Qu'est-ce que la 5G ? Partie 1 - L'évolution et la prochaine génération

Bienvenue dans notre série de conversations sur la 5G. La 5G est la technologie de réseau de prochaine génération, qui promet une bande passante exponentiellement plus élevée et une latence plus faible pour prendre en charge la vaste gamme d'applications commerciales et grand public de l'Internet des objets (IoT). Pour ceux qui développent des applications gourmandes en données, il est important de savoir quand et comment la 5G sera déployée.

Dans ce billet, Scott Nelson, vice-président des produits de Digi, s'entretient à nouveau avec Harald Remmert, directeur de l'ingénierie de Digi. Le sujet "Qu'est-ce que la 5G ?" a donné lieu à deux conversations connexes. Ce post, partie 1, couvre l'évolution des générations de réseaux menant à la 5G. La deuxième partie couvre l'adoption de la 5G sur les marchés grand public et le site IoT.

Au cas où vous l'auriez manqué, n'oubliez pas de consulter le premier blog de notre série sur la 5G, intitulé "Venturing Into the Fog of 5G".

Qu'est-ce que la 5G et comment les "G" ont-ils évolué ?

Scott: Dans cette conversation, nous passons en revue les technologies passées et présentes qui ont conduit à la situation actuelle et à la direction que prend le marché avec les réseaux 5G. La technologie cellulaire continue d'évoluer et de se diriger vers l'adoption complète de la 5G, mais cela prendra un certain temps car la construction du réseau est un processus long, fastidieux et coûteux.

Chez Digi International, nous développons les technologies de soutien pour l'Internet commercial IoT et l'Internet industriel des objets, ou IIoT, qui évolue dans une mission distincte du marché grand public. Ma conversation avec Harald porte sur la manière dont la 5G sera utilisée et développée dans le cadre de ces deux voies distinctes.

Commencez par le début - Quel était le premier "G" ?

Scott: Donc, Harald, aujourd'hui beaucoup de gens se posent la question : Qu'est-ce que la 5G ? Parlons de la 5G dans le contexte de la G. Peut-être pourriez-vous commencer par le début et nous conduire jusqu'à la 5G pour que nous comprenions de quoi il s'agit.

Harald: Bien sûr. Donc, tout a commencé avec la première génération, 1G. C'était dans les années 80, avec la technologie analogique, puis on est passé à la 2G, qui est la première technologie numérique GSM, également CDMA, 1xRTT. Il s'agissait donc de deux technologies concurrentes à l'époque, qui existent toujours dans certaines régions du monde.

Scott: Pouvez-vous épeler des acronymes comme GSM et CDMA pour les lecteurs ?

Harald: Oui. GSM signifie Global System for Mobile, et CDMA signifie Code Division Multiple Access, qui est une technologie concurrente de téléphonie mobile.

Scott: AT&T est passé au GSM et Verizon au CDMA, non ?

Harald: C'est vrai, la plupart du monde de la téléphonie mobile a adopté le GSM Fourte. Verizon et Sprint ont choisi le CDMA.

Scott: Et Qualcomm possédait le CDMA, n'est-ce pas ?

Harald: C'est exact. À ne pas confondre avec le Wide CDMA ou WCDMA, qui est la technologie qui a ensuite été utilisée dans la 3G, et qui a été utilisée conjointement par presque toutes les parties.

Scott: Toutes les parties ? Donc, nous étions à 2G et ensuite...

Harald: Oui, 2G. Et au départ, la 1G et la 2G étaient principalement axées sur les combinés. Donc, la possibilité de communiquer par téléphone. La 2G offrait également la communication de données à des vitesses très basses, mais c'était plus pour les enthousiastes à l'époque.

Scott: Les premiers textos étaient-ils possibles en 2G ?

Harald: C'est exact, et puis aussi des communications de données très lentes aussi 9600 bauds, donc une vitesse très, très basse.

Scott: On a toujours des clients qui utilisent nos anciens produits 2G, non ? Et ils doivent déménager à cause de l'arrêt prochain du réseau ?

Harald: Oui, et nous les aidions à passer de la technologie 2G et 3G à la 4G LTE et au-delà.

Scott: Bien qu'elle ne soit pas étiquetée comme telle, la 2G était effectivement une technologie IoT à l'époque ?

