👨🏼‍🍳 ✋🏽 🛌 Pourquoi et comment la 5G changera tout: technologie, mise en œuvre progressive et base d'éléments pour l'équipement d'abonné 👩🏾‍🤝‍👨🏽 👩🏾‍🔧 😄

La 5G n'est pas seulement une nouvelle norme pour les communications mobiles, l'introduction à long terme de réseaux de 5e génération transformera notre perception du monde et conduira à une transformation sociale de la société. Dans le même temps, l'économie des réseaux va changer: la vitesse de transmission moyenne augmentera de 40 fois, et le coût de livraison, au contraire, diminuera de 30 fois. D'ici 2024, selon les analystes, jusqu'à 30% du trafic mobile passera par des appareils prenant en charge la 5G. La technologie 5G représentera 15% du secteur mondial de la téléphonie mobile d'ici 2025 (prévisions GSMA, www.gsma.com ); en Europe et en Chine, ce chiffre sera de 30% et aux États-Unis de 50%.

Cet article tentera de révéler l'applicabilité des communications mobiles de 5e génération (ci-après - 5G) dans notre avenir, pas trop éloigné. Le contenu de l'article, sans prétendre être un récit académique, vous expliquera en quoi la 5G est intéressante et comment les développeurs d'équipements utilisateur (User Equipment ou UE) peuvent commencer à former le marché des appareils 5G aujourd'hui. L'accès de l'UE aux réseaux 5G peut être obtenu grâce à des modules cellulaires appropriés; à la fin de l'article, nous examinons brièvement la gamme de nomenclature des modules 5G SIMCom Wireless Solutions , leurs principales caractéristiques et la différence entre elles.

Longrid

Principales références et technologies 5G

5G (de la cinquième génération anglaise à la cinquième génération) - une génération de communications mobiles qui fonctionne conformément aux normes de télécommunication qui suivent la technologie existante LTE (4G).

Le consortium 3GPP a commencé à formuler la spécification 5G-NR (NR - New Radio, technologie d'accès radio pour les réseaux mobiles de 5e génération) en 2015. Ensuite, les plans de préparation du cahier des charges ont été annoncés. Conformément à ces plans, la première phase du cahier des charges devait être achevée avant le second semestre 2018 (dans le cadre de la sortie du 15 3GPP), et la deuxième phase - d'ici décembre 2019 (dans le cadre de la sortie du 16 3GPP). Pour le moment, la première phase s'achève avec un an de retard et la seconde est reportée au troisième trimestre 2020.

Plan de publication des spécifications 3GPP (source: https://www.3gpp.org )

Les normes et spécifications 3GPP ont été créées par les acteurs du marché et prennent en compte une variété de tâches commerciales, chacune ayant bien entendu ses propres exigences spécifiques. Ainsi, la recommandation 3GPP TR 38.913 a identifié les indicateurs clés suivants des réseaux de nouvelle génération:

Débit de données de liaison descendante de pointe (liaison descendante) 20 Gbit / s (efficacité spectrale 30 bit / s / Hz);
Débit de données de liaison montante de pointe (liaison montante) 10 Gb / s (efficacité spectrale 15 bit / s / Hz);
le retard minimum dans le sous-système d'accès radio pour les services URLLC est de 0,5 ms, pour les services eMBB - 4 ms;
la densité maximale d'appareils du monde IoT connectés au réseau en milieu urbain est de 1'000'000 appareils / km2;
Fonctionnement autonome des appareils du monde de l'IoT sans recharger la batterie pendant 10 ans;
aide à la mobilité à une vitesse maximale de déplacement des objets de 500 km / h.

Et maintenant, brièvement sur certaines technologies grâce auxquelles la mise en œuvre effective de réseaux de cinquième génération devient possible.

Fréquence et bande passante

La spécification 3GPP TS 38.211 V1.2.0 (2017-11) a défini de nouvelles bandes de fréquences radio pour la 5G (voir tableau 1) et les a divisées en deux blocs de fréquences: FR1 (fréquences jusqu'à 6 GHz ou sub6G) et FR2 (fréquences supérieures à 6 GHz ou mmWave) . Travailler à des gammes de fréquences plus élevées vous permet d'éliminer diverses interférences dans le réseau qui faussent la transmission des données. De plus, une fréquence plus élevée - une bande passante plus élevée et une bande passante de canal en dépendent directement. Ainsi, pour le bloc FR1, en fonction du SCS utilisé (Sub-Carrier Spacing, une variante de la séparation des fréquences radio des sous-porteuses), la largeur d'un canal radio est autorisée jusqu'à 100 MHz, pour le bloc FR2 - de 50 à 400 MHz! Contrairement aux réseaux LTE, qui autorisent des canaux d'une largeur de seulement 1,4, 3, 5, 10, 15 et 20 MHz. Et si vous combinez la largeur du canal avec l'agrégation de fréquence (CA), alors pour une connexion, vous pouvez obtenir un spectre de 2 GHz ou plus.

*Gammes de fréquences pour les réseaux 5G*
Unité de radiofréquence	Gamme de fréquences radio
FR1	450 MHz - 6 000 MHz
FR2	24'250 MHz - 52'600 MHz

Formation massive de MIMO et de faisceaux

La formation de faisceaux à l'aide d'antennes MIMO n'est pas un concept nouveau et existe déjà sur le marché cellulaire sous le nom d'AAS (Active Antenna System, Active Antenna System). L'antenne AAS MIMO montée sur la tour vous permet de diviser la zone de couverture en cellules statiques, augmentant ainsi l'efficacité d'utilisation du spectre, et donc augmentant le nombre de canaux. Mais les réseaux congestionnés modernes ont besoin d'une formation de faisceau numérique dynamique pour maximiser l'efficacité du spectre.

Antenne MIMO 2D (gauche) et antenne MIMO massive (droite)

L'application du concept d'antennes MIMO dans la gamme millimétrique de FR2 devient encore plus intéressante puisque les ondes radio millimétriques ont une bonne directivité en raison de l'augmentation du nombre d'éléments d'antenne par antenne. Un réseau de tels éléments d'antenne (256 ou plus) peut être combiné en un soi-disant. Antenne MIMO massive. En contrôlant la phase et l'amplitude des signaux, une telle antenne est capable de générer dynamiquement de nombreux rayons forts et nets dans les directions d'utilisateurs spécifiques. Ainsi, avec Massive MIMO, nous obtenons:

signal de sortie puissant vers l'UE;
signal fort au niveau de bruit de l'UE;
absence d'interférence entre les cellules;
une augmentation significative du nombre de canaux de communication par cellule.

