Aperçu de la recherche et du développement mondiaux de la 6G

01Marché

La technologie des communications mobiles a désormais atteint la cinquième génération (5G). Au cours de son développement, les générations 2G et 3G ont permis d'établir des connexions mobiles de base, tandis que la 4G, la plus largement déployée, a révolutionné le débit de données grâce à la popularisation des terminaux intelligents et a transformé les modes de vie des utilisateurs. La 5G a suscité un vif intérêt avant même sa commercialisation à grande échelle. Son objectif est non seulement d'améliorer l'expérience des utilisateurs traditionnels, mais aussi d'intégrer les communications mobiles aux secteurs verticaux afin d'étendre considérablement le champ d'action de ce secteur. Bien que le déploiement de la 5G à l'échelle mondiale soit encore à ses débuts et que la collaboration avec les secteurs verticaux commence tout juste à progresser, à mesure que le déploiement et les services se perfectionneront, elle contribuera sans aucun doute à la prospérité du marché des communications mobiles et accélérera la numérisation de divers secteurs, voire de la société dans son ensemble.

Bien que les indicateurs et les capacités des systèmes 5G aient été considérablement améliorés et que les cas d'utilisation se soient de plus en plus diversifiés, des limitations subsistent. L'avenir s'annonce prometteur pour l'évolution continue des réseaux de communication mobile, portée par de puissants moteurs. D'une part, les technologies émergentes, telles que l'intelligence artificielle, la blockchain, le cloud computing et d'autres technologies de l'information et de la communication (TIC), ainsi que les nouveaux matériaux, antennes et procédés de fabrication, sont autant de facteurs qui la sous-tendent. D'autre part, l'évolution constante de la demande, conjuguée au développement de terminaux diversifiés et à la numérisation croissante de nombreux secteurs, a donné naissance à des services comme l'holographie, la réalité étendue immersive (XR), l'Internet tactile et les usines intelligentes. Ces services exigent non seulement une amélioration des performances traditionnelles (débit, latence, nombre de connexions et couverture), mais aussi de nouvelles exigences en matière de perception, de géolocalisation et de sécurité. C'est pourquoi la recherche sur la vision, les besoins et les technologies de la prochaine génération de communications mobiles est en plein essor. Compte tenu des transformations profondes et de la valeur économique ajoutée que la 5G apporte à la société, les pays et les chaînes de valeur du monde entier accordent une importance capitale à cette technologie. Non seulement les principaux organismes de normalisation, mais aussi le monde universitaire et même de nombreuses institutions et industries nationales concernées ont entamé des recherches préliminaires, dans le but de disposer d'un système technique mature au cours des 10 prochaines années, c'est-à-dire en 2030, afin de pouvoir disposer d'un système technologique mature capable de répondre aux nouveaux besoins des entreprises tout en améliorant sa propre compétitivité.

Cet article, centré sur la prochaine génération de communications mobiles, à savoir le système 6G, retrace l'historique de recherche et les progrès réalisés par les principales organisations mondiales de normalisation, les organisations régionales et nationales, ainsi que les institutions de recherche universitaires. Il analyse les orientations technologiques actuelles, tant du côté sans fil que du côté réseau, et les avantages techniques qu'elles apportent. Enfin, il résume les progrès de la 6G et propose des réflexions sur sa vision et son orientation de développement global.

02État d'avancement de la recherche mondiale sur la 6G

2.1 Organisations internationales et régionales

2.1.1 International Telecommunications Union (ITU)

Le Groupe d'étude sectoriel de normalisation des télécommunications 13 (UIT-T SG13) de l'Union internationale des télécommunications (UIT) est engagé dans la recherche sur les réseaux du futur et a créé le Groupe de travail sur le réseau NET-2030 en juillet 2018 afin d'explorer les besoins en services réseau pour 2030 et au-delà. Ce groupe de travail comprend trois sous-groupes : scénarios et exigences d'application, services et technologies réseau, et architecture et infrastructure. Il a publié deux livres blancs en 2019, axés sur les scénarios d'application et les nouvelles capacités de service du réseau de 2030. Il a proposé divers nouveaux scénarios, tels que l'Internet holographique et tactile, ainsi que les lacunes actuelles du réseau et les services qui nécessitent une attention particulière dans les réseaux futurs.

