La 6G ‒ une vision des communications sans fil de demain

Même si on s'attend à ce que les réseaux 5G poursuivent leur croissance et leur développement dans les années à venir, les stratèges technologiques proposent déjà des visions qui vont bien au-delà de la 5G. Si leurs scénarios 6G deviennent une réalité, nous pouvons nous attendre aux pays des merveilles des communications dans les années 2030. Rohde & Schwarz a été l'un des premier fournisseur d'équipements de test et mesure depuis le début de l'ère des communications sans fil numériques. Dorénavant, l'entreprise technologique supporte l'industrie en tant que partenaire proche afin de permettre de faire de la vision de la sixième génération des communications sans fil une réalité.

S'agit-il seulement de vitesses plus élevées ?

Depuis l'introduction de la norme LTE, la plupart des utilisateurs mobiles ont trouvé que leurs besoins étaient satisfaits. Avec des débits de téléchargement jusqu'à plusieurs centaines de mégabits par seconde, il est possible de regarder en direct des contenus vidéo haute résolution ou de télécharger des fichiers imposants en quelques secondes. Déjà disponible à l'échelle nationale dans de nombreux endroits, la 5G a démultiplié la vitesse disponible, mais elle a pratiquement aucun autre bénéfice réel pour les utilisateurs individuels. Des idées pour la prochaine étape de l'évolution existent déjà depuis un certain temps, cependant. Mais le système 5G avancé techniquement – qui est sujet à un développement et une extension continu s– a-t-il permis de découvrir des exigences qui pourraient éventuellement motiver cette future évolution ?

Cette question a été posée par deux auteurs en septembre 2018*). Depuis, le sujet a pris un élan remarquable à lui seul. Alors qu'elle a débuté comme un sujet de discussion entre experts, la 6G est devenue depuis une sorte de "politique éléphant" pour la technologie et l'industrie qui reçoit de la nourriture sous forme de subventions de recherche et de développement en milliards dans le monde entier. En se basant sur l'analyse du potentiel des technologies actuelles, ainsi que sur les technologies à venir qui sont en cours de développement ou visible à l'horizon, une vision s'est cristallisée qui laisse loin derrière elle tout ce qui a été précédemment possible.

*) Klaus David, Hendrik Berndt : Vision de la 6G et exigences : Y-a-t-il besoin d'aller au-delà de la 5G ? IEEE Vehicular Technology Magazine, Vol. 13, Issue 3, Sept. 2018

De personne à personne

Tout a commencé de manière très conventionnelle il y a trois décennies. Après la première génération analogique (1G) remontant aux années 1950, la première génération des communications sans fil numériques est apparue au début des années 1990. Le système global européen (GSM) dédié à la norme 2G des communications sans fil est devenu un produit d'exportation majeur, comme l'est le simulateur de système GSM de Rohde & Schwarz. Ce système est toujours considéré comme un pionnier des communications sans fil.

La première génération des communications sans fil numériques a été conçue purement comme un système vocal téléphonique. Même de simples services de données comme l'envoi de messages texte ont été ajoutés plus tard. La croissance rapide d'internet a rapidement fait accroître le désir d'avoir aussi un accès mobile à internet. Les applications de données ont alors été un élément clé dans la spécification des exigences pour la génération suivante connue comme la 3G, qui a été lancée en 2001. Cependant, elle est rapidement devenue obsolète car le système 3G ne disposait pas de la capacité nécessaire pour prendre en charge une croissance rapide des débits de données. Le nom de la norme suivante (4G) montre clairement que les concepteurs n'avaient pas l’intention de répéter les mêmes erreurs. La LTE (Long Term Evolution) a été construite pour répondre aux exigences futures pendant une période prolongée avec des mises à jour continues. Les tout premiers réseaux basés sur cette norme sont entrés en service en 2010 et constituent encore l’épine dorsale du système des communications sans fil.

Toutes les normes jusqu'à la 4G étaient ciblées sur des communications centrées sur l'humain. L'accent était mis sur l'acquisition rapide des informations (la liaison descendante), et la vidéo HD en streaming a été perçue comme le tueur de l'application. La 4G était complètement insuffisante dans ce contexte. Les motivations pour un autre développement sont venues d'une direction totalement différente.