Ainsi, la technologie MIMO prend différentes significations dans les gammes sub6G et mmWave comme indiqué dans le tableau ci-dessous:

*MIMO dans les bandes sub6G et mmWave*
	Sub6G	mmWave
MIMO	88	22

	, . , .	. .

SRS (Sounding Reference Signal, )

La technologie, connue depuis la 14e version de 3GPP, est un ajout important à Beamforming. Il permet à la station de base de se renseigner sur la qualité du canal grâce à un paquet spécial envoyé par l'UE. En règle générale, la plupart des UE ne peuvent prendre en charge l'envoi de SRS via leur antenne de transmission principale. Par conséquent, la station de base ne peut recevoir des informations de canal que pour cette antenne. Cependant, en utilisant la technologie de sélection d'une antenne d'émission, il est possible d'obtenir des informations complètes sur les canaux de toutes les antennes de l'UE. Par conséquent, la station de base peut générer le faisceau dans la direction de l'UE de la meilleure façon. En conséquence, le débit de l'UE augmentera considérablement, en particulier aux points situés à des distances éloignées et moyennes de la station de base (jusqu'à + 40%).

Tranchage réseau ou Tranchage réseau

Selon la logique de ce concept, les opérateurs mobiles pourront déployer des réseaux isolés les uns des autres, chacun pouvant se voir attribuer / attribuer un ensemble d'indicateurs clés - pour l'Internet des objets, une large couverture, pour le transport urbain - une large bande et une faible réponse. Le travail de cette technologie sera possible lors du passage au cœur d'un réseau de nouvelle génération.

Scénarios et exemples de fourniture de services mobiles dans les réseaux 5G

Si vous remarquez, certains des indicateurs précédemment répertoriés, tels que, par exemple, le taux de transfert de données de pointe et l'autonomie, sont tout simplement incompatibles et même mutuellement exclusifs. Mais tous ces indicateurs à la fois ne doivent pas être exécutés par un seul appareil à la fois ou, en principe, être pris en charge par l'ensemble de la liste. L'idée est de distinguer différents types de scénarios pour la fourniture de services mobiles, en fonction du degré d'importance (élevé, moyen, faible) d'un indicateur particulier. Dans le concept de découpage réseau, l'architecture physique 5G sera divisée en plusieurs réseaux ou couches virtuels, chacun étant conçu pour son propre cas d'utilisation. Chacun des scénarios satisfera l'un ou l'autre ensemble d'indicateurs précédemment indiqués et, par conséquent, vise son propre segment de marché.
La spécification ne définit que trois scénarios:

eMBB (enhanced Mobile Broadband), ;
URLLC (Ultra-Reliable Low Latency Communication), ;
mMTC (Massive Machine-Type Communications), .

NB-IoT eMTC mMTC

mMTC est un scénario d'interaction entre machines, lorsque l'implication humaine est minimale et que tous les processus sont automatisés. Les dispositifs MMTC comprennent: les compteurs d'eau, de gaz et d'électricité; contrôleurs d'éclairage public; capteurs d'espace de stationnement; Signets GPS / GLONASS; divers capteurs de fumée / incendie; capteurs de piratage; Poubelles «intelligentes» et autres appareils IoT. Comme vous pouvez le voir, les latences à haute vitesse et ultra-faibles ne sont pas importantes ici, mais l'autonomie et un grand nombre de connexions réseau sont très importantes. C'est ce qu'on appelle Appareils LPWA (Low Power Wide Area) - des appareils de masse, simples et bon marché avec une consommation ultra-faible, capables de fonctionner sur une seule batterie jusqu'à 10 ans.

Les normes et spécifications pour les réseaux LPWA ont été établies dans les versions 13 (Cat.NB1 et Cat.M1) et 14 (Cat.NB2 et Cat.M2) 3GPP et actuellement les réseaux NB-IoT (alias LTE Cat.NB1 / NB2) et eMTC (LTE Cat.M1 / M2) sont déjà en usage commercial. Les réseaux pour ces appareils se caractérisent par de faibles taux de transmission (jusqu'à 150 kbps en LTE Cat.NB2 et jusqu'à 1 Mbps en LTE Cat.M1), une couverture large et «profonde». Il convient de noter que le charme de NB-IoT et eMTC est que le déploiement de réseaux par les opérateurs mobiles ne nécessite pas d'énormes investissements et l'allocation de bandes de fréquences distinctes - ces réseaux LPWA peuvent fonctionner dans les bandes de fréquences existantes et sur les équipements de réseau existants, tandis qu'un élément de base la station peut desservir un territoire plus vaste par rapport aux réseaux 2G, 3G ou LTE existants.

Vous pouvez lire comment accéder aux réseaux NB-IoT à l'aide des modules cellulaires SIMCom Wireless Solutions dans nos articles.

5G pour URLLC et eMBB

Formellement, les réseaux NB-IoT et eMTC peuvent être attribués aux réseaux de la 5e génération, mais dans cet article, en parlant de 5G, nous parlerons de la technologie haute vitesse. Ainsi, les scénarios URRLC (seront inclus dans la version 16 du 3GPP) et eMBB (déjà définis dans la version 15 du 3GPP) sont dans le domaine de responsabilité 5G. Le script URRLC, de son nom, signifie des communications ultra-fiables avec une faible latence. Et l'eMBB est ultra large bande, ce qui signifie des communications à haute vitesse.

Il semblerait que la vitesse et le temps de retard dans les réseaux LTE existants satisfassent la plupart des utilisateurs modernes. Pourquoi un consommateur 5G et à quoi sert-il?

Regardons l'infogramme de la figure 4, il reflète l'étendue des services en fonction des besoins de bande passante et des retards. Dans la partie lumière, nous voyons des domaines d'application modernes qui sont devenus quotidiens pour nous - tels que: jeux en ligne, visualisation et téléchargement de vidéos, télémétrie à distance, surveillance d'objets, capteurs, etc. Toutes ces applications se contentent d'un canal jusqu'à 100 Mbit / s et des retards de plus de 10 ms.

