RF et nouvelles fréquences radio 5G : réponses aux 5 principales questions
La 5G repousse les limites des communications sans fil, permettant des cas d'utilisation qui reposent sur des vitesses ultra-rapides, une latence exceptionnellement faible et une fiabilité incroyablement élevée. Pour soutenir le lancement de la 5G, le 3GPP a développé une nouvelle technologie d'accès radio appelée 5G new radio (NR), conçue pour devenir la norme pour les réseaux 5G dans le monde entier. Dans ce blog, nous répondons aux cinq principales questions sur la relation entre la RF et la 5G NR.
1. Quelles sont les bandes de fréquences RF utilisées par la 5G et quelle est la comparaison avec la 4G ?
L'objectif des technologies 5G va bien au-delà du simple service de haut débit mobile et offre des avancées clés qui permettent une gamme d'applications beaucoup plus large. Des bandes de fréquences 5G supplémentaires sont mises à disposition pour prendre en charge ces applications (voir schéma 1). La 5G NR comprend plusieurs bandes de fréquences basses et moyennes dans la gamme des moins de 7 GHz, définies comme FR1, ainsi que des bandes de fréquences plus élevées au-dessus de 24 GHz, définies comme FR2/mmWave. La fréquence 5G comprend tout le spectre cellulaire précédent et le spectre supplémentaire dans la gamme de fréquences inférieure à 7 GHz et au-delà. L'une des principales raisons pour lesquelles des fréquences supplémentaires sont mises à disposition est de remédier à l'encombrement des bandes de fréquences inférieures à 7 GHz (voir schéma 1) - et de surmonter les limites physiques associées au débit et à la bande passante. Par exemple, les bandes 4G représentaient jusqu'à 20 MHz de bande passante, alors que les bandes 5G permettent désormais d'atteindre 400 MHz de bande passante par canal.
Schéma 1. Bandes de fréquences et disponibilité de la bande passante.
2. Quels sont les défis liés aux ondes millimétriques ?
Le terme "ondes millimétriques" (mmWave) désigne une partie spécifique du spectre des radiofréquences (RF) avec des longueurs d'onde très courtes (c'est-à-dire de 24,25 GHz à 52,6 GHz, comme spécifié par la 5G 3GPP). L'utilisation des ondes millimétriques augmentera considérablement la largeur de bande disponible pour la 5G, car ce spectre était jusqu'à présent en grande partie inutilisé. Un autre avantage des ondes millimétriques est qu'elles permettent de transférer des données encore plus rapidement, même si la distance de transfert est plus courte. De plus, les bandes d'ondes millimétriques sont moins encombrées. En revanche, les fréquences inférieures sont plus encombrées par les signaux de télévision et de radio, ainsi que par les signaux actuels du réseau 4G LTE, qui se situent généralement entre 700 MHz et 3 000 MHz.
Toutefois, le spectre des ondes millimétriques exige une visibilité directe stricte entre l'équipement de l'utilisateur (UE) et les antennes radio. Tout obstacle, ou obstruction passive comme les panneaux routiers devant les sites cellulaires, les arbres ou les bâtiments, ainsi que les objets en mouvement comme les voitures, sont susceptibles de dégrader ou de bloquer un signal FR2 5G (voir schéma 2).
Schéma 2. Spectre des fréquences radio de la 5G.
3. Comment le MIMO massif (mMIMO) et la formation de faisceaux réduisent-ils la dégradation du signal 5G ?
L'entrée multiple, sortie multiple (MIMO) est une technologie déployée dans les réseaux 4G/LTE existants, dans laquelle les émetteurs radio sont équipés de plusieurs ports d'antenne qui permettent de transmettre simultanément plusieurs flux de données à l'équipement de l'utilisateur. La technologie MIMO est utilisée pour doubler (2x2 MIMO) ou quadrupler (4x4 MIMO) le débit des utilisateurs connectés à un site cellulaire.
La MIMO massive (mMIMO) est une extension de la MIMO qui augmente le nombre d'antennes pour atteindre une configuration de 64 transmissions/64 réceptions (64T64R MIMO). Cela permet d'obtenir des sites cellulaires mobiles avec un débit plus élevé et une meilleure efficacité.
La formation de faisceaux est un sous-ensemble du mMIMO et, à mesure que ces nouvelles technologies entrent en jeu, nous constatons souvent une certaine confusion entre les deux termes. La formation de faisceaux est une technique de traitement des signaux qui utilise les multiples antennes disponibles avec mMIMO pour créer un signal focalisé (ou faisceau) entre une antenne et un équipement utilisateur spécifique (voir schéma 3). Les signaux peuvent être contrôlés en modifiant l'amplitude et la phase, ce qui permet à l'antenne de se concentrer sur des utilisateurs spécifiques. Ce concept peut être comparé à un concert de musique où un projecteur est braqué sur des artistes spécifiques sur scène.
