Le dernier 2019 peut être appelé «l'année de la 5G». En avril, le consortium 3GPP, qui développe les spécifications pour les communications mobiles, a publié sa 15e version, décrivant les normes de nouvelle génération, et les réseaux ont commencé à être déployés dans le monde entier. La clarification des paramètres 5G est toujours en cours, et en 2020-2021, les versions 16 et 17 devraient apparaître, ce qui complètera la description de la 5G, l'amenant au niveau conditionnel de «5 ++». Pendant ce temps, la course à la 6G nouvelle génération a déjà commencé.
En mars 2019, la première réunion du consortium 6G Flagship a eu lieu à l'Université finlandaise d'Oulu. L'université, qui est la principale base de R&D de Nokia, a été le fer de lance des travaux sur les réseaux de nouvelle génération. Et en novembre, le gouvernement chinois a officiellement lancé le développement des technologies 6G. Tous les grands fabricants d'équipements de télécommunications les ont déjà rejoints et la prochaine réunion phare de la 6G doit avoir lieu en mars 2020.
«La question de la 5G peut être considérée comme généralement close à la sortie 15», nous a déclaré Vitaly Shub, chef du principal centre de R&D de Skoltech, qui est directement impliqué dans les travaux sur la nouvelle génération de communications. - Le cahier des charges a été défini, les technologies ont été créées, la production industrielle des équipements est en cours. Les usines chinoises produisent environ cent mille stations de base par mois. " Il est temps de réfléchir à ce à quoi ressemblera la connexion 6G.
Cycle éternel
L'infrastructure de télécommunications utilise deux types de réseaux fondamentalement différents. Les réseaux à ressources fixes - comme par exemple une connexion filaire sur câble cuivre, coaxial ou fibre optique - connectent directement un abonné à un port de l'opérateur, ce qui garantit une certaine bande passante de ce canal. Une connexion dédiée est destinée à l'utilisateur personnellement, comme une conduite d'eau reliée à un robinet dans une maison.
En revanche, les réseaux cellulaires sont par définition des réseaux divisibles. Leur spécification garantit un certain taux de transfert vers et depuis le pool général d'abonnés uniquement entre eux et la station de base. Cependant, le taux d'échange de données final dépend du nombre d'abonnés connectés, de la capacité du réseau et d'autres facteurs. «En fait, la communication mobile jusqu'à la 4e génération incluse est une entreprise unique qui peut fournir un service sans aucune garantie de sa qualité», explique Vitaly Shub. «De plus, il n'y a rien à y faire: une telle caractéristique découle de la« physique »même du réseau, des ressources limitées de sa ressource, qui est partagée entre tous les utilisateurs.»
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En conséquence, chaque prochaine génération de communication cellulaire passe par les mêmes étapes caractéristiques. La première fois après l'apparition de la nouvelle technologie, il n'y a pas trop d'abonnés dans un tel réseau et les débits dont ils disposent sont vraiment élevés. Cependant, le réseau commence à se remplir et il y a de plus en plus d'utilisateurs et d'applications exigeantes. En conséquence, les vitesses chutent et il est nécessaire d'introduire de nouvelles technologies et une nouvelle génération de communication. La pratique montre qu'un tel changement prend environ 10 à 12 ans.
«Les affaires se développent le long de la ligne de sciage: la saturation progressive des réseaux s'achève avec l'émergence de la prochaine génération de communication, ce qui réduit cette charge», explique Vitaly Shub. - Premièrement, il y a une offre, cela crée une demande de nouvelles opportunités. Mais alors tout change: la demande émergente nécessite une nouvelle offre, de nouvelles technologies pour la satisfaire. Les opérateurs cellulaires sont simplement contraints d'étendre constamment le réseau et d'améliorer ses caractéristiques."