Applications en fonction des besoins de bande passante et des retards dans le réseau mobile

Et maintenant, prêtons attention à la partie bleue de l'infogramme - c'est la zone qui s'ouvre avec la 5G. On peut voir que, dans l'ensemble, la 5G peut à la fois améliorer les applications existantes et en générer de nouvelles. Examinons séparément certaines des applications les plus intéressantes. Ils nous aideront à comprendre à quel point il est important pour nous de vraiment mettre en œuvre les réseaux 5G. Commençons par la chose simple - la vidéo en streaming.

Streaming vidéo

Les acteurs du marché prévoient de déplacer vers la droite une application aussi classique que le "streaming vidéo", vers une augmentation des vitesses de transfert de données sans exigences particulières en matière de retards. Le principal moteur de cela sera la nécessité d'une vidéo 8K de haute qualité.

Aujourd'hui, il existe des téléviseurs prenant en charge la vidéo 4K et certains fournisseurs fournissent un contenu vidéo de cette qualité. Mais un accès fiable à de tels contenus ne peut être obtenu que s'ils sont connectés à l'Internet par fibre optique, dont l'accès n'est pas disponible dans toutes les colonies. Avec l'avènement de la 5G 4K et même de la 8K, la vidéo deviendra la norme pour tous les résidents de la ville et de la banlieue, et dans le domaine de la production de films / photos, la qualité comme le détail seront encore plus pris en compte.

Exigences de bande passante réseau pour différents formats vidéo

La consommation de contenu vidéo sur un téléviseur à écran large définit les exigences de bande passante pour le téléchargement. Cependant, la 5G ouvre des vitesses plus élevées pour le déchargement. Cela ouvrira la porte à la mise en place de systèmes de vidéosurveillance urbaine avec reconnaissance faciale intelligente sur tous les continents. Dans de tels systèmes, toute la partie informatique à intelligence artificielle se trouve sur le réseau, il suffit aux caméras de surveillance de pouvoir transmettre au serveur des vidéos de la bonne résolution. Dans le monde, il existe des exemples de l'introduction de tels systèmes.

Le gouvernement de Shanghai (Chine) utilise un tel système depuis 2015. Plus de 170 millions de caméras vidéo «intelligentes» y sont connectées. Pour un exemple [2], ce système a permis de retrouver un criminel dans la 50 millième foule sur le chemin d'un concert d'un chanteur populaire. Il est venu au concert avec sa femme et, selon le détenu, il s'attendait à se perdre dans la foule.

En pratique, ces systèmes permettent non seulement à la ville de réaliser des économies sur les mesures de sécurité et de recherche opérationnelle, mais génèrent également un effet socio-économique positif - les citoyens et les touristes n'ont pas peur d'acheter des choses chères, de visiter les lieux publics à tout moment de la journée et les entreprises n'ont pas peur de la sécurité et la propriété des clients, c'est désormais une tâche urbaine.

Avec l'avènement de la 5G, ce système est devenu plus efficace et moins coûteux à déployer et à entretenir, et donc plus abordable.

Le travail d'un système de reconnaissance faciale intelligent en diffusant des vidéos à partir de caméras

Bureau Sky

Au début du déploiement commercial de la 5G, à l'exception des smartphones, il est prévu que l'ordinateur portable avec la connexion Sky Office sera le produit clé de la 5G. Sky Office est un concept de transfert de la puissance informatique d'un ordinateur portable vers le cloud lors de l'équipement d'un ordinateur portable avec un modem 5G intégré. Ainsi, dans le cloud peuvent être placés non seulement des fichiers utilisateur (Cloud Drive), mais également des logiciels, tels que MS Office 365 (Cloud Office) ou des logiciels de jeux (Cloud Games). Dans ce concept, un ordinateur portable devient, simplement, un écran avec un clavier et une caméra.

Concept de bureau Sky

Si les réseaux cellulaires fournissent un délai de quelques millisecondes et fournissent un canal de communication fiable dédié sur une base illimitée (Network Slice), alors travailler avec Sky Office à l'avenir peut devenir un moyen populaire d'utiliser un ordinateur portable. Dans le même temps, le consommateur recevra un certain nombre de qualités de consommation intéressantes inaccessibles avec les ordinateurs portables ordinaires:

faible consommation au niveau de la tablette avec une autonomie de batterie de 14 heures ou plus;
«Toujours prêt», l'ordinateur portable ne perd pas de temps à télécharger des logiciels, il fonctionne déjà - dans le cloud;
«Prêt partout», la perte d'un ordinateur portable ne signifie plus la perte de données et de licences;
corps mince et léger, la composition et la structure de l'ordinateur portable sont simplifiées, ce qui entraîne une réduction de la taille et du poids;
refroidissement passif, l'ordinateur portable n'effectue plus de calcul intensif en énergie et est légèrement chauffé;
La communication est plus sûre que le Wi-Fi car La 5G est presque impossible à casser, le canal de communication est protégé par les derniers algorithmes de cryptage.

Bien sûr, la traduction du concept Sky Office en réalité nécessite la construction d'un écosystème complet avec la participation d'acteurs de plusieurs secteurs à la fois, tels que les fabricants de systèmes d'exploitation et de logiciels, les fabricants d'ordinateurs portables, les opérateurs mobiles, les fournisseurs de services cloud, les fabricants de chipsets, les fabricants d'eSIM et les modules 5G. Mais malgré la complexité de la mise en œuvre, dans un proche avenir, Sky Office devrait connaître une croissance rapide en Chine et dans de nombreux autres pays.

Réalité virtuelle et augmentée

L'industrie du divertissement a toujours été une locomotive dans le développement de l'électronique grand public. Les exigences de performances les plus élevées proviennent des consommateurs de consoles de jeux. Les technologies les plus avancées mais les moins répandues dans le monde du jeu sont la réalité virtuelle (VR) et la réalité augmentée (AR).

Les sociétés bien connues Sony et Microsoft proposent depuis plusieurs années des accessoires VR et des jeux 3D associés.