Par ailleurs, le Groupe de travail 5D du Secteur des radiocommunications de l'UIT-R (GTP5D) a lancé des travaux de recherche sur la 6G à l'horizon 2030 et au-delà lors d'une réunion tenue à Genève (Suisse) en février 2020. Cette réunion a permis d'établir un calendrier de recherche préliminaire sur la 6G, comprenant des rapports sur les tendances technologiques futures, des propositions de vision technologique et d'autres points de planification importants. L'UIT a alors entamé la rédaction du « Rapport sur les tendances technologiques futures », dont la publication est prévue pour juin 2022. Ce rapport décrit l'évolution technologique des systèmes IMT après la 5G, notamment les technologies d'évolution IMT, les technologies à haute efficacité spectrale et leur déploiement. De plus, il est prévu de lancer la « Proposition de vision technologique future » ​​au cours du premier semestre 2021 et de la finaliser d'ici juin 2023. Cette proposition définit les objectifs généraux du système IMT pour 2030 et au-delà, tels que les scénarios d'application et les principales capacités du système. À l'heure actuelle, l'UIT n'a pas encore déterminé le plan de développement de la norme 6G.

2.1.2 Institut des ingénieurs électriciens et électroniciens (IEEE)

L'IEEE a lancé ses recherches sur les futurs réseaux en août 2018, avec pour objectif de « réaliser la 5G et au-delà ». Le 25 mars 2019, le premier Sommet mondial sur la 6G, parrainé par l'IEEE, s'est tenu en Finlande. De nombreux représentants de l'industrie et du monde universitaire y ont présenté leurs dernières analyses et innovations en matière de 6G et ont débattu des défis théoriques et pratiques à relever pour concrétiser la vision de cette technologie. Les communications et rapports de la conférence ont couvert de nombreuses technologies, telles que les scénarios d'utilisation de la 6G, les ondes millimétriques et térahertz, les connexions intelligentes, l'intelligence artificielle en périphérie de réseau, les communications sans fil machine, etc. Le deuxième Sommet sur la 6G s'est également déroulé en ligne en 2020, avec des conférences plénières, des réunions techniques et des démonstrations présentées par des industriels, des opérateurs, des chercheurs et des parties prenantes. Le Sommet sur la 6G est un événement technologique mondial qui vise à définir la vision et les orientations de développement de la 6G grâce à la collaboration de différents secteurs.

2.1.3 Projet de partenariat de troisième génération (3GPP)

3GPP's current version under development, R17, is still an evolution and enhancement of 5G features, but demand group SA1 has started related projects for future services, including smart grids, tactile communications, etc., which is likely to make a smooth transition to the next generation of mobile communication systems. According to current progress and plans, 3GPP will most likely start work on 6G vision, technology, and requirements in R19 (2023), and start 6G standardization work in R21 or later stages.

2.1.4 Produit phare de la 6G

The 6G Flagship, sponsored by a Finnish consortium and led by Oulu University, was established in 2019 and is committed to providing standardized communication technology with "near-instant, unlimited wireless connections". In September 2019, it released a white paper "Key Drivers and Research Challenges for 6G Ubiquitous Wireless Intelligence", which initially answered questions about how 6G will change people's lives, what technical features it has, and what technical difficulties need to be solved. The content includes 6G vision, driving force, applications and services. The wireless research direction focuses on artificial intelligence, new authorization-free access, signal shaping, analog modulation, large-scale intelligent surfaces, etc. The progress and difficulty of wireless hardware are also analyzed. The network research direction focuses on the establishment of trust chain.