Entre le cinquième et le sixième
Chaque nouvelle génération de communication cellulaire peut être associée à des transitions vers de nouveaux principes de plus en plus complexes de codage des signaux. Le premier de ces systèmes de multiplexage par répartition en fréquence (FDMA) utilisé - l'approche la plus simple dans laquelle l'accès à un canal commun est divisé entre les utilisateurs en leur attribuant temporairement certaines fréquences. Vient ensuite la diffusion des technologies TDMA, qui permettent à plusieurs abonnés d'utiliser le même canal, en le partageant dans de courts intervalles de temps.
Ensuite, l'accès multiple par répartition de code (CDMA et WCDMA) a été introduit, ce qui offre des possibilités supplémentaires d'utilisation parallèle des fréquences. Dans ce cas, le signal est modulé avec une séquence de codage spéciale, pour chaque abonné la sienne. L'antenne de la station de base émet un signal intriqué, semblable à du bruit, mais chaque destinataire final, connaissant son code, est capable d'en extraire la partie dont il a besoin.
L'accès multiple aux porteuses orthogonales (OFDMA) a ensuite été mis en œuvre, dans lequel chaque fréquence porteuse, à son tour, est divisée en plusieurs sous-porteuses, modulées indépendamment les unes des autres. Aujourd'hui, cette approche approche de sa limite théorique. «Pour chaque technologie, il existe une efficacité spectrale limite, c'est-à-dire le nombre de bits par seconde que 1 Hz d'ondes radio peut transmettre», explique Vitaliy Shub. - La cinquième génération approche les 30-50 bits / sHz, utilisant presque complètement les capacités de l'appareil de codage mathématique. Cela donne une bande passante énorme: ajoutez une bande passante ultra-large et vous obtenez des nombres de 100 Mbps à 1 Gbps, et dans certains cas même 20 Gbps."
On s'attend à ce que la communication 6G atteigne déjà de 100 Gbps à 1 Tbps, et la vitesse de réponse du réseau - moins d'une milliseconde. Les exigences exactes de la norme n'ont pas encore été formulées, mais on suppose que ce sont les chiffres qui seront nécessaires pour le fonctionnement des véhicules sans pilote, des systèmes complexes d'intelligence artificielle et de réalité virtuelle, l'industrie robotique et la logistique. Pour atteindre les indicateurs souhaités, il faudra utiliser de nouvelles fréquences, de nouvelles mathématiques et même de la physique.
Nouvelles vitesses
Le débit de données est déterminé par la bande passante et l'efficacité spectrale, et le travail pour la 6G est effectué dans les deux sens. Ainsi, pour augmenter la largeur de la porteuse, il est nécessaire d'utiliser une nouvelle plage qui n'est pas encore disponible pour la communication, en passant à des ondes radio à ondes encore plus courtes - avec une fréquence allant jusqu'à 100 GHz et même plus, dans la région térahertz, submillimétrique (300 GHz - 3 THz), qui reste pratiquement inoccupée et vous permettra d'utiliser une large plage de travail.
Jusqu'à récemment, les émetteurs et récepteurs térahertz sont restés aussi complexes et encombrants que les premiers ordinateurs. Ces installations n'ont été largement utilisées que ces dernières années - par exemple, lors de l'examen des bagages à la recherche d'explosifs, en médecine et en science des matériaux. Pour la sixième génération de communications, les appareils térahertz devraient devenir encore plus miniatures et économes en énergie. Et en plus de ce canal large, de nouvelles technologies de codage du signal devraient apparaître pour augmenter son efficacité spectrale. L'un des domaines clés de ce travail est devenu les «vortex optiques», qui sont activement poursuivis par les développeurs de Skolkovo. «Une onde lumineuse peut être imaginée comme un tire-bouchon ou une spirale», explique Vitaly Shub. - Le pas de cette spirale peut être irrégulier, de plus, il peut être contrôlé. Ayant appris à moduler de telles irrégularités d'ondes,nous obtenons un moyen supplémentaire d'encoder le signal. " Ces technologies progressent à pas de géant, et en 2018, des scientifiques australiens ont réduit le système de modulation du moment orbital angulaire (OAM) à la taille d'une micropuce, tout à fait adapté à une utilisation dans un gadget de