Réseau & Communication

5G : Pour qui ? Pour quoi ? Et pour quand ?

Date:
Mis à jour le 25/05/2021
Débits plus importants, latence fortement réduite et prise en charge d’un important nombre de dispositifs IoT… La 5G fait, depuis plusieurs années déjà, l’objet d’une attention considérable et d’un battage médiatique certain. Faisons le point, avec trois chercheurs Inria, sur cette nouvelle génération de réseaux mobiles.
Salle anÈchoÔde
© Inria / Photo C. Morel

Qu’est-ce que la 5G ?

La 5G représente la cinquième génération de réseaux mobiles. C’est une évolution des architectures de communication qui doit garantir à un plus grand nombre d’utilisateurs (comprenant les machines, les objets et les appareils) des débits plus importants et une latence ultra faible.

Celle-ci doit permettre de répondre à l'explosion de notre consommation de data, mais également fournir plus de connectivité que ce qui était disponible auparavant, en prenant désormais en compte des objets connectés dans les réseaux cellulaires. « C’est une évolution logique des technologies d’accès des réseaux cellulaires, et de la prise en compte du monde des objets dans les protocoles de communication avec la possibilité de rattacher certains objets au réseau cellulaire », explique Thomas Watteyne, directeur de recherche au centre Inria de Paris.

En quoi la 5G est-elle si différente de la 4G ?

Le plus grand avantage de l'utilisation de la 5G par rapport à la 4G réside dans son très haut débit et sa faible latence. Parmi les objectifs fixés pour cette nouvelle génération : un débit maximum par utilisateur capable d’atteindre les 20 Gbit/s, soit un débit 10 à 20 fois supérieur à la 4G. « Cela représente le maximum que l’on puisse fournir dans le réseau, ça ne veut pas dire que tout un chacun pourra avoir ça », précise Walid Dabbous, responsable de l'équipe-projet Diana à Inria Sophia Antipolis, avant d’ajouter : « Technologiquement, c’est faisable. Mais économiquement et concrètement on va peut-être passer de dix mégabits à cent mégabits par seconde. C’est que l’on appelle le débit utilisateur. » La latence, quant à elle, passerait de 10 à 1 ms

Cette architecture globale offrira plusieurs possibilités de connectivité avec des caractéristiques très diverses. C’est pourquoi la 5G est considérée comme une technologie très intéressante pour l’Internet des objets, en apportant une connectivité appropriée selon les besoins, explique Nikolaos Georgantas.

La 5G est également plébiscitée pour sa capacité à faire cohabiter plus d'appareils en marche, dans une zone géographique plus réduite. Alors que la 4G ne peut prendre en charge qu'environ 4 000 appareils par kilomètre carré, la 5G promet de supporter 1 million d'appareils par kilomètre carré, soit une densité de connexion multipliée par 10.

Concrètement, de quelle manière cela va-t-il se traduire ?

En permettant de libérer un gigantesque écosystème IoT dans lequel les réseaux peuvent desservir des milliards d'appareils connectés, avec les bons compromis entre vitesse, latence et coût, la 5G promet en effet de bouleverser bon nombre de domaines, à commencer par ceux de la santé, de la mobilité, de la ville intelligente ou encore des usines du futur.

L’IoT concentre une grande partie des recherches de l’équipe-projet MiMove, basée au centre Inria de Paris.

« La conception, le développement et l'exécution d'applications relevant de l'IoT nécessitent de maitriser et de gérer sa complexité en termes de distribution, d’hétérogénéité, de dynamisme et d'échelle. Nous fournissons des solutions middleware pour l’IoT qui traitent ces questions de manière transparente pour les applications. » – Nikolaos Georgantas, responsable de l’équipe-projet.

Les contributions de MiMove se concentrent sur trois domaines :

  • La prise en charge de la grande diversité technologique des solutions IoT ;
  • Le crowdsensing mobile, qui exploite les capteurs intégrés aux appareils mobiles ;
  • Des algorithmes d’ordonnancement dynamique, pour les applications de traitement et d'analyse de flux de données IoT sur des réseaux de ressources de type mobile-edge-cloud.