2.2 perspective et aménagement nationaux

2.2.1 欧盟

L'Union européenne a lancé une consultation publique en 2017 sur le projet de recherche et développement relatif à la technologie de communication mobile de sixième génération (6G), avec pour objectif sa commercialisation en 2030. Parallèlement, elle a lancé un projet de recherche fondamentale sur les technologies 6G, d'une durée de trois ans. Ce projet vise principalement à étudier les technologies de codage correcteur d'erreurs sans voie de retour de nouvelle génération, ainsi que les technologies avancées de codage et de modulation de canal applicables aux réseaux de communication 6G. L'organisation Horizon 2020 de l'UE lancera également un projet de recherche sur la 6G, intitulé « Réseaux et services intelligents », actuellement en phase de démonstration préliminaire et de recherche préalable.En outre, l'UE finance activement des universités et des instituts de recherche, notamment le Centre national de recherche technique de Finlande et l'Université d'Oulu, en se concentrant sur les futurs scénarios d'application et les orientations techniques telles que le térahertz, l'accès haut débit sans fil, l'intelligence embarquée et les codecs.

2.2.2.

Le gouvernement américain accorde une grande importance à la technologie 6G et poursuit ses efforts dans les domaines des fréquences térahertz et de l'intégration air-sol. En mars 2019, la FCC a promulgué l'attribution du spectre dans la bande THz aux États-Unis : de 95 GHz à 3 THz. Elle estime que la 6G s'orientera vers l'ère des fréquences térahertz. Avec la densification du réseau, trois technologies majeures, à savoir le partage dynamique du spectre, le multiplexage spatial basé sur les fréquences THz et la blockchain, constituent les nouvelles tendances technologiques. Aux États-Unis, l'Université de New York, l'Université de Californie et Virginia Tech mènent des travaux de recherche préliminaires sur les fréquences térahertz et d'autres axes de la 6G. Par ailleurs, SpaceX, OneWeb, Amazon, etc., ont lancé des projets d'Internet par satellite, considérés comme des technologies clés pour le déploiement futur de la 6G.

2.2.3 Fonctionnement

Le gouvernement japonais prévoit d'élaborer une stratégie de développement globale pour la future 6G grâce à une coopération public-privé. Le ministère de l'Économie, du Commerce et de l'Industrie a créé un fonds de 220 milliards de yuans pour la mise en place d'un projet national prioritaire et le lancement de la recherche et du développement de la 6G. Ce fonds est présidé par le recteur de l'Université de Tokyo et bénéficie du soutien technique de géants technologiques tels que Toshiba. Le Japon possède actuellement un avantage unique dans le domaine des térahertz et place cette technologie au premier rang de ses « Dix objectifs stratégiques clés pour les technologies piliers nationales ». Le groupe NTT a favorisé le développement de deux technologies B5G et 6G : les térahertz et le moment angulaire orbital. Par ailleurs, le Japon utilisera également des semi-conducteurs optiques comme technologie de traitement de l'information pour la 6G. NTT a annoncé sa collaboration avec 65 entreprises afin de parvenir à une production de masse de semi-conducteurs optiques pour la 6G d'ici 2030.

2.2.4 Étapes

En Corée du Sud, la recherche sur la 6G est principalement concentrée au sein d'entreprises et d'instituts de recherche universitaires, notamment Samsung, SK Telecom, LG Electronics et le Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST). LG Electronics a collaboré avec le KAIST pour créer un centre de recherche sur la 6G ; l'Institut d'électronique et de télécommunications a signé un protocole d'accord avec l'Université d'Oulu en Finlande pour développer la technologie des réseaux 6G. SK Telecom a signé des accords avec le finlandais Nokia et le suédois Ericsson afin de renforcer leur coopération en matière de recherche et développement sur les réseaux 6G. En juin 2019, Samsung a créé un Centre de recherche sur les communications avancées et a lancé des recherches sur les réseaux 6G. En juillet 2020, Samsung a publié un livre blanc intitulé « 6G : La prochaine expérience hyperconnectée pour tous », présentant sa vision de la 6G, les tendances d'évolution, les scénarios d'application, les indicateurs requis, les technologies candidates et le calendrier de normalisation prévu.

2.2.5.