Petits bavardages entre machines

Entre temps, diverses industries ont commencé le développement de scénarios qui nécessitaient une infrastructure de communications sans fil de très haute performance avec des fonctionnalités que la LTE ne prendrait pas en charge. Par exemple, l'industrie 4.0 est basée sur des liaisons radio extrêmement fiables avec des temps de transition du signal du début à la fin dans une gamme inférieure à la milliseconde. Des machines qui sont construites pour réaliser une tâche commune de manière synchrone à haut débit nécessite une infrastructure de données qui puisse suivre le rythme des opérations. Alors que cela n'était pas un problème avec des connexions de câbles ordinaires, c'est un défi lors de l'utilisation de la radio. Cependant, la radio est obligatoire afin de garantir la flexibilité qui caractérise l'industrie 4.0.

Le domaine du transport propose un domaine d'application entièrement nouveau pour les communications sans fil. Même dans niveau 5 encore lointain, la conduite autonome ne le sera pas autant que le terme pourrait le suggérer. Finalement, les véhicules devront partager les routes, les feux de circulation et d'autres infrastructures avec d'innombrables autres usagers de la route – produisant des interactions qui nécessitent un niveau élevé d'orchestration. Cela signifie que les véhicules doivent être connectés les uns aux autres, ainsi qu'aux équipements déployés le long des routes et au centre de contrôle du trafic. Puisqu'il existe de nombreuses situations possibles qui sont sensibles pour la sécurité telles que le freinage d'urgence, le transfert rapide et fiable du signal est une priorité absolue.

À l'inverse, les exigences associées avec les applications sans fil des villes intelligentes et des maisons intelligentes sont légèrement différentes. Des appareils tels que des compteurs et les conteneurs à déchets sont équipés de capteurs et d'éléments de contrôle qui peuvent être interrogés ou activés à distance, par exemple. L'objectif est d'éliminer la nécessité d'un accès manuel aux appareils et de permettre des actions à déclencher en se basant sur les données acquises. Seules des radiocommunications sporadiques sont nécessaires et la quantité de données est très petite. Un scénario typique pourrait impliquer des milliers d'appareils utilisateur similaires alimentés par batteries. Un système radio tel que le LTE est conçu pour qu'une performance élevée soit clairement surdimensionnée lorsqu'elle rencontre de telles applications faible performance. De plus, certaines exigences spéciales comme une consommation de courant réduite ne sont pas satisfaites.

Ce sont des applications de ce type qui ont influencé la conception de la 5G. L'objectif principal est passé des personnes aux appareils et aux machines, par exemple l'internet des objets (IoT).

Il manque quelque chose ?

La 5G est déjà bien développée dans de nombreux pays. Cependant, l'accent – même dans la standardisation par l'organisation responsable de la 3GPP – a été initialement mis sur le groupe d'applications eMBB. L'essor attendu dans les usines, les transports et la connectivité IoT n'a pas encore été matérialisée. Cependant, des applications sont déjà apparues où la 5G ne serait pas suffisante même si l'ensemble de ses options techniques étaient exploitées d'une manière cohérente. Différents niveaux de développement sont également prévus pour la 5G. En commençant avec le communiqué 18 de la spécification de la norme (la version finale est prévue pour 2024), le terme 5G avancée sera utilisé. Malgré l'absence d'accord formel, l'industrie a déjà de base décidé d'attribuer certaines fonctions de performance à une nouvelle génération de réseaux connus comme la 6G. L'objectif pour la présentation de la 6G a été fixée – plus ou moins par habitude à 2030.

Bien sûr, un cycle de 10 ans a été la règle pour les générations depuis la 2G et il semble évident de continuer. Les générations précédentes diffèrent également dans les termes techniques, par exemple des méthodes d'accès aux canaux différentes (manières d'utiliser les canaux de radio). La méthode d'accès au canal, ainsi que le type de codage des données et la bande passante de transmission utilisable ont une influence majeure sur la performance du système. En tant que fournisseur d'équipements de test et mesure, Rohde & Schwarz a soutenu et façonné cette technologie dès le début.

Depuis la 5G, des avancées techniques ont été menées du fait des fantasmes de diverses industries. Les scénarios futurs émergent de divers horizons et s'entremêlent pour produire un panorama global fascinant. Donner vie à ce panorama nécessitera des technologies qui ne sont pas encore disponibles à tous pour la plupart, mais qui sont à portée de main à moyen terme. L'interaction entre toutes ces technologies sera connue comme la "sixième génération sans fil". Cependant, ce terme austère est loin de décrire la vision entière qui est ciblée.