VR de Sony PlayStation, source: www.playstation.com

VR de Microsoft, source: www.microsoft.com

Progressivement, la réalité virtuelle et la réalité augmentée dépasseront le cadre de l'industrie du jeu et s'étendront inévitablement à l'éducation, à la médecine, à l'industrie - il est difficile de surestimer le potentiel. Les figures 10 à 13 présentent quelques exemples d'utilisation de la RA à partir de supports de présentation Microsoft Hololens 2. La prochaine étape dans cette industrie sera la combinaison de l'AR et de la VR avec la 5G. Techniquement, cela est déjà possible grâce au nouveau chipset Qualcomm Snapdragon XR2, combinant un modem 5G et un processeur XR spécialisé (de VR + AR) avec un support d'intelligence artificielle qui répond aux expressions faciales du pilote.

Il est clair qu'avec la 5G, les jeux en ligne n'obtiendront que. Avec le transfert de la puissance de calcul vers le cloud (Cloud Gaming), les consoles de jeux deviendront moins occupées, cette vidéo deviendra plus fluide, plus détaillée et plus dynamique. Après avoir surmonté la barrière technologique avec la 5G, le marché des jeux AR / VR deviendra plus populaire. Beaucoup découvriront des voyages virtuels dans d'autres villes, des plongées au fond de l'océan et même des vols dans l'espace. C'est un fait bien connu que la perception d'une personne du monde dépend fortement de ce qu'elle voit, avec XR + 5G les horizons du profane moyen se développeront considérablement, changeront les approches de la société pour étudier le monde et les activités constructives dans tous les domaines.

Les étudiants étudient la structure des micro-organismes. Un

travailleur médical analyse les résultats de l'IRM.

Un ingénieur effectue le réglage de l'équipement

Ouvrier d'usine assemblant le moteur

Poursuivant le thème de la XR et de l'intelligence artificielle, je dois dire séparément sur la direction dérivée, comme l'Internet tactile. Internet tactile (ci-après dénommé TI) - le transfert de sensations tactiles, touche à n'importe quelle distance avec un retard minimum, presque imperceptible. Le nom de la technologie a été proposé à l'Université technique de Dresde, où les travaux ont commencé en 2012 pour créer des systèmes robotiques capables de transmettre des sensations à distance.

Les scientifiques travaillent maintenant sur la création d'un toucher artificiel en introduisant des capteurs dans les structures robotiques douces et les capteurs tactiles les plus sensibles. Désormais, les capteurs sont déjà capables de reproduire la force et la nature du toucher, de distinguer les différents matériaux: métal, bois, textiles, etc.

TI propose que les réseaux 5G soient capables de:

retards inférieurs à 1 ms;
fiabilité - pour effectuer des tâches critiques (par exemple, une opération à distance), des pertes de réseau, une panne d'équipement, etc.
taux de transfert de données élevé - plus de 10 Gb / s;
haute densité de réseau - prise en charge de la connexion de plus de 100 appareils par 1 km2.

Pour reproduire les sensations, il est supposé qu'il existe des appareils en contact avec le destinataire, par exemple des vêtements (t-shirts, pulls, pantalons), des accessoires (gants), des chaussures, des chapeaux, des exosquelettes ou des appareils spéciaux, qui sont des écrans tactiles avec de minuscules lecteurs, qui déplacent les éléments mobiles (aiguilles, épingles).

Avec l'aide de TI, on peut apprendre à dessiner, à jouer des instruments de musique, à effectuer des opérations chirurgicales à distance, c'est-à-dire tout ce qui nécessite les compétences de la motricité fine. Dans le commerce électronique, vous pouvez appliquer cette technologie pour toucher ou essayer un produit avant de l'acheter. Les objets exposés au musée peuvent être touchés et même ressentis dans la main le poids d'objets anciens. Les tireurs multijoueurs en ligne avec XR + TI deviendront plus réalistes, vous pourrez ressentir la douleur, les secousses, les bosses, la chaleur et le froid.

Les premiers exemples pratiques d'utilisation de l'IT en chirurgie existent déjà aujourd'hui. Aux États-Unis, des tests sont en cours pour introduire le soi-disant "Téléchirurgie" lorsque le chirurgien effectue une opération chirurgicale à distance via un réseau 5G. La téléchirurgie est très différente de la télémédecine classique - il ne s'agit pas de la simple diffusion vidéo en mode conférence, mais de la "présence" du chirurgien pendant l'opération. Ses mouvements, sa précision, ses compétences personnelles, sa réaction instantanée aux événements - tout sera transmis à travers les réseaux 5G sans présence physique et sans compromettre la qualité de l'opération. Ainsi, les services de spécialistes rares deviendront plus abordables et les patients pourront choisir un chirurgien, quel que soit le pays de résidence.

UAV (drones)

La téléchirurgie impose des exigences élevées en matière de latence et de fiabilité des communications, mais il existe un autre domaine qui nécessite une énorme quantité de connectivité - les UAV (véhicules aériens sans pilote ou «drones»). Aujourd'hui, vous ne surprendrez personne avec des drones légers sans pilote à diverses fins - du divertissement aux drones militaires spécialisés. Avec leur aide, ils tournent des vidéos spectaculaires, effectuent des reconnaissances de la zone, sauvent des personnes, transportent des marchandises, etc. Mais presque tous sont contrôlés directement par une personne qui a un contact fiable sans fil direct à une fréquence non autorisée.

En ce qui concerne la mise en œuvre de la 5G, dans les pays progressistes, les autorités de régulation ont déjà accordé une grande attention à ce sujet aujourd'hui, dans le cadre de la normalisation et de la sécurité dans ce domaine. Par exemple, en Europe, il existe un groupe spécial d'experts 5G PPP (5G Infrastructure Public Private Partnership, www.5g-ppp.eu/5gdrones) sur la base de la Commission européenne et de représentants de l'industrie des technologies de l'information et des communications (opérateurs, fournisseurs, institutions, petites et moyennes entreprises) de Grande-Bretagne, de France, de Suisse, d'Autriche, de Finlande, de Grèce, de Pologne et d'Estonie. Le partenariat public-privé 5G PPP offrira des solutions, des architectures, des technologies et des normes pour les drones. Grâce à cette initiative étatique, l'Union européenne voit l'un des moyens de renforcer son leadership technologique sur la scène mondiale.