In November 2019, the Ministry of Science and Technology held a kick-off meeting for 6G technology research and development work and announced the establishment of a national 6G technology research and development promotion working group and an overall expert group. Among them, the promotion working group is responsible for promoting the implementation of 6G technology research and development work; the overall expert group is responsible for proposing 6G technology research layout suggestions and technical demonstrations, and providing consultation and suggestions for major decisions. The Ministry of Industry and Information Technology also established a 6G research group in 2019, which was later renamed IMT-2030. It gathered forces from industry and universities, covering demand, wireless and network technologies, and strengthened forward-looking vision requirements and technology research, with the goal of clarifying 6G promotion ideas and key directions.

03Orientations de recherche potentielles

La recherche sur les communications mobiles de nouvelle génération est indissociable des débats sur les nouvelles technologies et les nouvelles architectures de réseau. Ce chapitre recense les priorités de recherche actuelles des principales organisations, universités et instituts de recherche, et les répartit en trois catégories : nouveau spectre, nouvelles technologies sans fil et nouvelles architectures et capacités de réseau. Il présente principalement les caractéristiques techniques et la nécessité des systèmes 6G, et constitue un cadre de référence fondamental pour des travaux de recherche ultérieurs plus approfondis et systématiques.

3.1 Nouveau spectre
In the future, business types and users will become more diversified, and network performance requirements will become higher and higher. At present, low-frequency frequency resources have gradually been fully occupied, so extending the spectrum to higher bands will become the research direction of 6G. The spectrum that currently attracts more attention from the industry includes terahertz and visible light frequency bands.

Terahertz refers to the frequency band from 100 GHz to 10 THz, with a wavelength range of 0.03~3 mm. It is electromagnetic radiation between radio waves and light waves. It has the characteristics of carrying rich information, sub-picosecond pulse width, high spatiotemporal coherence, low photon energy, strong penetration, high safety in use, good directionality, and high bandwidth. Terahertz communication applications can be divided into two categories based on coverage distance. Long-distance coverage applications include large-capacity wireless fronthaul/backhaul, wireless data centers, space applications, etc. The coverage distance is on the order of hundreds of meters to kilometers. Applications of short-distance coverage include short-range point-to-point communication, chip communication, health monitoring and nanoscale Internet of Things, etc., with coverage ranging from millimeters to meters. The key issues in current terahertz research are the development of core devices and flexible and dynamic air interface design.

The spectrum of the visible light band is 420~780 THz, and the wavelength range is 380~780 nm. It can be used without authorization. Visible light communication has the advantages of combining lighting and communication, no electromagnetic interference, and being green and environmentally friendly. Therefore, VLC is an important means to solve the problem of close home intervention and is considered to be an optional technology for future communication systems. The main application scenarios of VLC include indoor wireless access, indoor positioning, indoor navigation, intelligent transportation, applications in the aviation field, data sharing between devices, high-rate information transmission, underwater communications, information security, etc. However, the current visible light communication industry chain is not mature enough, and the bottleneck lies in the visible light transceiver devices of mobile terminals.

3.2 Nouvelle technologie sans fil

3.2.1 Large smart surfaces

In previous mobile systems, many wireless individual technologies were dedicated to better adapting to the changing wireless channel environment and using optimized transceiver designs (such as waveform schemes, coding schemes, time-frequency and space transmission mechanisms, etc.) to improve system capacity. In the past, the control of electromagnetic waves was limited to transmitters and receivers. However, in recent years, the emergence of smart metasurfaces has enabled the electromagnetic characteristics of the channel environment to be flexibly controlled, which has attracted widespread attention from academia and industry. Smart metasurface is an artificial electromagnetic surface structure with programmable electromagnetic properties, usually composed of new programmable metamaterials. Smart metasurfaces can actively and intelligently regulate electromagnetic waves through digital coding, forming an electromagnetic field with controllable amplitude, phase, polarization and frequency. This mechanism provides an interface between the physical electromagnetic world of smart metasurfaces and the digital world of information science. The advantages of smart metasurface technology also include low energy consumption, low hardware cost, no self-interference, flexible configuration, and wide application. It can control electromagnetic beams in real time through reflection, transmission, scattering, etc. according to different application scenarios, change the wireless environment, enhance useful signal quality, and thereby achieve the purpose of enhancing coverage, improving system capacity, and simplifying design. It is particularly attractive for the development of future mobile communications.