Dans le secteur de la mobilité, par exemple, la 5G pourrait permettre de faire communiquer les véhicules entre eux, mais également avec leur environnement urbain, optimisant alors les déplacements, réduisant les embouteillages et les risques d’accidents et, surtout, permettant aux véhicules autonomes de s’intégrer parfaitement dans la circulation.

En santé, la 5G offre de belles promesses dans le domaine de la téléchirurgie. Les chirurgiens pourraient ainsi avoir la possibilité d’effectuer des opérations médicales complexes depuis n'importe quel endroit du monde grâce à des robots contrôlés par la 5G. Les patients qui ont besoin d'un type d'opération spécifique pourraient, quant à eux, choisir le meilleur chirurgien, où qu'il soit. Également, les opportunités qu’ouvre la 5G dans les objets connectés à basse énergie pour le suivi médical se démultiplieront dans les prochaines années, permettant aux patients de continuer à vivre à domicile avec des dispositifs portables pour surveiller des variables telles que la pression artérielle, le pouls et la fréquence respiratoire.

Quels sont les caractéristiques et enjeux techniques de la 5G ?

Mais comment faire circuler les données encore plus rapidement ? « Les technologies de transmission nécessitent des bandes de fréquences. Pour augmenter le débit, il existe deux solutions : augmenter l’efficacité spectrale, en envoyant plus de données sans pour autant augmenter la largeur de bande, ou bien augmenter l’efficacité spectrale et la largeur de bande », explique Walid Dabbous.

Pour avoir des bandes larges, il faut des fréquences disponibles. Or plusieurs bandes de fréquences sont déjà attribuées pour d’autres usages. Pour le nouveau réseau mobile, deux bandes de fréquences ont ainsi été retenues, avec des propriétés différentes :

  • La bande des 3,5 GHz, attribuée en exclusivité à la 5G. C'est la bande préférentielle du nouveau réseau mobile et surtout, « la seule bande de fréquences qui permet une montée en débit vraiment significative », précise l’Arcep, dans un article dédié à la 5G ;
  • Les fréquences de la 4G, composées de fréquences basses (700 ; 800 ; 900 MHz ; 1,8 ; 2,1 ; 2,6 GHz) et adaptées aux zones rurales pour leur capacité à porter plus loin et donc réduire les besoins en antennes relais. Les fréquences se situant au-dessus de 2,1 GHz sont adaptées, quant à elles, pour les zones urbaines, car leur capacité à couvrir de grandes surfaces est plus réduite. 

Une troisième bande de fréquences sera également attribuée à la 5G dans quelques années : celle des 26 GHz. C’est ce que l’on appelle des ondes millimétriques, c’est-à-dire dont les longueurs d’onde sont de l’ordre du millimètre. Ces dernières ont la propriété de pouvoir fournir une plus grande largeur de bande, bien que sur des distances plus courtes, mais sont en revanche confrontées à une problématique de taille : leur difficulté à "traverser" ce qui se trouve sur leur chemin. « Ces ondes ont des propriétés qui font que le moindre obstacle va les atténuer », précise Walid Dabbous.

En d’autres mots, et bien que la 5G offre une augmentation significative de la vitesse et de la bande passante, sa portée plus limitée nécessitera des infrastructures supplémentaires.

La solution : utiliser plusieurs antennes miniaturisées reliées entre elles et permettant de diriger le signal radio uniquement vers les utilisateurs demandeurs au moment où ils en ont besoin au lieu d’être émis dans toutes les directions de manière constante, afin de réduire les interférences et d’augmenter significativement les débits.

Ces antennes, plus petites, devront ainsi se multiplier sur le territoire pour compenser leur portée plus courte. Pour cette raison, les opérateurs s’accordent aujourd’hui à dire qu’il sera important de continuer à utiliser des bandes de fréquences plus basses pour couvrir des zones plus larges jusqu'à ce que le réseau 5G arrive à maturité.