Harald: Absolument. Je me souviens qu'au milieu des années 2000, Digi a lancé l'un des premiers routeurs cellulaires avec un modem 2G. À l'époque, les modems étaient super chers et assez gros. Depuis, les coûts ont baissé et la taille a également diminué de manière significative.

Scott: Ok. Donc, retour à la 3G.

Harald: La 3G a été principalement stimulée par les combinés et a été la première technologie à offrir des débits raisonnables, de l'ordre du mégabit/s. Elle a commencé avec environ 1 mégabit. Elle a démarré avec environ 1 mégabit et a atteint à son apogée 30 à 40 mégabits/s. C'était assez rapide pour une variété d'applications sur les smartphones ainsi que pour l'écosystème IoT . Il y a ensuite eu une étape intermédiaire entre la 3G et la 4G. Certains opérateurs l'appelaient 3,5G, d'autres l'appelaient déjà 4G. Ainsi, cette 3.5G ou la 4G initiale non-LTE était en quelque sorte la variante à plus haut débit de la technologie 3G.

Scott: Comme 3G+ ?

Harald: Oui, 3G+. C'était le HSPA, qui signifie High Speed Packet Access. C'était la même technologie ou la même génération, mais avec une petite touche de marketing.

Qu'est-ce qu'une génération dans la technologie des réseaux ?

Scott: Changeons de sujet, parlons de ce qui définit une génération lorsque nous parlons de ces technologies. Comment sait-on que l'on est vraiment passé d'une génération à l'autre ?

Harald: L'Union internationale des télécommunications (UIT) et ses partenaires définissent les exigences et le calendrier du futur système de communication mobile. Le projet de partenariat de troisième génération (3GPP) prend ensuite ces exigences et rédige des spécifications qui sont regroupées dans une série de versions. Tous les dix ans environ, l'UIT définit une nouvelle génération afin de refléter les progrès technologiques et de répondre aux besoins des applications et du secteur.

Par exemple, la première version de la 4G LTE qui mettait en œuvre les exigences de l'UIT pour les systèmes de communication mobile IMT-Advanced était la version 8 (2008). Cette version a été suivie de plusieurs versions qui s'appuyaient sur la version initiale et offraient davantage de fonctionnalités. Pour ce qui est de la 5G, la première version de la 5G était la version 15 (2018), la version 16 étant prévue pour le début de 2020 et la version 17 pour 2021.

Scott: En d'autres termes, au sein d'une génération, les systèmes de communication mobile sont compatibles. Mais lorsque la génération change, vous devez mettre à niveau votre matériel, correct ?

Harald: Correct.

Scott: Donc CAT-M, qui fait partie de LTE, a pu être déployé sur le matériel LTE existant ?

Harald: C'est exact. Il pourrait être déployé sur l'infrastructure LTE existante avec une mise à jour du logiciel.

Scott: Ok. Donc clairement, la 5G va nécessiter un nouveau matériel. C'est peut-être comme ça qu'il faut voir les choses. Chaque génération nécessite que les opérateurs de réseau sortent et touchent toutes leurs tours pour y installer du nouveau matériel.

Harald: Oui, c'est ça.

Scott: Et on peut dire que toutes les quelques sorties, nous avons tendance à en arriver là ?

Harald: Oui, c'est ça. J'aime penser en syndicats de génération. Donc, quand on y pense, la 5G, à peu près, va vraiment se développer en 2020, non ? La 4G a vraiment démarré en 2010, et avant cela, la 3G a démarré dans les années 2000. Alors vous pouvez compter en arrière.

Scott: C'est intéressant. Donc chaque génération est aussi approximativement une décennie...

Harald: Oui, environ une décennie.

Scott: C'est intéressant à savoir parce que beaucoup de gens ont été pris au dépourvu par l'arrêt de la 2G-3G, et la technologie sur laquelle ils fonctionnent actuellement a effectivement 20 ans. Et donc ils ont des produits qui vivent aussi longtemps.

Harald: Donc chaque décennie, nous avons une nouvelle génération, n'est-ce pas ? Et les générations précédentes se chevauchent dans une certaine mesure. Souvent, le passage à la nouvelle génération est motivé par les opérateurs pour réutiliser, réaffecter le spectre. Les nouvelles générations ont une meilleure efficacité spectrale, ce qui signifie que vous pouvez transmettre des données plus rapidement et plus efficacement sur le réseau. Avec l'arrivée d'un plus grand nombre d'appareils en ligne et les vitesses plus rapides exigées par les utilisateurs, tant sur les téléphones grand public que sur le site IoT , les opérateurs n'ont pas d'autre choix que de trouver des fréquences supplémentaires ou d'arrêter une technologie pour réutiliser le spectre de cette technologie.