3.2.2 New coding and waveforms

Lors de la précédente évolution des systèmes mobiles, de la 4G à la 5G, le débit de pointe a été multiplié par plus de dix. On peut prévoir que, pour la prochaine génération de systèmes mobiles, cette tendance à la croissance du débit se maintiendra, voire s'accélérera. Le débit de décodage requis dépasse les 100 Gbit/s, et l'algorithme de décodage ainsi que le code de correction d'erreurs doivent être repensés afin d'améliorer le parallélisme du décodage. Parallèlement, les exigences de fiabilité augmentent progressivement, ce qui impose un niveau d'erreur de codage plus faible et une optimisation des conceptions associées. Parmi les technologies de codage actuellement étudiées, on peut citer le codage spinal, la modulation d'index et le précodage non linéaire. L'intelligence artificielle suscite également un intérêt croissant dans le domaine du codage. De plus, dans les systèmes 5G, la conception des formes d'onde peut être adaptée avec flexibilité à différents scénarios d'application. À l'avenir, la 6G prendra en charge des scénarios et des services plus complexes, et les indicateurs de performance seront considérablement améliorés. La conception et l'introduction de nouvelles formes d'onde sont donc indispensables. Les recherches actuelles portent notamment sur la conception basée sur des formes d'onde non orthogonales, la conception de formes d'onde dans le domaine transformé, etc. Les nouveaux codages et formes d'onde joueront un rôle important dans les futurs systèmes et constituent des pistes techniques à explorer.

3.3 Nouvelle architecture réseau et nouvelles capacités réseau

3.3.1 Intégration de l'espace, du sol, de l'air et de la mer

Satellite communications play a vital role in improving life in today's digital economy. Compared with terrestrial networks, satellite networks have complete earth surface coverage, advanced mobility, high security and reliability, and long-distance transmission delay guarantees. Combining satellites, aircraft and ground networks to achieve three-dimensional and heterogeneous network interconnection can achieve wide-range, large-capacity, and huge-connection information distribution and interaction, meet special scenarios such as limited rural area connections, airspace and sea area connections, and disaster management, achieve global seamless coverage and senseless handover, and provide guarantees for next-generation mobile communication coverage and connection requirements. The technical challenges faced by the current technical system include highly dynamic changes in transmission links, complex spatiotemporal behavior of the network, and large differences in heterogeneous business scales. Technical breakthroughs in simultaneous air, space and ground integrated networking, transmission theory, optimized scheduling, and intelligent collaboration also require great technological breakthroughs.

3.3.2 Réseau déterministe

Le réseau déterministe (DetNet) était à l'origine une technologie permettant de transformer les réseaux IP, passant d'une approche « au mieux » à une approche « ponctuelle, précise et rapide », en contrôlant et en réduisant la latence de bout en bout. Initialement, il ciblait des secteurs verticaux tels que l'industrie, l'énergie et l'Internet des véhicules, qui ont des exigences extrêmement élevées en matière de faible latence, de fiabilité et de stabilité du réseau. La norme TSN actuelle, développée par l'IEEE, garantit le déterminisme d'Ethernet, et le groupe de travail sur les réseaux déterministes de l'IETF s'engage à étendre la technologie développée dans le cadre de TSN aux routeurs et à accroître la portée du réseau. À l'avenir, avec la diversification croissante des terminaux mobiles et des services qu'ils proposent, les exigences de déterminisme, telles que la synchronisation temporelle de haute précision, la limitation absolue du délai de bout en bout et la transmission ultra-fiable et sans perte des paquets de données, deviendront les impératifs de la prochaine génération de systèmes mobiles. La partie sans fil est essentielle pour garantir la fiabilité de bout en bout des systèmes mobiles. La transmission sans fil est fortement influencée par l'environnement, et sa qualité est difficile à garantir. À l'ère de la 5G, les normes 3GPP ont défini un plan d'intégration du TSN et de la 5G. Le système 5G sert de passerelle TSN et l'architecture est intégrée de manière opaque. Cependant, les deux systèmes restent indépendants et les performances du TSN ne peuvent être pleinement garanties. À l'avenir, dans les systèmes de communication mobile de nouvelle génération, les spécificités du marché seront pleinement prises en compte pour assurer une compatibilité native optimale avec la 6G. Les solutions techniques et l'architecture système associées doivent être améliorées.