Cette technologie RF avancée est essentielle pour la 5G, et en particulier pour les bandes mmWAVE, car elle résout le problème de la ligne de visée en dirigeant les signaux autour des objets et peut même faire rebondir les signaux contre les murs des bâtiments afin d'atteindre l'équipement de l'utilisateur.
Schéma 3. Technique de traitement des signaux par formation de faisceaux
4. Pourquoi les bandes moyennes de la 5G sont-elles essentielles pour accélérer les déploiements de la 5G ?
La 5G peut être une technologie difficile à déployer, mais le spectre à bande moyenne dans la gamme de fréquences 1 GHz - 7 GHz est considéré comme idéal pour la 5G, car il offre un équilibre parfait entre la couverture et le débit. La communauté 5G trouve les bandes moyennes de 3,3 GHz à 3,8 GHz particulièrement attrayantes car elles permettront à la plupart des pays de disposer d'une bande 5G dédiée dans la gamme des moins de 7 GHz.
Aux États-Unis, les bandes de fréquences RF comprises entre 3,5 GHz et 3,7 GHz sont appelées Citizens Broadband Radio Service (CBRS). La Commission fédérale des communications (FCC) des États-Unis a décidé que ce spectre CBRS serait géré par l'Alliance CBRS et partagé entre trois catégories d'utilisateurs : les utilisateurs historiques, les licences d'accès prioritaire (PAL) et les utilisateurs bénéficiant d'un accès généralement autorisé (GAA). Les utilisateurs historiques comprennent les stations militaires et les stations satellites fixes. Les PAL comprennent les opérateurs qui doivent acquérir leur bloc de spectre par le biais d'une vente aux enchères (spectre sous licence). Le niveau GAA comprend le spectre sans licence disponible pour tout le monde, gratuitement.
Les nouveaux équipements radio 5G permettent le MIMO massif (mMIMO) et la formation de faisceaux à 3,5 GHz. Au départ, la formation de faisceaux n'était disponible que dans les bandes mmWAVE supérieures. Aujourd'hui, les fournisseurs d'équipements radio permettent également la formation de faisceaux dans les bandes moyennes de la 5G, ce qui rend ces bandes plus attrayantes. Ces nouvelles bandes intermédiaires 5G simplifient les déploiements et accélèrent la course à la 5G. Dans le monde entier, des ventes aux enchères de fréquences sont organisées pour acquérir ces nouvelles bandes et les opérateurs mobiles qui veulent prendre la tête des déploiements 5G devront avoir les poches bien garnies pour remporter ces bandes intermédiaires 5G tant convoitées.
5. Qu'est-ce que le TDD et pourquoi est-il important pour la 5G ?
Le duplexage temporel (TDD) est une technique permettant d'émuler une communication full-duplex sur une liaison de communication half-duplex en transmettant la liaison descendante (DL) et en recevant la liaison montante (UL) à la même fréquence mais en utilisant des intervalles de temps synchronisés (voir schéma 4). La liaison descendante et la liaison montante sont séparées par une période de garde afin d'éviter le chevauchement des canaux de communication. Grâce à une technologie avancée, la commutation s'effectue en quelques millisecondes et est donc suffisamment rapide pour les scénarios 5G à faible latence. L'avantage de cette technique est qu'elle excelle dans l'efficacité spectrale et qu'elle peut améliorer les résultats en matière de latence.
Schéma 4. Différences entre FDD, TDD et TDD full duplex.
Avec la 5G, les technologies évoluent rapidement. Les ingénieurs repoussent les limites de la RF en utilisant une seule fréquence et en offrant une véritable communication full-duplex, ce qui signifie que la liaison montante et la liaison descendante fonctionnent à la même fréquence et en même temps. Pour réaliser le full-duplex 5G sur la même fréquence, la 5G NR utilise une procédure appelée "annulation d'écho" qui permet aux clients finaux de transmettre et de recevoir des signaux simultanément sans écho ni interférence. Dans le cas des appels vocaux, le signal transmis est annulé directement sur chaque récepteur, ce qui permet à deux personnes de parler en même temps sans chevauchement.
Pour en savoir plus sur l'importance du spectre RF et son adaptation à la 5G, téléchargez notre infographie intitulée "Le spectre RF dans le monde actuel de la 5G".
