Le réseau Sub-6 GHz est entièrement déployé, pourquoi la Chine développe-t-elle encore la 5G à ondes millimétriques ?

Les bandes de fréquences des réseaux 5G mondiaux se divisent principalement en deux catégories : les ondes sub-6 GHz et les ondes millimétriques (mmWave). Ces deux types de réseaux ne sont pas antagonistes, mais complémentaires : il est possible de les utiliser simultanément. Le choix de la voie technique à privilégier dépend avant tout du contexte national. En Chine, une fois le déploiement du réseau 5G sub-6 GHz achevé, la construction des réseaux 5G à ondes millimétriques est également devenue une priorité.

En mars 2020, le ministère de l'Industrie et des Technologies de l'information a publié l'« Avis relatif à la promotion du développement accéléré de la 5G ». Cet avis précisait que « le plan d'utilisation des fréquences pour certaines bandes d'ondes millimétriques 5G sera publié en temps opportun et que des tests d'équipements et de performances seront organisés en vue de la commercialisation de la technologie 5G à ondes millimétriques ». Le 30 avril 2021, le ministère a publié le « Projet de plan d'action pour le déploiement de la 5G (2021-2023) » (ci-après dénommé le « Projet ») pour consultation publique. Ce Projet prévoit que d'ici 2023, le taux de pénétration de la 5G pour les particuliers en Chine dépassera 40 % et que le nombre d'utilisateurs dépassera 560 millions. Il propose également que « le plan d'attribution des fréquences 5G à ondes millimétriques sera publié en temps opportun et qu'un système d'appel d'offres pour les licences de fréquences 5G à ondes millimétriques sera mis en place ». Cela signifie également qu'après le déploiement complet du réseau 5G Sub-6 GHz en Chine, la construction du réseau 5G à ondes millimétriques est sur le point de commencer. Par ailleurs, Tian Yulong, ingénieur en chef du ministère de l'Industrie et des Technologies de l'information, a souligné lors d'une conférence de presse du Bureau d'information du Conseil des affaires d'État en mars, évoquant la promotion d'un développement de haute qualité du secteur des technologies de l'information et de la communication, que « la construction du réseau 5G sera menée de manière méthodique et le déploiement de la 6G sera accéléré ».

Les ondes millimétriques 5G et les bandes de fréquences inférieures à 6 GHz sont complémentaires.

Les ondes millimétriques désignent les ondes électromagnétiques dont la longueur d'onde est comprise entre 1 et 10 mm et la fréquence entre 30 et 300 GHz. Dans le domaine des communications mobiles, les ondes électromagnétiques dont la fréquence se situe entre 24 et 100 GHz sont généralement appelées ondes millimétriques.

La Conférence mondiale des radiocommunications (CMR-19) de 2019 de l'Union internationale des télécommunications (UIT) a déterminé que les bandes de fréquences millimétriques comprises entre 24 GHz et 86 GHz seraient utilisées pour les communications mobiles internationales (CMI). Parmi celles-ci, les bandes de fréquences 24.25-27.5 GHz, 37-43.5 GHz et 66-71 GHz constituent les bandes de fréquences CMI intégrées à l'échelle mondiale.

Comparée à la 5G Sub-6 GHz (bande de fréquences inférieure à 6 GHz), la 5G en ondes millimétriques offre une très large bande passante, de 24 GHz à 100 GHz, ce qui lui confère des avantages uniques tels qu'une vitesse accrue, une latence réduite et une configuration d'interface radio flexible et adaptable. Elle répond ainsi efficacement aux besoins futurs des communications sans fil en termes de capacité système, de débit de transmission et d'applications diversifiées.

Par exemple, en termes de débit de transmission, la dernière analyse d'Ookla, basée sur une grande quantité de données mesurées par son application Speedtest, montre que la bande de fréquence des ondes millimétriques 5G peut atteindre 16 fois celle de la bande de fréquence Sub-6 GHz.

