MIMO. Cette technique déjà présente au sein du réseau 4G actuel, pourrait être utilisée à une échelle beaucoup plus large dans le prochain standard. Plutôt que d’avoir une antenne réceptrice et une antenne émettrice, le Multiple-Input Multiple-Output (ou entrées multiples, sorties multiples) utilise plusieurs antennes pour renforcer le signal et réduire les interférences. De facto, le MIMO offrirait des débits bien plus élevés tout en réalisant des économies d’énergie. L’adoption de cette technologie suppose un changement complet de paradigme : on passerait de grosses antennes qui envoient un signal dans toutes les directions, à des centaines de petites antennes qui concentreraient le signal vers chaque appareil connecté.

Dans la ville intelligente, ce sont des millions de capteurs qui seront connectés, sans compter les automobiles qui devront communiquer entre elles (V2V) et avec les infrastructures urbaines (VII). L’architecture du réseau devra donc sûrement s’affranchir du modèle de l’antenne relais, qui ne semble plus adaptée aux futurs usages.

Enfin, et c’est un point de rupture fondamental, la 5G pourrait mettre à mal la neutralité du réseau, en exigeant une gestion des priorités en fonction des applications. Comme l’avait expliqué Huawei, la 5G « permettra l’utilisation de n’importe quel spectre et n’importe quelle technologie d’accès pour offrir la meilleure livraison de services », ce qui demande que les applications utilisent les fréquences et les protocoles radios les plus adaptés à leurs besoins. Se posent alors des questions : qui de l’opérateur réseau ou du développeur de l’application devra définir les besoins, et comment arbitrer entre des demandes concurrentes ?

Pas si vite, mais plus longtemps

Enfin, si notre consommation de médias toujours croissante (streaming en 4K, vidéos à 360°, démocratisation de la réalité virtuelle et augmentée) impose d’améliorer la vitesse des réseaux, la cinquième génération du standard de télécommunication devra aussi bien gérer le haut débit que le bas débit. En effet, un des critères dans l’élaboration de la 5G est la consommation d’énergie. Le prochain standard devrait permettre aux objets connectés de fonctionner dix fois plus longtemps sur une charge.

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Source : 5G Berlin

Les capteurs autonomes pourraient eux tenir plusieurs années sans être rechargés. Tout dépendra bien sûr de la fréquence à laquelle ces capteurs se connecteront aux antennes, mais si nous prenons par exemple le cas de capteurs capables de détecter les feux de forêts, à moins d’être déclenchés, ceux-ci pourraient fonctionner en stase pendant plusieurs années.

La dernière génération ?

Entre l’amélioration de la vitesse, la fin des latences et la réduction de la consommation énergétique, le futur standard ne manque certes pas d’ambition. Mais comme les précédentes générations de réseaux, la 5G devra surtout passer l’étape cruciale de la compétition entre les industriels qui développent les technologies dans l’espoir qu’elles deviendront le futur standard.

Mais si la collaboration internationale entre les différents pays et institutions impliquées dans l’élaboration de la norme 5G porte ses fruits, alors la prochaine génération de réseau mobile pourrait être assez flexible pour s’adapter à toutes les évolutions, sans forcement passer par la création de futurs standards.

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