3.3.3 Cloud natif

Cloud native means that applications are deployed on cloud servers and have the characteristics of containerization, microservices, continuous delivery and DevOps. These technologies can build a loosely coupled system that is fault-tolerant, easy to manage and easy to observe. In the 5G era, the core network is based on a service-oriented architecture, which makes it easier to implement network functions using general-purpose servers and achieve cloudification effects in data centers. However, the current 5G core network deployment still does not have features such as containerization and microservices. In the future, in order to build flexible, scalable, rapid innovation and online network services, cloud native can be a suitable solution. Although traditional wireless devices in mobile networks have always been highly closed, and network functions have extremely high requirements for real-time performance, research and exploration related to cloud-native mobile networks have been advancing. It is believed that as the technology and industry continue to mature, its advantages will be fully utilized in the future to build a flexible and elastic new network architecture.

3.3.4 Intelligence omniprésente

L'essor continu de l'intelligence artificielle révolutionne tous les secteurs technologiques, et son intégration aux réseaux mobiles de nouvelle génération est devenue incontournable. Actuellement, dans le domaine des communications, l'intelligence artificielle est principalement utilisée pour optimiser les opérations après le déploiement du système grâce à la collecte de données et à des algorithmes dédiés. Cependant, son application reste limitée. À l'avenir, avec l'évolution constante de l'architecture réseau et le développement de la connectivité omniprésente, l'intelligence artificielle pourra s'intégrer plus étroitement à tous les aspects du réseau. Elle ne se limitera plus au cloud, mais pénétrera également jusqu'à la périphérie et les terminaux. Son rôle ne se limitera plus à l'optimisation intelligente de services spécifiques, mais s'étendra à la conception même du système, du déploiement du réseau à la conception des algorithmes, en passant par l'allocation de la puissance de calcul. L'intelligence sera ainsi plus largement intégrée au réseau, permettant une véritable omniprésence intelligente et renforçant considérablement les capacités des futurs réseaux mobiles.

3.3.5 Sécurité endogène

Les visions commerciales et architectures réseau novatrices de demain, telles que la réalité étendue immersive (XR), l'holographie, les connexions omniprésentes intégrées air-espace-sol et l'intelligence artificielle (IA), multiplieront les points d'attaque et les défis en matière de sécurité. Le modèle de défense traditionnel, de type correctif, repose sur une conception, une superposition et un renforcement isolés des mesures de sécurité une fois le système construit. Ce modèle de protection passif est inefficace et coûteux. Par conséquent, les futurs réseaux mobiles doivent explorer de nouveaux modèles de sécurité. La sécurité endogène, fondée sur des attributs tels que la cohésion, la collaboration et l'intégration native, se caractérise par une création native et une évolution symbiotique. La sécurité du réseau est gérée par l'agrégation de différents protocoles et mécanismes de sécurité. Parallèlement, les capacités de protection disposent d'une force motrice indépendante leur permettant de s'adapter aux évolutions du réseau de manière synchrone, voire prospective, afin de garantir une défense intrinsèquement robuste. Il ne s'agit plus d'une réponse passive aux menaces, mais d'un élément essentiel pour le futur réseau 6G.

04Résumer

6G network is a network that will be oriented to 2030 and beyond. Although it is currently in the initial stage of research, it can still be initially glimpsed from the evolution trends of business and technology. 6G network needs to support higher bandwidth, stricter certainty, wider and deeper coverage of future services, and at the same time, consider providing smarter, safer, and more flexible network services. This article sorts out the progress and potential technical directions of research institutions for 6G. Although the current 6G route is not clear yet, and the potential directions also have problems in theory, physical implementation, and networking. However, with the continuous investment in scientific research and the continuous advancement of the industry, it is believed that the next generation of mobile communication systems will definitely bring more dimensional changes and deeper subversion!

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