Avec les normes régissant le chiffre d'affaires de masse des drones, les systèmes d'intelligence artificielle, un canal de communication sans fil 5G fiable, constant et rapide pour toute une ruche de drones, de nouveaux marchés et services peuvent être ouverts dans une variété de domaines. Imaginez: des courriers drones livrant de la nourriture dans les magasins ou des médicaments importants à des endroits difficiles d'accès; drones de sauvetage à la recherche de personnes perdues dans une forêt ou une mer jour et nuit; drones d'incendie, extinction des incendies au stade initial; les agrocopters pulvérisent les cultures - et tout cela à l'échelle mondiale, et pas dans des cas particuliers.

La poste suisse drone La poste suisse de Matternet

Transport de personnes vers des endroits difficiles d'accès sur un drone cargo

Agrocopter s'occupe du traitement des terres agricoles

Le drone d'incendie Predator-100 (Chine) lance un

drone de sauvetage et de recherche d' incendie de l'organisation suisse de sauvetage aérien Rega, à la recherche indépendante de personnes Le

drone DJI Matrice 600 Pro livre les reins d'une personne décédée (États-Unis)

Infrastructure C-V2X

Nous allons passer des drones aux véhicules sans pilote. Beaucoup ont vu la présentation vidéo de Tesla (www.tesla.com), où un véhicule électrique conduit par l'intelligence artificielle se déplace dans la ville avec une implication minimale du conducteur. Ou un autre exemple - le service Waymo (www.waymo.com), qui vous permet d'appeler un taxi en utilisant l'application mobile et de vous rendre au point sélectionné sans chauffeur.

Pilote automatique Tesla travaillant en mouvement avec un conducteur au volant

Waymo travaillant en mouvement sans conducteur au volant

Les deux services sont construits sur des principes de fonctionnement différents, sous le contrôle d'une puissante intelligence artificielle intégrée à la voiture. Auto prend une décision situationnelle basée sur les informations visuelles et les données du lidar (Waymo). Une voiture «intelligente» est entourée de voitures «non intelligentes» et imprévisibles qui sont sous contrôle humain.

Il existe une approche d'infrastructure pour la conduite sans pilote, consacrée dans la 14e version du 3GPP - C-V2X. L'abréviation C-V2X signifie Cellular Vehicle-to-Everything, c'est le concept de transmission d'informations d'un véhicule à tout objet qui peut affecter le véhicule, et vice versa. Cette approche permet au véhicule de «communiquer» avec les autres voitures (V2V), les infrastructures (V2I), le réseau LTE (V2N), le réseau électrique (V2G), les piétons (V2P) et même les maisons (V2H). La 15e version de 3GPP a également introduit la possibilité de communiquer avec la voiture et le réseau 5G, ce qui a rendu le C-V2X plus attrayant grâce au service URLLC.

Ainsi, les véhicules connectés au système C-V2X pourront «voir» l'ensemble de la situation routière, «connaître» la position relative, les obstacles, les zones dangereuses et l'intelligence artificielle située sur le réseau ne formeront pas seulement une trajectoire distincte pour eux , et le fera en tenant compte de l'influence mutuelle sur le système de transport. De tels systèmes résoudront le problème de transport mieux et plus sûrement que tout conducteur, réduiront le temps de déplacement de chaque participant au mouvement, rendront le mouvement prévisible, sûr et économe en énergie.

PricewaterhouseCoopers (PwC), une société de conseil internationale, prévoit que les premières voitures sans chauffeur apparaîtront sur les routes publiques en 2021, et d'ici 2040, toutes les mégalopoles du monde seront sans pilote. Cependant, au début, un tel transport nécessitera l'attention du conducteur dans certaines situations en cours de route. Au cours de cette période, les problèmes juridiques liés aux véhicules sans pilote et électriques seront également abordés. En particulier, aspects juridiques et assurances. Un certain temps sera consacré à la création d'un réseau de bornes de recharge pour voitures électriques.

En Russie, ce service est déjà au stade de la recherche et du prototypage. En 2018, l'opérateur russe Megafon, en partenariat avec KAMAZ, a réalisé une simulation du service V2X dans la zone pilote basée sur le bus électrique sans pilote ShATL.

Modélisation du V2X dans la zone pilote sur le bus sans pilote ShATL à 12 places de KAMAZ (Kazan, 12 juin 2018)

Maintenant, énumérant de nombreux exemples, où la 5G sera plus utile que jamais, nous allons déterminer quel est l'état des réseaux 5G aujourd'hui et quels obstacles doivent être surmontés vers un avenir fantastique.

L'état des réseaux 5G dans le monde et en Russie

Cependant, le processus d'introduction des réseaux 5G dans l'exploitation commerciale a commencé en 2019, alors que la couverture de ces réseaux est très modeste. Début 2020, les réseaux 5G ont été mis en service par 47 opérateurs dans 22 pays du monde, et avec ceux qui prévoyaient de lancer ou de réaliser des tests, il y aura 279 opérateurs dans 109 pays.

Nombre de stations de base 5G-NR en usage commercial [3]

Réseaux commerciaux, planifiés et pilotes 5G

En ce qui concerne l'équipement d'abonné, il existe déjà de nombreux smartphones, routeurs et modèles CPE 5G en vente.

Modèles de smartphones 5G

Les premiers utilisateurs ont déjà apprécié une augmentation significative de la vitesse de transmission en mode 5G. Les résultats des tests Qualcomm (mai 2019) montrent une augmentation de 3,3 fois la vitesse de téléchargement des appareils 5G par rapport aux appareils LTE. À l'avenir, ce chiffre sera plus élevé en raison d'une couverture plus dense et de la transition du cœur EPC LTE à un réseau cœur 5G par paquets.

En Russie, les opérateurs des «Big Four» d'août à septembre 2019 ont déjà réalisé les premiers tests et le lancement de segments pilotes de réseaux 5G. Selon les résultats des tests à ce stade, les retards dans le réseau dans le trafic sont sortis à moins de 10 ms, et les vitesses ont atteint 2 Gbit / s pour le téléchargement. Les zones pilotes 5G se trouvent dans les rues de Moscou (Parc Zaryadye, Moscou, Vorobyovy Gory, VDNH, Skolkovo, GMS-Hospital, SK Luzhniki, station de métro Gorky), Kazan, Kronshtadt et dans les laboratoires des opérateurs mobiles.