Des jumeaux numériques sur le holodeck

Le fondateur de Facebook, Marc Zuckerberg, a présenté sa vision futuriste de l'entreprise à l'automne dernier. Le plan directeur prévoit la conversion sur le long terme de la plateforme du média social actuel dans un "metavers". De la réalité virtuelle (VR) et de la réalité augmentée (AR) vers la réalité étendue (XR) : la fusion du monde réel et du monde virtuel pour constituer un monde artificiel. Incarnés par des personnalités numériques ou des avatars qui sont projetés de manière holographique dans l'espace de la réalité avancée, les utilisateurs pourront facilement passer d'un chat de discussion, au monde du jeu et aux centres commerciaux – sans jamais quitter l'environnement de synthèse. Alors que tous les détails relatifs à la manière dont cela fonctionnera n'ont pas encore été clarifiés, il est clair que les lunettes de réalité virtuelle VR joueront un rôle majeur.

Bien sûr, cela n'est pas entièrement nouveau. Les lunettes de réalité virtuelle sont commercialisées depuis des années et sont déjà utilisées, principalement pour des applications industrielles. Les spécialistes utilisent les lunettes, par exemple, pour projeter un modèle 3D d'un objet à assembler dans l'image réelle – avec les informations sur la manière de gérer l'objet. La personne portant les lunettes peut même interagir manuellement avec la projection holographique comme si elle était réelle. Cela intègre le toucher et la manipulation de la projection. Rendre un tel système disponible à des millions de personnes est l'un des scénarios pilotes pour la 6G.

La réalité étendue – la combinaison des mondes réel et virtuel – englobe un certain nombre d'autres visions substantielles si on la conduit à sa conclusion logique. L'objectif sur le long terme est d'obtenir une immersion totale dans un nouveau monde qui est appréhendé comme si il était réel. Cela intègre des éléments tels que la résolution optique tri-dimensionnelle capable de stimuler entièrement la vision humaine, un environnement acoustique adapté, une réaction instantanée de tous les objets de synthèse (internet tactile) et enfin, une représentation crédible de toutes ces choses.

Ce qui est significatif, cependant, c'est que certains de ces objets correspondent à leurs homologues du monde réel. Ces "jumeaux numériques" sont en effet des représentations virtuelles interactives d'objets du monde réel et de machines qui peuvent être manipulées à partir du metaworld. La possibilité de les utiliser à n'importe quelle distance de la machine a potentiellement des conséquences sur l'organisation du travail. Les effets potentiels de l'engouement sociétal pourraient inclure une renaissance des zones rurales si la nécessité d'être présent au cœur des centres urbains diminuait.

Quel est le rapport avec la 6G ? La puissance de calcul nécessaire pour façonner individuellement ce monde artificiel immersif pour chaque utilisateur dépassera de loin les capacités des lunettes de réalité virtuelle – en particulier si les lunettes doivent être gracieuses et discrètes comme des lunettes normales. Une puissance de calcul externe sera nécessaire, qui pourrait n'impliquer rien de plus qu'un smartphone dans la poche de l'utilisateur. Dans les cas où cela ne serait pas assez puissant, la tâche peut être déléguée à un ordinateur annexe ou transférée vers un serveur cloud.

C'est là que la 6G intervient. Le transfert de très grandes quantités de données vers les lunettes avec des résolutions vidéo d'au moins 8K en stéréo nécessite des capacités de transport de plusieurs centaines de gigabits par seconde, ainsi que des temps de transition du signal de l’ordre d'une dizaine de milliseconde pour permettre des réactions naturelles en temps réel. La 5G n'est pas conçue pour une telle performance. La fourniture intelligente d'une puissance de calcul pour les divers services 6G en se basant sur l'intelligence artificielle sera une autre tâche pour le réseau. En effet, L'IA sera omniprésent au sein du réseau 6G.

KPI techniques de la 6G

Compte tenu des applications difficiles auxquelles la 6G s'adressera, tous les principaux paramètres de performance du réseau radio doivent être améliorés en parallèle. Les principaux indicateurs de performance (KPI) suivants sont évoqués pour la 6G, les figures correspondante de la 5G sont indiquées pour comparaison :

Pionnier du domaine vertical

La fourniture d'une couverture sur de grandes zones est un thème commun dans le monde des communications sans fil. Dans la 6G, cependant, les zones blanches sur la carte ne devraient plus être un problème. Au contraire : Des communications sans fil haute performance pour supporter l'expérience immersive seront ciblées à travers toute la surface de la terre – y compris les campagnes et les zones non résidentielles – mais également dans la troisième dimension. Cette vision intègre même le monde sous-marin. Partout où les humains et les machines peuvent exister, ils peuvent être accessibles par des communications sans fil rapides. Cela ne nécessite pas seulement de nouvelles technologies telles que la transmission de signaux optiques sous l'eau où les ondes radio sont absorbées, mais également de vastes infrastructures en surface. Par exemple, cela pourrait comprendre des flottes de satellites, ainsi que des plateformes volantes telles que des dirigeables et des drones.