À côté de cela, la 5G s’appuie sur et intègre plusieurs paradigmes et technologies existants pour pouvoir s’adapter aux problématiques diverses. Certains ont fait leurs preuves ou sont très prometteurs, à l’image du paradigme edge / fog computing, qui permet l’exécution de calculs au plus près des sources de données avec des gains significatifs en vitesse et en ressources réseau ou du paradigme réseaux logiciels (Software-Defined Networking) couplé à la virtualisation des fonctions réseaux (Network Function Virtualization) qui offre une souplesse accrue dans la gestion des ressources du réseau central afin de prendre en charge les flux de données très diversifiés de la 5G.

Plusieurs équipes de recherche Inria travaillent à ce jour sur des problématiques liées, de près ou de loin, à la 5G, à l’instar de l’équipe-projet DIANA (centre Inria Sophia Antipolis - Méditerranée), qui mène des recherches dans le domaine des réseaux, en mettant l'accent sur l’évaluation expérimentale et reproductible des performances des réseaux 5G, l’équipe-projet EVA (centre Inria de Paris), spécialisée dans les communications sans fil à faible puissance, ou encore l’équipe-projet STACK (centre Inria Rennes-Bretagne Atlantique), qui se positionne comme architecte des systèmes de gestions de ressources (hard et soft) pour les infrastructures géodistribuées (Fog, Edge, etc.), infrastructures qui vont de pair avec la 5G. L’équipe-projet RESIST (centre Inria Nancy - Grand Est) adresse elle de son côté les enjeux de sécurité que pose le continuum Cloud-Edge-IoT dans les  réseaux du futur (5G et au-delà).

Où en est-on dans la course à la 5G ?

Malgré la pandémie mondiale de COVID-19, le rythme d'introduction de nouvelles fonctionnalités 5G s'est accéléré en 2020, tant dans le domaine des réseaux que dans celui des terminaux.

Un constat qui concerne particulièrement les États-Unis, la Corée du Sud, la Chine et la Suisse, tous quatre en tête de la course mondiale à l’adoption de la 5G. La Corée du Sud, par exemple, vise une couverture nationale en 2021, et la Suisse a déployé des réseaux 5G à 90 % de sa population. En Chine, 175 millions d'abonnements 5G étaient prévus d'ici à la fin de 2020, selon les prédictions d’Ericsson.

Derrière, d’autres pays avancent à leur rythme. C’est le cas de l'Autriche, l'Espagne, le Portugal, et la France qui ont tous dû reporter des enchères de spectres clés pour la 5G en raison de la crise sanitaire mondiale. Dans l’Hexagone, les opérateurs ont lancé leurs premières offres commerciales fin 2020, à la suite des attributions de fréquences dans la bande des 3,5 GHz aux opérateurs par l’Arcep (Autorité de régulation des communications électroniques, des postes et de la distribution de la presse, anciennement « Autorité de régulation des télécoms ») le 12 novembre 2020.

Malgré cela, et bien que le processus de déploiement du réseau 5G ait commencé il y a plusieurs années, l'industrie n'en est qu'aux premiers stades de son adoption. Un déploiement complet prendra du temps, et la 5G elle-même évoluera : augmentation de son débit, réduction du temps de latence, capacité à supporter beaucoup d’usagers en même temps, etc.

On a identifié plusieurs étapes. Certaines choses sont prêtes à être déployées maintenant, d’autres viendront plus tard, à l’image des fréquences dérivées pour avoir des communications très élevées, précise Thomas Watteyne.

Quoi qu’il en soit, plus la 5G évoluera, plus ses avantages pour l’industrie seront marquants. Une étude dévoilée par Ericsson fin 2020 prédit ainsi qu’en 2026, 60 % de la population mondiale aura accès à une couverture 5G avec près de 3,5 milliards d'abonnements. En attendant, le monde parle déjà de la transition vers la 6G et de ce que ce réseau pourrait offrir, à savoir des vitesses cent fois supérieures à la 5G, et où l’intelligence artificielle jouerait un rôle prépondérant.