(1.3 /) Huawei “Mate X” ()

5G ( NSA, LTE FDD 1800 FR1 mmWave n257)

Selon le programme de l'économie numérique russe, une couverture durable du réseau 5G devrait être fournie d'ici 2024 dans toutes les grandes villes de plus de 1 million d'habitants. Pour le moment, le modèle de développement des réseaux 5G russes n'est pas entièrement défini. Le problème, comme dans d'autres pays, est le choix des bandes de fréquences radio. Les opérateurs considèrent que la bande 3,4-3,8 GHz (n78 et n79) est la plus attrayante pour la 5G, mais elle est occupée par d'autres utilisateurs, principalement des services militaires et spéciaux, et nécessite un travail de libération. Plus de clarté avec les gammes de fréquences apparaîtra au 4ème trimestre 2020 après appel d'offres ouvert, auquel Roskomnadzor devrait distribuer des fréquences radio sous forme d'enchères.

Le chemin du LTE à la 5G

Comme cela a été dit, les réseaux 4G actuels ne résistent pas aux exigences posées par les nouveaux scénarios d'application. Outre la densité des connexions, la bande passante de la partie radio, etc., les retards dans les réseaux 4G sont assez importants. Les retards sont des retards dans la partie radio et dans la partie infrastructure et s'élèvent aujourd'hui à des dizaines de millisecondes. À long terme, pour les réseaux 5G à part entière, y compris la prise en charge de Network Slicing et URLLC, la nouvelle infrastructure réseau NGCN (Next Generation Converged Network) et la modernisation du réseau d'accès radio seront nécessaires. Il est clair qu'il est impossible de lancer un tel volume de travail à la fois.

Retards du réseau 4G

Le consortium 3GPP a d'abord pris en compte la complexité du déploiement de nouveaux réseaux et adopté les scénarios de transition de la configuration standard des réseaux LTE (# 1) vers la 5G. L'introduction de la 5G devrait être effectuée en premier sur l'infrastructure LTE EPC existante en mode NSA (non autonome, n ° 3), comme les opérateurs de téléphonie cellulaire l'ont fait tout au long de 2019. Dans cette configuration, les retards sur les composants radio seront réduits, mais compte tenu des limitations du cœur LTE de l'EPC, le taux de retard global sera loin des exigences d'URLLC. Le point principal d'une telle configuration est différent - dans la partie radio, nous obtiendrons une augmentation significative de la bande passante suffisante pour la plupart des applications eMBB existantes, ainsi que la stabilité de la connexion avec un grand nombre d'abonnés connectés à une station de base.

Scénarios pour la construction d'un réseau 5G de périodes initiale et intermédiaire

Modèle NSA initial ( # 3) vise à améliorer la qualité de l'Internet mobile à large bande pour augmenter la fiabilité et le volume des données transmises en utilisant la connexion en mode EN-DC (E-UTRAN New Radio - Dual Connectivity). Les terminaux utilisateur qui prennent en charge EN-DC peuvent se connecter simultanément aux stations de base LTE et 5G, tandis que la station de base LTE est ancrée (nécessite une mise à niveau vers ng-eNb ou eNB de nouvelle génération). Le terminal utilisateur (UE) est initialement enregistré dans le réseau via E-UTRAN à basses fréquences (<2 GHz) et commence à transmettre au réseau les résultats des mesures effectuées sur le réseau d'accès radio 5G-NR. Avec une "qualité de signal radio 5G" satisfaisante, la station de base LTE ng-eNb lance une demande à la station de base 5G gNB pour allouer des ressources de réseau à l'UE.Une fois la procédure terminée, l'UE se connecte simultanément aux stations de base LTE ng-eNB et 5G gNB. Bien sûr, la zone de couverture de la station de base 5G sera beaucoup plus étroite que LTE, comme le signal à ondes millimétriques à haute fréquence a un coefficient d'atténuation plus élevé.

Connexion de l'UE à LTE ng-eNB et 5G gNB en mode EN-DC

Ensuite, en utilisant les stations de base combinées LTE + 5G-NR, il est possible d'étendre la zone de couverture 5G en utilisant la technologie DSS (Dynamic Spectrum Sharing, Dynamic Spectrum Separation) lorsque la plage inférieure La fréquence E-UTRAN (<2 GHz) est partagée dynamiquement avec 5G-NR. Avant que les opérateurs introduisent le cœur 5G, les réseaux pourront fonctionner de cette façon.

Extension de la couverture 5G avec LTE basse fréquence (DSS)

À partir de l'étape 3 , lorsque les opérateurs mobiles intègrent le cœur 5G NGCN, ils peuvent passer en modes SA cible et final (options n ° 2 et n ° 5).) lorsqu'une technologie d'accès radio est utilisée - E-UTRAN ou 5G-NR. Voici la vue finale d'un réseau 5G capable de fournir des services URLLC.

La vue finale du réseau 5G

Pour répondre au besoin croissant d'eMBB, vous pouvez utiliser les fréquences moyennes (2 GHz-7 GHz), augmentant ainsi les vitesses de transfert de données, notamment en raison de l'agrégation de fréquences. Fréquence inférieure - plus de couverture, mais moins de largeur de canal. Cependant, il existe un moyen d'augmenter la couverture tout en maintenant un taux de décharge élevé en utilisant un canal de liaison montante en option (SUL, liaison montante supplémentaire). Comment ça fonctionne? La figure ci-dessous montre comment une ressource radio de milieu de gamme «appariée» (UL / DL) est attribuée à l'UE un canal de liaison montante non apparié (SUL) supplémentaire à partir des basses fréquences. Ensuite, dans une cellule, l'UE reçoit 1xDL (fréquences moyennes) et 2xUL (fréquences basses et moyennes) du canal, dont l'utilisation sera contrôlée par le réseau. Dans ce cas, à la limite de la cellule dans le canal DL, un signal de moyenne fréquence avec une puissance accrue de la gamme "appariée" est utilisé,et dans le canal UL - un signal basse fréquence dans la gamme SUL non appariée. En conséquence, la station de base «voit» l'UE à de plus longues distances, et la vitesse de téléchargement est maintenue comme utilisant des fréquences moyennes.