Le vrai internet des objets

L'internet des objets existe conceptuellement déjà depuis un bon moment. Dorénavant, il prend également peu à peu forme dans le monde réel. En particulier dans l'industrie et le transport, sa croissance devrait s'accélérer par la 5G. Les applications de maisons et de villes intelligentes auront également leurs propres contributions. Cependant, il serait quand même trop tôt pour parler de connectivité globale. Cela fait partie de la vision de la 6G. En se basant sur sa configuration technique, ainsi que sur sa capacité, la 6G devrait pouvoir intégrer un nombre arbitraire d'appareils dans toutes les catégories imaginables. Tout ce avec quoi nous souhaitons avoir des contacts ou tout ce qui joue un rôle dans nos vies – dans des contextes privés, commerciaux ou publics – est un candidat potentiel à la connectivité. Prenons, par exemple, les ponts et les autoroutes. Comment est leur état actuel ? Quand et où doivent-ils être réparés ? Des capteurs radio embarqués pourraient fournir les informations pertinentes. Les balises RFID communément utilisées dans les ventes au détail et les logistiques pourraient simplement être lues à courte distance. Dotées de capteurs spéciaux et d'une portée accrue, cependant, elles pourraient être utilisées pour surveiller la qualité des denrées alimentaires et envoyer des rapports pertinents, par exemple.

Le dernier exemple concerne simultanément plusieurs secteurs de recherche actuels. Si un petit objet mobile est surveillé pour être en mesure de le retirer de la circulation quand c'est nécessaire, sa position exacte doit être connue. De nombreuses autres applications nécessitent également des informations à propos de l'emplacement des partenaires des communications car les services de la 6G seront généralement fournis localement. Pour des raisons techniques, la 6G utilisera des faisceaux radio directionnels très focalisés afin d'orienter l'énergie radio vers des stations à distance spécifiques. Un réseau 6G inclura alors un réseau radio ainsi qu'un réseau de capteurs capables de déterminer la position des utilisateurs radio au centimètre près dans un espace 3D. Les techniques à utiliser à cette fin sont encore à l'étude, mais la technologie radar dans les points d'accès est une possibilité.

Un autre problème associé au déploiement de masse des capteurs radio concerne la manière de les alimenter en énergie. La quantité de ces appareils, ainsi que le degré de miniaturisation, rendent impossible le remplacement des cellules de puissance. Cependant, puisque de nombreuses applications sont conçues pour un déploiement sur le long terme sur plusieurs années dans certain cas, les capteurs doivent pouvoir fournir leur propre alimentation. Les dispositifs zéro énergie et de récupération d'énergie sont des mots à la mode ici. Les capteurs RFID modernes sont conçus pour fonctionner de cette manière, mais ils sont directement alimentés avec une énergie électromagnétique par un dispositif lecteur à proximité. Les capteurs 6G devront se passer de cette commodité et obtenir une alimentation à partir de sources locales adaptées telles que la chaleur, la lumière ou le mouvement. Comme de nombreux autres sujets de la 6G, la recherche dans ce secteur en est encore à ses balbutiements. Néanmoins, les équipements T&M de Rohde & Schwarz nous aident déjà à comprendre les modèles de consommation d'énergie des appareils, rendant la conception faible puissance possible.

La 6G ne sera pas seulement une base inépuisable pour l'internet des objets, mais aussi un nouveau genre d'internet. Tout comme nous aimons appeler l'internet conventionnel un réseau de réseaux (informatiques), il sera possible de décrire la 6G comme un réseau de réseaux radio. La structure monolithique des réseaux sans fil d'aujourd'hui fera place à un environnement réseau en changement hétérogène permanent ("réseau organique"). Des sous-réseaux commerciaux, privés et publics de toutes tailles seront interconnectés de cette manière, s'étendant des cellules macro qui existent aujourd'hui et fournissent la couverture sur un kilomètre carré entier – jusqu'aux cellules "atto" et "zepto" avec la couverture d'une seule pièce ou d'une voiture.