Deuxièmement, la 5G utilise les sous-porteuses et les intervalles de temps pour transmettre les données. Les ondes millimétriques se caractérisent par une large bande passante, de grands intervalles entre les sous-porteuses et des intervalles de temps courts. De ce fait, le délai de transmission des ondes millimétriques 5G n'atteint que 25 % de celui de la bande de fréquences inférieure à 6 GHz. De même, grâce à leur bande passante plus large et à leurs débits de transmission plus élevés, les ondes millimétriques offrent une capacité accrue, permettant ainsi un accès plus étendu aux terminaux.

De plus, le débit descendant plus élevé des ondes millimétriques 5G permet un multiplexage spatial dense tout en réduisant les interférences, ce qui contribue à résoudre les problèmes de congestion liés à un grand nombre d'utilisateurs accédant simultanément à Internet dans une même zone. Cette technologie est particulièrement adaptée aux applications dans les environnements à forte densité de population tels que les gares, les aéroports et les stades.

Dans les domaines d'application industriels connexes, tels que la diffusion vidéo en direct en ultra haute définition, la surveillance de sécurité, la télémédecine et certaines applications industrielles, où les exigences en matière de vitesse de téléchargement et de faible latence sont élevées, les caractéristiques de liaison montante importante et de faible latence de la technologie 5G à ondes millimétriques peuvent mieux répondre à ces besoins.

Il convient de souligner que le réseau 5G à ondes millimétriques peut assurer son propre raccordement sans passer par une connexion entre le réseau de fibre optique et le réseau central. Les réseaux 5G basés sur la bande Sub-6 GHz nécessitent encore des solutions de raccordement par fibre optique traditionnelles : chaque station de base 5G doit être connectée au réseau central par fibre optique, ce qui augmente les coûts de déploiement. La technologie IAB (Integrated Access and Backhaul) pour ondes millimétriques permet aux stations de base 5G à ondes millimétriques d'utiliser d'autres stations de base 5G à ondes millimétriques comme relais et d'assurer le raccordement au réseau central par transmission sans fil grâce à des fonctions multi-sauts, ce qui réduit considérablement les coûts de déploiement. Cette technologie permet également un déploiement plus dense et plus économique des stations de base 5G à ondes millimétriques.

En outre, la technologie des ondes millimétriques peut également être utilisée dans la communication véhicule-à-tout 5G (V2X) pour fournir des services de positionnement qui dépassent de loin la précision du GPS et de la LTE (la précision peut atteindre un niveau inférieur au mètre).

Ma Hongbing, directeur général du département de l'innovation technologique de China Unicom, a déclaré : « En combinant les ondes millimétriques 5G avec les technologies MEC et d'IA, les ondes millimétriques peuvent fournir des services de réseau privé personnalisés aux clients cibles et peuvent être largement utilisées dans des scénarios tels que les usines intelligentes, les parcs intelligents et les terminaux intelligents. »

Bien que les ondes millimétriques présentent des avantages en termes de vitesse et de latence par rapport à la bande de fréquences inférieure à 6 GHz, elles ont aussi des limitations. Par exemple, les signaux s'atténuent facilement, leur pénétration est faible et elles sont facilement bloquées. Bien que des technologies comme la formation de faisceaux et le suivi de faisceau permettent actuellement de résoudre ces problèmes, la bande de fréquences inférieure à 6 GHz reste plus avantageuse en termes de couverture et de coût de déploiement.

En définitive, le déploiement des réseaux 5G à ondes millimétriques et des réseaux Sub-6 GHz n'est ni concurrent ni substituable, mais complémentaire. Les réseaux Sub-6 GHz permettent une large couverture 5G, tandis que les systèmes à ondes millimétriques assurent la couverture des espaces intérieurs (événements sportifs, concerts, grands congrès), des nœuds de transport (stations de métro, gares TGV) et des zones de bureaux, ainsi que la couverture des points d'accès Wi-Fi extérieurs, l'accès haut débit sans fil, etc. Le déploiement coordonné des ondes millimétriques et des réseaux Sub-6 GHz permet une combinaison optimale de capacité et de couverture étendue.

Les préparatifs préliminaires au déploiement de la 5G en ondes millimétriques en Chine ont déjà commencé et progressent sans problème.