A propos de la technologie LTE, des chats et du NB-IoT

Scott: Revenons à l'évolution et parlons de la 4G. Pour un puriste comme vous, la vraie 4G est LTE, non ?

Harald: LTE est l'acronyme de Long-Term Evolution, et c'est vraiment ce que c'est, une évolution. Les premiers appareils LTE étaient de catégorie (CAT) 3, ce qui signifie que l'appareil peut transférer jusqu'à 100 mégabits par seconde en liaison descendante et 50 mégabits par seconde en liaison montante. C'était vraiment la première catégorie LTE largement adoptée. Depuis, d'autres termes marketing sont apparus pour rendre les choses un peu plus faciles. LTE-Advanced correspond à CAT 6 et plus, LTE-Advanced Pro à CAT 11 ou 12 et plus, et enfin 5G.

Scott: LTE contient en fait les versions CAT-1, CAT-M et NB-IoT , correct ?

Harald: C'est exact, oui. Il est intéressant de noter que le CAT-1 a également été défini très tôt. Elle faisait partie de la version 8 du 3GPP, mais n'a été déployée que bien plus tard, car le principal cas d'utilisation initial du LTE était encore les téléphones. Mais plus tard, l'écosystème s'est rendu compte que nous avions besoin d'une radio moins coûteuse. Et pour certaines applications qui fonctionnaient bien avec des vitesses de 2G, voire de 3G, 100 mégabits étaient excessifs. Nous devions donc trouver un moyen d'offrir une solution plus rentable qui s'adresse à une plus large gamme de produits. Et à ce moment-là, les rôles de la technologie se sont vraiment divisés en un chemin à haut débit et un chemin de bas de gamme. CAT1 a été la première, suivie dans les versions ultérieures par CAT-M et NB-IoT.

Scott: Et ces réseaux, que nous appelons chez Digi IoT ou réseaux de bout en bout, sont caractérisés par des débits de données beaucoup plus faibles et une puissance beaucoup plus faible, ils sont donc appropriés pour les machines qui n'ont pas grand-chose à dire et ils sont plus faciles à gérer du point de vue de la puissance et de la gestion.

Harald: Oui. Et l'alimentation spécifiquement sur la durée de vie de la batterie. Il s'agit donc d'appareils qui peuvent être alimentés par des piles et fonctionner pendant une longue période, des années.

Qu'est-ce que la 5G ? Et comment va-t-elle se déployer ?

Scott: Ok, maintenant, ramène-nous à la maison. Qu'est-ce que la 5G ? La 5G est la prochaine génération. Qu'est-ce qu'elle a de nouveau ? Qu'est-ce que c'est ?

Harald: C'est la prochaine génération. Les générations précédentes se sont concentrées sur la vitesse au départ, donc 2G, 3G, 4G LTE, puis au sein du LTE, nous commençons à voir une diversification pour prendre en charge un grand nombre de dispositifs pour IoT. Maintenant, la 5G est la cinquième génération et elle ajoute une autre dimension, à savoir une latence plus faible. Elle étend donc les autres dimensions à des vitesses plus élevées et à un plus grand nombre de dispositifs, mais elle s'étend également, ajoute une autre dimension, à savoir une latence plus faible. Et cette latence est vraiment essentielle pour les nouvelles applications autour de l'AR/VR, pour que vous puissiez porter vos lunettes.

Scott: AR est la réalité augmentée et VR est la réalité virtuelle.

Harald: Oui. Et la réduction de la latence pour les applications automobiles sera essentielle, par exemple pour les véhicules autonomes qui communiquent entre eux et avec l'infrastructure. Donc, réduire la latence aide à répondre à ces exigences de communication, n'est-ce pas ? Sinon, si vous avez une file de voitures, tout se passe avec une latence de 20 ou 30 millisecondes, n'est-ce pas ? Au moment où vous êtes dans la 10ème voiture, vous avez une latence qui est vraiment longue.

Scott: Ouais, tu as des accidents.

Harald: Et vous avez des accidents, exactement. Aussi pour IoT, donc pour l'industrie IoT, c'est vraiment intéressant parce que maintenant vous pouvez avoir une infrastructure de communication sans fil qui peut être utilisée pour l'automatisation industrielle. L'automatisation industrielle est très sensible au temps.