Pour permettre le processus d'automatisation de l'arrimage d'un réseau à la structure globale, il est souhaité de virtualiser autant de fonctionnalités réseau que possible. Cela implique de décrire les fonctions d'une manière purement abstraite – une approche qui a d'abord été essayée dans une certaine mesure avec la 5G. Les blocs de fonctions du réseau doivent fournir un support multi-vendeurs pour ce langage abstrait et l'interpréter en conformité avec la norme. Rohde & Schwarz est impliqué dans l'O-RAN Alliance, qui promouvait la standardisation et l'interopérabilité dans ce secteur. La standardisation mondiale de la technologie 6G, comme déjà avec les générations précédentes, est très importante.

Où tout est ultra

Alors qu'ils esquissent leurs scénarios 6G, les visionnaires de la technologie refusent d'accepter les limites de leur imagination. Le ciel est la limite. Alors que la 5G fait avec seulement trois groupes d'applications (eMBB, mMTC et URLLC), la vision 6G implique plus de groupes – et même des combinaisons de groupes. En nommant leurs créations, les experts aiment utiliser des superlatifs. Une règle simple consiste à ce que les caractéristiques de performance soient toutes précédées d'un ultra. Au fur et à mesure que la nomenclature continue d'évoluer et que la standardisation se poursuit, on peut trouver des articles techniques contenant des termes comme feUMBB (further enhanced ultra mobile broadband), uHSLLC (ultra high sensing low latency communications), uHDD (ultra high density data services), uHEE (ultra high energy efficiency), uHRS (ultra high reliability & sensing), uHRUx (ultra high reliability & user experience), uLLRS (ultra low latency reliability & security) et d'autres.

Une question évidente est de savoir si le monde de la science-fiction que nous avons décrit ici est vraiment aussi proche d'être réalisé que ses architectes voudraient le suggérer. Tout dépend de la capacité des chercheurs à atteindre leurs objectifs dans le délai spécifié pour que les produits de série puissent être fabriqués. Compte tenu de l’intérêt mondial pour cette technologie clé qui est attendue au cours des prochaines décennies, ainsi que du financement important qui est disponible – sans parler de la taille du marché et de la dimension politique pertinente – il semble y avoir beaucoup de détermination et d'enthousiasme pour la 6G.

La course a commencé

Depuis que la discussion initiale sur la 6G a commencé il y a à peine quelques années, les rouages ont été mis en branle dans l'industrie, les instituts de recherche et le monde politique. Des initiatives de recherche ont été lancées dans le monde entier, tandis que des aides financières ont été accordées et des alliances constituées. Les politiciens ont compris que la capacité à rivaliser – sans parler de la prospérité économique de pays entiers – peut potentiellement reposer sur une participation égale dans le système 6G. Éviter un état de dépendance est donc une considération essentielle. Par exemple, le Japon et les États-Unis ont accepté au plus haut niveau d'investir conjointement 4,5 milliards USD dans la recherche dur la 6G.

L’Europe a lancé un projet phare 6G nommé Hexa-X. Des organisations de neuf pays différents participent à ce projet. Séparément, le ministère de l'éducation et de la recherche allemand fournit des fonds à hauteur de 700 millions EUR jusqu'à 2025. De ce montant, 250 millions seront bientôt versés pour quatre centres de recherche nationaux qui ont déjà soumis leurs requêtes pour financer les programmes dans lesquels Rohde & Schwarz participe également. La Corée du sud poursuit un plan ambitieux qui impliquera des premiers essais terrain dans l'année 2026. Le pays prévoit d'investir environ 195 millions USD jusque là. Qu'en est-il de la Chine ? Bien sûr, la Chine ne compte pas renoncer à la position forte qu'elle a obtenue avec la 5G parce qu'une autre génération de technologie émerge. Le ministère chinois de la science et de la technologie travaille avec d'autres ministères et des agences gouvernementales pour coordonner les ressources nationales nécessaires pour obtenir une 6G prête au déploiement aussi rapidement que possible.

Depuis le tout début de l'ère des communications sans fil numériques, Rohde & Schwarz a été un partenaire proche de l'industrie, ainsi qu'un fournisseur leader en équipements T&M. Les produits et l'expertise de l'entreprise sont déjà utilisés dans divers projets de recherche sur la 6G. Les équipements de mesure nécessaires pour la 6G sont rendus disponibles étape par étape.