Si le réseau Sub-6 GHz résout le problème de la couverture 5G, alors le réseau 5G à ondes millimétriques pourra maximiser les avantages de la 5G, générant ainsi une plus grande valeur ajoutée.

Meng Pu, président de Qualcomm Chine, a également déclaré : « Pour atteindre les objectifs initiaux de la 5G, il est nécessaire d’exploiter toutes les ressources spectrales. Les bandes de fréquences moyennes et basses inférieures à 6 GHz permettent d’obtenir un équilibre entre couverture, capacité et performances, tandis que les ondes millimétriques hautes fréquences supérieures à 24 GHz peuvent prendre en charge les performances et la capacité optimales de la 5G, offrant ainsi une expérience de connexion sans fil de nouvelle génération à de nombreux secteurs et applications, ainsi que des communications mobiles ultra-fiables et à faible latence à des domaines verticaux tels que l’Internet industriel. »

D'après le « Livre blanc sur la technologie des ondes millimétriques 5G » publié par la GSMA en septembre dernier, on prévoit que les ondes millimétriques 5G contribueront à hauteur de 565 milliards de dollars au PIB mondial d'ici 2035. Parmi celles-ci, les retombées économiques directes liées à l'utilisation des bandes de fréquences des ondes millimétriques 5G en Chine atteindront environ 104 milliards de dollars avant 2034.

Actuellement, les États-Unis, le Japon, l'Europe et l'Asie du Sud-Est ont tous lancé des déploiements de la 5G à ondes millimétriques. Selon les données publiées par la GSA en mars dernier, plus de 150 opérateurs dans le monde investissent actuellement dans cette technologie.

Conformément au plan d'essais de la 5G à ondes millimétriques du Groupe de promotion de la 5G (IMT-2020) de Chine, des tests ont débuté en 2019 afin de vérifier les technologies clés et les caractéristiques du système. À partir de 2020, les fonctionnalités, les performances et l'interopérabilité des stations de base et des terminaux à ondes millimétriques seront vérifiées plus en détail, et des tests de mise en réseau collaborative haute et basse fréquence seront effectués. Parallèlement, le Groupe de promotion de la 5G (IMT-2020) de Chine a également mené des tests en conditions réelles.

En octobre 2019, sous l'égide du groupe de promotion IMT-2020 (5G), ZTE et Qualcomm ont réalisé le premier test d'interopérabilité (IoDT) 5G sur smartphone en Chine. Deux mois après la clarification de la nouvelle méthode de test OTA MIMO sur ondes millimétriques dans la version 3GPP Rel-16, publiée début juillet 2020, Qualcomm a mené, fin septembre, toujours sous l'égide du groupe de promotion IMT-2020 (5G), le premier test de performance sur ondes millimétriques, basé sur la méthode de test OTA MIMO 3GPP Rel-16, au laboratoire MTNet de l'Académie des technologies de l'information et des communications. Qualcomm est ainsi devenu le premier fabricant de puces en Chine à participer et à réussir les dix tests de fréquence radio 5G sur ondes millimétriques à 26 GHz.

Alors que les tests en ondes millimétriques progressent de manière méthodique, les caractéristiques des puces sont constamment optimisées pour répondre aux besoins de déploiement de cette technologie en Chine. Le 19 mai 2021, Qualcomm a annoncé le lancement de fonctionnalités améliorées pour le Snapdragon X65, premier modem 5G 10 Gbit/s et système radiofréquence au monde, commercialisé en février : ce dernier prend en charge une bande passante de 200 MHz et le mode SA en ondes millimétriques, répondant ainsi aux exigences essentielles du déploiement du réseau chinois.

Compte tenu des applications industrielles prometteuses des ondes millimétriques, les fabricants en amont et en aval du secteur chinois des ondes millimétriques redoublent d'efforts. Le 21 mai 2021, sous l'égide technique du Groupe de promotion IMT-2020 (5G) et de China Unicom, ZTE, Qualcomm et TVU Networks ont réalisé avec succès, en laboratoire, la première démonstration mondiale d'un service de liaison vidéo 8K en ondes millimétriques 5G, basé sur une structure de trame montante à grande échelle dans la bande de fréquences 26 GHz (n258).