Scott: Quel est un bon exemple d'application industrielle IoT pour la 5G.

Harald: Par exemple, vous pourriez envoyer un signal lorsqu'un moteur ou un convoyeur doit s'arrêter, n'est-ce pas ? Cela doit se faire à la seconde près et parfois même à la milliseconde près, et la 5G sera en mesure de le faire. Avec la 5G, il y a une nouvelle infrastructure, et de nouveaux noyaux de réseau sont construits parallèlement au noyau de la 4G. De nouvelles antennes sont installées dans certains cas sur les mêmes sites d'antennes et dans de nombreux cas, il y a de nouveaux sites d'antennes.

Scott: Si je comprends bien, la 5G sera déployée de manière beaucoup plus dense ?

Harald: C'est exact. Pour les opérateurs, c'est en fait une migration intéressante. Au départ, ils se concentrent vraiment sur le développement du réseau 4G et sur la fourniture d'une couverture, puis à un moment donné, ils commencent à changer de vitesse et à travailler sur la densification du réseau 4G LTE, qu'ils utilisent ensuite. Dans la perspective de l'arrivée de la 5G, ils ont réalisé des investissements pour mettre en place une technologie compatible avec la 5G, afin de pouvoir l'utiliser plus facilement en appuyant sur un bouton et en la déclenchant.

J'ai entendu, Harald, 50 mètres au carré. J'ai eu des nœuds sur une grille de 50 mètres. Est-ce vraiment aussi dense ou est-ce seulement dans certaines situations ? Quand vous pensez à la densité, qu'est-ce que vous envisagez ?

Harald: Donc, avec les réseaux cellulaires d'aujourd'hui, c'est en fait une superposition de réseaux. Vous avez vos macrocellules sur vos réseaux macro. Ce sont celles qui fonctionnent à une très basse fréquence et qui couvrent une longue distance. Il peut y avoir une tour de téléphonie cellulaire tous les quelques kilomètres, non ? Ensuite, il y a les petites cellules, dont il existe différentes variantes, mais utilisons le terme générique de petites cellules. Elles couvrent une zone beaucoup plus petite, jusqu'à un rayon de 50 mètres carrés.

Ces petites cellules fonctionnent généralement à des fréquences plus élevées, et c'est également l'une des principales différences entre la 4G LTE et la 5G. La 4G LTE fonctionnait généralement dans ce que l'on appelle les bandes basses, entre 1 et 2 GHz ou même en dessous de 1 GHz et 2 GHz. Donc, ces fréquences pénètrent très bien les murs, n'est-ce pas ? Elles atteignent. Mais c'est un spectre très fortement utilisé.

Ce qui devient de plus en plus populaire avec les petites cellules, c'est la bande moyenne. Il s'agit de la gamme de fréquences allant de 2 GHz à 6 GHz, et toute cette gamme allant de moins de 1 GHz à 6 GHz est également appelée sub-6. Ainsi, lorsque vous entendez les termes de la 5G, ils parlent de sub-6 et ils peuvent parler d'ondes millimétriques (mmWave).

La technologie 5G mmWave utilise des fréquences dans le spectre des 24, 28 et 39 GHz, soit des fréquences très, très élevées. Et plus la fréquence est élevée, plus la distance que peut atteindre une onde radio est courte. C'est pourquoi on parle d'installer une petite cellule ou une radio sur chaque lampadaire, par exemple.

Scott: J'ai lu dans l'un de vos articles récents que l'un des effets de cette densité sera la fiabilité, et que la fiabilité va augmenter de deux ou trois mètres de magnitude. Y a-t-il plus que la densité ? Fondamentalement, vous pouvez être relié à de nombreux pylônes en même temps. Qu'est-ce qui crée aussi la fiabilité ?

Harald: Eh bien, une partie de la densité est évidemment que vous devez avoir une tour cellulaire à portée pour être connecté en premier lieu.

Scott: Donc vous pouvez voir plusieurs tours à tout moment ?

Harald: Exactement. Si vous changez de tour, c'est plutôt transparent, mais il peut y avoir un petit temps de transition, non ? Donc ce qui aide vraiment à la fiabilité est une fonction appelée Coordinated Multipoint (CoMP).

Scott: Ok.