Extension de la zone de couverture des fréquences moyennes en raison du canal non apparié

Prévisions de couverture 5G et Last Mile

À partir des scénarios de déploiement des réseaux 5G et des bandes de fréquences appliquées, la logique de la distribution des bandes de fréquences pour différents scénarios suit, comme indiqué dans le tableau 3. Ce concept obéit à la technologie de découpage réseau définie par la spécification 3GPP; il permettra aux opérateurs mobiles de déployer des réseaux isolés les uns des autres, chacun d'eux pouvant être attribué à des besoins spécifiques (pour l'Internet des Objets, la diffusion de streaming vidéo, etc.).

*Scénarios d'application dans différentes gammes de fréquences 5G*
Fréquences	La largeur de la ligne	Scénarios	Caractéristique
au-dessus de 7 GHz (FR2)	800 MHz	eMBB	Ultra haute vitesse, faible couverture et uniquement dans les rues
2 GHz ... 7 GHz (FR1)	100 MHz	eMBB, URLLC, mMTC	, ,
< 2 (FR1)	20	eMBB, URLLC, mMTC	,

Compte tenu de la faisabilité de ces scénarios dans les mégalopoles, les petites villes et les villages, il est possible d'élaborer un schéma de couverture de réseau généralisé comme dans la figure 34. Comme vous le savez, dans le monde, les réseaux 3G ont été abandonnés ou des plans de déconnexion ont déjà été annoncés. Par conséquent, la figure 3G est représentée par une ligne en pointillés. Selon les plans des opérateurs européens, au lieu de la 3G lente, la LTE rapide (scénario # 5 ) arrivera dans les villages tout en économisant la 2G pour le trafic vocal. La couverture dans les banlieues sera caractérisée par des vitesses plus élevées et des retards plus faibles, et les mégalopoles, en outre, disposeront d'un grand nombre de connexions et d'Internet ultra-rapide dans les endroits où la gamme de fréquences de FR2 est couverte. Comme vous pouvez le constater, dans les années à venir, les réseaux 5G ne remplaceront pas les réseaux 4G, mais s'intégreront progressivement aux réseaux 4G, améliorant considérablement la situation globale.

Un schéma de couverture généralisé avec les réseaux 2G, LTE et 5G jusqu'en 2025.

Il convient de noter séparément qu'une telle répartition des réseaux entraînera une forte croissance du marché FWA (Fixed Wireless Access, voir ci-dessous). Les fabricants de CPE (équipement des locaux du client, équipement de télécommunication mural ou interne situé dans les locaux de l'abonné) pourront fournir un accès Internet haut débit aux résidents des territoires où la couverture 5G fiable et à haut débit n'a pas `` atteint '' pour une raison quelconque.

Habituellement, les fournisseurs d'Internet câblé et à fibre optique se rendent dans ces endroits. Mais la 5G FWA constituera une menace sérieuse pour ce secteur des entreprises. En effet, avec la 5G chez FWA, la qualité de l'Internet haut débit ne sera pas inférieure à Internet fibre optique, et le coût de la connexion sera totalement hors compétition, puisque l'élimination de la fibre / câble, les travaux d'installation et de configuration pour chaque abonné séparément sont exclus. L'installation d'un CPE est aussi simple que l'installation d'un routeur Wi-Fi et ne nécessite presque aucune maintenance.

Connexions FWA et filaire / fibre optique au dernier kilomètre

CPE intérieur (CPE intérieur) et au mur (CPE extérieur)

Peut-être qu'en conséquence, le marché de l'Internet fibre / filaire sera fortement transformé, trouvera son application spécifique, mais ne sera jamais aussi répandu qu'aujourd'hui. En revanche, selon les prévisions des experts de SNS Telecom (www.snstelecom.com), d'ici 2030, 345 millions d'abonnés seront connectés via la 5G via le service FWA, et plus de 90 millions d'unités seront vendues aux unités d'abonnés CPE. En Russie, ce service en raison de la longueur du territoire peut être très populaire même au stade initial du déploiement du réseau 5G.

Nombre de connexions FWA utilisant la 5G (Source: SNS Telecom)

Modules d'abonné 5G Solutions sans fil SIMCom

Comme dit précédemment, les smartphones et tablettes 5G sont déjà en vente. SIMCom Wireless Solutions (www.simcom.com), spécialisée dans le développement et la production de modules de communication cellulaire pour le marché M2M depuis 2002, a annoncé son intention d'élargir la gamme de produits avec des modules 5G en 2019. Aujourd'hui, le portefeuille de modules est reconstitué avec 4 modèles: SIM8200G, SIM8200EA-M2, SIM8300NA (tandis que la version pour l'Amérique du Nord) et SIM8300G-M2.

La gamme 5G de modules SIMCom Wireless Solutions sub6G («a» et «b») et sub6G + mmWave («c» et «d»)

Les quatre modules sont construits sur la plate-forme SoC Snapdragon X55 (ou SDX55) de Qualcomm, fabriquée à l'aide de la technologie 7 nm. Les modules sont conformes à la 15e version de la spécification 3GPP. Le repli est pris en charge sur LTE-FDD / LTE-TDD / 3G, le mode EN-DC, le MIMO massif et un ensemble global de plages de fréquences (voir tableau ci-dessous). L'équipement d'abonné basé sur des modules melon pourra fonctionner à la fois dans les réseaux de transition 5G en mode NSA et dans les réseaux 5G finaux en mode SA, c'est-à-dire partout où il y a une couverture E-UTRAN ou 5G-NR. Les modules de la 82e série prennent en charge le fonctionnement dans la plage sub6G, tandis que la 83e série prend également en charge la plage millimétrique (mmWave). Les modules sont exécutés sous deux formes - dans le boîtier de soudure LGA et sous la forme d'une carte M2. Le premier est intéressant,lorsque le module nécessite un ensemble complet d'interfaces et / ou qu'une méthode d'installation mécanique est contre-indiquée dans les conditions de fonctionnement du produit final. Les cartes M2 ont une taille et des interfaces standard (PCIe 3.0, USB 3.1, USIM ...), ce qui permet de fournir une communication cellulaire en option dans le produit. Dans certains cas, une carte LTE peut même être remplacée par une carte 5G.