Dans cette démonstration, ZTE a fourni une station de base 5G à ondes millimétriques. Le routeur d'agrégation multi-réseaux 5G de TVU Networks a assuré une connexion 5G à ondes millimétriques via un terminal de test de type CPE équipé d'un modem et d'un système RF Qualcomm Snapdragon X55 5G, ainsi que d'un module d'antenne à ondes millimétriques Qualcomm QTM527. Le flux vidéo 8K, acquis en temps réel, a été transmis de manière stable via la liaison montante 5G à ondes millimétriques et a finalement été reçu avec succès pour lecture.

Conformément au plan de test des ondes millimétriques 5G du groupe de promotion IMT-2020 (5G), la structure de trame à grande bande passante pour la liaison montante des ondes millimétriques sera déployée en 2021 afin de prendre en charge différents scénarios d'application. Le transport en temps réel de la vidéo ultra haute définition, notamment la vidéo 8K, impose des exigences très élevées en matière de bande passante montante du réseau mobile. La structure de trame DSUUU utilisée lors de cette démonstration triple le débit de pointe de la liaison montante de la technologie des ondes millimétriques existante en allouant davantage de créneaux temporels à la liaison montante. Cette démonstration a permis de vérifier les capacités exceptionnelles de la liaison montante des ondes millimétriques 5G, ce qui est crucial pour répondre aux besoins importants en bande passante montante de nombreuses applications industrielles 5G à venir.

Il convient de mentionner que lors du MWC Shanghai 2021, l'espace d'exposition dédié à la 5G à ondes millimétriques, organisé par China Unicom et la GSMA avec le soutien de Qualcomm, a présenté un panorama complet des applications et terminaux 5G à ondes millimétriques, développés par 39 entreprises leaders du secteur. Parmi les terminaux 5G à ondes millimétriques exposés figuraient des modules, des téléphones mobiles, des CPE, des PC, des équipements de réalité augmentée (RA) et de réalité étendue (RX), des boîtiers de diffusion en direct, des robots et bien d'autres produits.

Les divers scénarios d'application pris en charge par la technologie 5G à ondes millimétriques présentés ici incluent : l'expérience de compétition des athlètes, une station de ski intelligente en réalité mixte 5G, la transmission vidéo 8K, un service événementiel 5G à vue intégrale et la diffusion en direct d'événements en accès libre, une expérience panoramique 5G à ondes millimétriques, etc. La solution de diffusion en direct multivue 5G basée sur les ondes millimétriques capture directement le terrain extérieur du Centre international de ski de fond de Zhangjiakou. Des drones, des caméras frontales et des appareils photo professionnels communiquent avec la station de base via des réseaux sans fil, et les exploits des athlètes sur le Centre national de ski de fond sont retransmis en temps réel sous de multiples angles, permettant une diffusion en direct multi-angles du terrain et offrant une variété d'expériences visuelles aux spectateurs présents. China Unicom est actuellement le seul partenaire officiel de services de communication des Jeux olympiques d'hiver de Pékin 2022. La maturité des terminaux et applications liés aux ondes millimétriques 5G contribuera à fournir de meilleurs services 5G grâce à la technologie des ondes millimétriques lors des Jeux olympiques d'hiver de Pékin 2022.

La technologie 5G à ondes millimétriques continue d'évoluer et pourrait devenir un élément important de la 6G.

La technologie des ondes millimétriques est en constante évolution. Par exemple, la technologie d'accès et de liaison intégrée (IAB) mentionnée précédemment ; la technologie de positionnement à large bande permet un positionnement précis des terminaux ; la prise en charge étendue du spectre prend en charge les bandes de fréquences supérieures à 52.6 GHz et le spectre sans licence pour les opérations auxiliaires et indépendantes sous licence ; la gestion améliorée des faisceaux, grâce à l'optimisation complète des faisceaux et à la prise en charge des panneaux de faisceaux multi-antennes, améliore la latence, la robustesse et les performances ; l'optimisation de la double connexion réduit la latence d'accès initiale des terminaux et améliore la couverture lors de la connexion de plusieurs nœuds ; les fonctions d'économie d'énergie optimisent la consommation en maximisant la durée d'inactivité des terminaux pour un retour d'information plus rapide sur la liaison.