Harald: Dans le passé, chaque tour de téléphonie cellulaire fonctionnait indépendamment, et il n'y avait pas de communication entre elles du côté radio. La radio ne pouvait donc être connectée qu'à une seule tour cellulaire à la fois. Avec le multipoint coordonné, il y a une coordination entre les deux et la radio est connectée à plusieurs tours. Ainsi, si tout d'un coup vous entrez dans un tunnel, ou s'il y a un immeuble de grande hauteur et que vous conduisez dans cette zone, si l'une des tours cellulaires disparaît soudainement, l'autre tour cellulaire peut la capter immédiatement et il n'y a donc pas de latence.

Scott: Pour quiconque a déjà traversé le Wisconsin, on appelle ça des transferts de tour et ça n'arrive pas souvent, n'est-ce pas ?

Harald: Bien, et ensuite vous avez une goutte.

Scott: Ok. Donc avec la 5G, nous pouvons nous attendre à une latence plus faible, une fiabilité plus élevée, une bande passante plus large, des fréquences plus élevées. Laissez-moi revenir sur quelque chose que je trouve intéressant. Je suis physicien, donc j'adore le mot "spectre". N'est-ce pas ? Vous utilisez beaucoup le mot "spectre" et ensuite nous parlons de fréquences, 6 gigahertz, sub-6 et plus de 6. La façon dont je pense au spectre est un peu comme les réseaux de télévision. Ainsi, si le réseau NBC ne dispose que de lumière bleue, le réseau CBS que de lumière rouge et le réseau ABC que de lumière verte, ils ne peuvent diffuser que dans cette partie du spectre. Cela aide à visualiser le spectre. Je dois penser à l'ensemble du spectre radio dans un histogramme, en gros, et ensuite je prends des morceaux de celui-ci. Et vous achetez littéralement un morceau, non ?

Harald: C'est exact, oui.

Scott: Alors, dites-moi comment ça marche. Le 3GPP dit : " Voici la partie du spectre qui va supporter cette version ", et dans ce cas, c'est de sub-6 à 39, avez-vous dit, ou 29 ?

Harald: Trente-neuf.

Scott: Trente-neuf gigahertz. Alors comment allouent-ils... Je veux dire, ils mettent aux enchères, vous entendez parler de la mise aux enchères du spectre. Alors, comment les opérateurs achètent-ils leurs différents morceaux de spectre ?

Harald: Une très bonne question. C'est une question mondiale, n'est-ce pas ? L'UIT accueille la Conférence mondiale des radiocommunications (CMR) tous les quatre ans et elle examine l'ensemble du spectre au niveau mondial et décide quel spectre doit être mis à disposition. Et puis, en passant, ils définissent également ce à quoi les générations futures devraient ressembler. Ils sont donc plus visionnaires, alors que le 3GPP est plus exécutif dans ce domaine. Et donc, ils disent : "Oh, d'accord, nous devons avoir ce nombre de nœuds par kilomètre carré, nous devons avoir ces vitesses, et ainsi de suite", n'est-ce pas ?

Scott: Ils ont compris tout ça.

Harald: Oui. Et ils parlent du spectre plus en général. Ils disent : " Ok, alors il y a, disons, 24 GHz, n'est-ce pas ? Et ensuite, ils distribuent cela à des entités comme la FCC aux États-Unis, et ensuite la FCC travaille avec le gouvernement pour vendre aux enchères. Ainsi, un opérateur de réseau mobile peut faire une offre sur la totalité du spectre ou sur certaines parties du spectre et s'il remporte l'enchère, il reçoit des milliards de dollars et le spectre est valable pendant des décennies. Ils possèdent ce spectre, et peuvent l'utiliser pour leur service.

Scott: Et personne d'autre ne peut le faire ?

Harald: Et personne d'autre ne le peut. Et cela s'appelle aussi le spectre des licences.

Scott: Le spectre des licences ? C'est un bon point. Donc vraisemblablement, ils pourraient vendre 5,95 gigahertz à Verizon et 6,05 gigahertz à une certaine gamme. Donc ils sont dans le voisinage mais ils ont des fréquences très spécifiques sur lesquelles ils opèrent ?

Harald: Exactement.

Scott: Merci pour tous ces aperçus. J'apprécie toujours nos conversations. Nous allons poursuivre notre série en parlant de l'état actuel de la construction du réseau 5G et de ce que l'on peut attendre des délais de déploiement de la 5G.

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