*5G SIMCom Wireless Solutions*
		SIM8200G	SIM8200EA-M2	SIM8300G-M2
3GPP		Rel.15
NSA/SA		+
	mmWave			7 / (), 3 / ()
	sub-6G	4 / (), 450 /	4 / (), 300 /	4 / (), 600 / ()
	LTE	2 / (), 150 / ()	2.4 / (), 200 / ()
	HSPA+	42 / (), 5.76 / ()
	5G NR mmWave	-	-	n257/n258/n260/n261
	5G NR Sub6G	n1/n2/n3/n5/n7/n8/n12/n20/n25/n28/n40/n41/n66/n71/n77/n78 (n79 SIM8200G SIM8300G-M2)
	LTE-FDD	B1/B2/B3/B4/B5/B7/B8/B12/B13/B14/B17/B18/B19/B20/B25/B26/B28/B29/B30/B32/B66/B71
	LTE-TDD	B34/B38/B39/B40/B41/B42/B43/B48 (B46 SIM8300G-M2)
	WCDMA	B1/B2/B3/B4/B5/B8
GNSS		, GPS, Beidou, Galileo, QZSS
		USB2.0, USB3.1, UART, PCIe Gen3.0, USIM, I2S/PCM, I2C, xGPIO, SPI, ADC, RGMII, SDIO3.0, PMI, WiFi	USB2.0, USB3.1, PCIe Gen3.0, 2xUIM, I2S/PCM, I2C, xGPIO	USB2.0, USB3.1, PCIe Gen3.0,USIM, I2S/PCM, I2C, xGPIO
		8	6	14
		NDIS/RNDIS/PPP/TCP/IPv4/IPv6/Multi-PDP/FTPS/HTTPS/DNS/SSL/TLS
		VoNR, VoLTE, CSFB
		USB FOTA
		41.0 43.6	30.0 52.0	30.0 52.0
		3.3…4.3
		-30…+85 C

À l'heure actuelle, il existe déjà plusieurs exemples de projets basés sur des modules 5G, tels que CPE, routeurs, un avion de drone et des modems USB, etc. Selon l'expérience de l'entreprise, je dois dire que le développeur doit avoir une grande compétence dans le domaine de la conception d'équipements haute fréquence de cette classe, en particulier dans le cas des modules de la 83e série, car ils nécessitent la connexion de 2 à 4 modules d'antenne externes QTM525-2 ou QTM527-2 pour un fonctionnement dans la plage millimétrique (mmWave), qui doivent satisfaire certaines conditions de positionnement relatif.

Dongle 5G-USB UM80 basé sur des modules d'antenne SIM8200EA-M2

de la gamme millimétrique QTM525-2 (a) et QTM527-2 (b)

Les modules d'antenne à l'intérieur du boîtier combinent une structure d'antenne en couches, une alimentation, des filtres, des amplificateurs et un circuit de conversion de fréquence. Le module d'antenne est connecté au module 5G via un câble flexible et une paire de câbles RF (lignes bleues dans la figure ci-dessous), à travers lesquels les signaux de polarisation verticale et horizontale (IF-V et IF-H) se propagent. Pour faire fonctionner les modules d'antenne, deux alimentations sont nécessaires, l'une est directement alimentée par le module (1,9 V, la ligne jaune sur la figure ci-dessous) et l'autre par une source externe (3,3 V, la ligne rouge sur la figure ci-dessous). Dans ce cas, le module contrôle l'allumage et l'extinction des modules d'antenne avec un signal numérique séparé.

Connectez 4 antennes sub6G et 4 antennes modulaires au module 5G sur la carte d'appareil

Pour tester les modules 5G, les développeurs sont fournis avec des kits de débogage, avec lesquels vous pouvez initialement évaluer le travail dans les plages sub6G et mmWave sans beaucoup de temps.

En Russie, les modules 5G ont été présentés pour la première fois en janvier 2020 lors de la conférence spécialisée «5G: de la technologie à la mise en œuvre» à l'Université des télécommunications d'État de Saint-Pétersbourg. prof. M. Bonch-Bruevich. Dans le cadre de la conférence, les acteurs du marché intéressés, tels que: Qualcomm, Huawei, Megafon, SIMCom Wireless Solutions et autres, ont discuté de l'état actuel des réseaux 5G en Russie et dans le monde, des solutions techniques, des problèmes de mise en œuvre et de nombreux autres problèmes, y compris le spectre de fréquences pour les réseaux cinquième génération. Les gammes de fréquences du réseau 5G en Russie n'ont pas encore été entièrement déterminées; les opérateurs mobiles doivent encore effectuer de nombreux tests, y compris des modules de communication cellulaire de divers fabricants, pour déterminer le choix des bandes dans certaines régions. Cependant, dans les modules 5G présentés, la liste des bandes prises en charge est longue,ce qui signifie que presque toutes les combinaisons de plages sélectionnées par les opérateurs, les modules seront pris en charge.

Comme conclusion

Il est trop tôt pour dire que les réseaux 5G ont acquis leur apparence finale et mature. Nous devons attendre la 16e version qui, selon l’intention du consortium, clôturera la 2e phase des spécifications et déterminera le début de la mise en œuvre en masse des réseaux centraux de 5e génération. Cependant, cela ne nous empêche pas de commencer aujourd'hui des travaux sur l'étude des nouvelles technologies, qui jetteront les bases de futurs projets, car les réseaux d'accès radio 5G-NR sont déjà accessibles au public, quoique sous une forme limitée. Il faut comprendre que les réseaux 5G deviendront tôt ou tard notre routine quotidienne et que la transition du mode NSA à SA sera fluide et discrète, et les résultats obtenus aujourd'hui ne seront pas perdus.

Les matériaux utilisés

Batuev B.B. SIM7000E / SIM7000E-N: Application des modes PSM et eDRX à économie d'énergie sur les réseaux NB-IoT. Technologie sans fil. 2017. No2.
www.youtube.com/channel/UCWAK-dRtTEjnQnD96L6UMsQ - vidéo de la chaîne Youtube RosBusinessConsulting.
www.speedtest.net/ookla-5g-map - service Ookla.

Pourquoi et comment la 5G changera tout: technologie, mise en œuvre progressive et base d'éléments pour l'équipement d'abonné