L'évolution continue des technologies 5G à ondes millimétriques offrira de nouvelles perspectives en termes de fonctionnalités, d'efficacité, de spectre et de déploiement. De plus, la technologie 5G à ondes millimétriques devrait devenir un élément essentiel de la prochaine génération de technologie 6G.

D'après le livre blanc sur la 6G intitulé « Expérience hyperconnectée de nouvelle génération », publié par Samsung l'an dernier, le débit maximal de la 6G atteindra 1 000 Gbit/s et la latence sera minimale (100 µs). Sa commercialisation pourrait débuter dès 2028, et un déploiement à grande échelle pourrait avoir lieu vers 2030. Ces indicateurs clés et ce calendrier sont globalement partagés par les autres fabricants d'équipements de communication.

Samsung a également proposé des technologies candidates pouvant être utilisées dans la norme 6G, telles que la bande de fréquence térahertz THz, une nouvelle technologie d'antenne pour améliorer la couverture du signal haute fréquence, une technologie duplex avancée, le développement de la topologie de réseau et le partage du spectre pour améliorer l'utilisation du réseau et renforcer l'application de l'IA.

Le livre blanc « 6G : Sans limites, avec l'IA » publié par UNISOC estime que les technologies de base de la 6G seront diversifiées et que les communications térahertz, les communications par lumière visible, la modulation et le décodage avancés, ainsi que la transmission collaborative satellite-sol pourraient devenir des technologies de base de la 6G.

Qualcomm a mis l'accent sur l'innovation des technologies connexes, telles que la conception basée sur les données IA/ML, le duplex intégral, les ondes millimétriques à haute fréquence, le positionnement amélioré, la bande térahertz, l'interface intelligente, le réseau vert, la détection par radiofréquence, la nouvelle topologie, le découplage extrême, la recherche de structure de réseau neuronal cloud, la communication ultra-sécurisée, le nouveau paradigme de partage, etc.

Il apparaît clairement que de nombreux fabricants considèrent la technologie de communication térahertz comme une technologie clé pour la 6G. La bande de fréquences térahertz désigne généralement la bande de fréquences allant de 300 GHz à 10 000 GHz, et les ondes électromagnétiques autour de 300 GHz peuvent être assimilées aux ondes millimétriques dans la bande de fréquences supérieures. Seule la maîtrise de la technologie de communication par ondes millimétriques permettra de réaliser des avancées majeures dans le domaine de la communication térahertz.

À la mi-2020, Yang Tao, vice-président de la division Opérateurs de Huawei en Chine, a également révélé publiquement que Huawei participait déjà à des travaux de recherche préliminaires sur la 6G. Ces recherches préliminaires portent principalement sur les bandes d'ondes millimétriques et se trouvent actuellement au stade de l'exploration de scénarios et de la recherche technologique.

Il convient de mentionner qu'à la fin de 2019, le laboratoire de technologie des équipements du groupe japonais NTT a développé une puce 6G ultra-rapide à base de semi-conducteur composé de phosphure d'indium (InP) et a mené des expériences de transmission sans fil à haut débit dans la bande de fréquence de 300 GHz. Avec une modulation 16QAM, cette puce peut atteindre un débit de transmission sans fil de 100 Gbit/s. L'utilisation combinée de technologies de multiplexage spatial telles que MIMO et OAM devrait permettre d'atteindre une capacité de transmission sans fil supérieure à 400 Gbit/s, ce qui est déjà proche du débit de pointe requis pour la 6G.

De plus, la 6G permettra de réaliser un réseau de communication intégré à haut débit dans les airs, le ciel, la terre et la mer, et la bande de fréquence des ondes millimétriques sera également le premier choix pour les liaisons inter-satellites, les liaisons utilisateur pour la couverture descendante des satellites et les liaisons d'alimentation des satellites vers les stations au sol.

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