poche. Selon certaines estimations, l'utilisation du codage OAM augmentera l'efficacité spectrale d'au moins cinq fois. «Les limites théoriques n'ont pas encore été établies ici, car on ne sait pas encore dans quelle mesure nous pourrons varier et contrôler le« pas de faisceau », ajoute Vitaly Shub. "Il est possible que la croissance soit dix ou cent fois supérieure".et en 2018, des scientifiques australiens ont réduit un système de modulation du moment angulaire orbital (OAM) à la taille d'une micropuce, tout à fait adapté à une utilisation dans un gadget de poche. Selon certaines estimations, l'utilisation du codage OAM augmentera l'efficacité spectrale d'au moins cinq fois. «Les limites théoriques n'ont pas encore été établies ici, car on ne sait pas encore dans quelle mesure nous pourrons varier et contrôler le« pas de faisceau », ajoute Vitaly Shub. "Il est possible que la croissance soit dix ou cent fois supérieure".et en 2018, des scientifiques australiens ont réduit un système de modulation du moment angulaire orbital (OAM) à la taille d'une micropuce, tout à fait adapté à une utilisation dans un gadget de poche. Selon certaines estimations, l'utilisation du codage OAM augmentera l'efficacité spectrale d'au moins cinq fois. «Les limites théoriques n'ont pas encore été établies ici, car on ne sait pas encore dans quelle mesure nous pourrons varier et contrôler le« pas de faisceau », ajoute Vitaly Shub. "Il est possible que la croissance soit dix ou cent fois supérieure"."Il est possible que la croissance soit dix ou cent fois supérieure"."Il est possible que la croissance soit dix ou cent fois supérieure".
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La nécessité d'amener le temps de réponse des réseaux 6G à des niveaux inférieurs à la milliseconde pose des problèmes complètement différents. Selon Vitaly Shub, cela nécessitera des changements globaux dans la topologie du réseau. Le fait est que ces dernières années, ils se sont développés en mettant l'accent sur le stockage de données «cloud». Nos fichiers, musiques, photos peuvent être physiquement localisés n'importe où, sur un serveur aux USA, en Australie ou au Danemark. Tant que le «goulot d'étranglement» pour y accéder est la vitesse sans fil, cela n'a pas vraiment d'importance. Cependant, la communication 5G est déjà assez rapide, et même le canal filaire le plus puissant entre l'opérateur cellulaire et le serveur ne suffit pas: le stockage doit être rapproché de l'abonné. «Tout commence à revenir à la normale», déclare Vitaly Shub. "Ce qui a évolué dans une direction dans les troisième et quatrième générations revient en arrière."Cette approche incarne le concept de Mobile Edge Computing (MEC): des centres de commutation de paquets, qui accumulent les données les plus demandées par les utilisateurs pour en accélérer l'accès, se rapprochent le plus possible du destinataire, et un logiciel intelligent ajuste en permanence le contenu et la distribution du contenu en fonction des besoins de l'abonné. … Au lieu d'une hiérarchie élevée à plusieurs niveaux, le réseau devient presque «plat» et la latence en son sein diminue considérablement.hiérarchie à plusieurs niveaux, le réseau devient presque «plat» et le temps de latence qu'il contient est considérablement réduit.hiérarchie à plusieurs niveaux, le réseau devient presque «plat» et le temps de latence qu'il contient est considérablement réduit.
La mise en œuvre de MEC est confrontée à un certain nombre de défis techniques nouveaux et non résolus. En particulier, une miniaturisation encore plus grande des systèmes de commutation de paquets de signaux et des dispositifs de stockage de données est nécessaire, une augmentation de leur capacité et une diminution de la consommation d'énergie. En attendant, la 6G ne fait que les premiers pas grossiers en prévision du moment où la génération précédente approchera du "stade de saturation". Très probablement, cela se produira vers 2025-2027, lorsque les nouvelles demandes d'abonnés et d'applications deviendront claires. Ce n'est qu'alors que les exigences spécifiques pour les normes de communication suivantes seront formulées.
Génération politique
Les principaux acteurs dans ce domaine ont déjà été identifiés - à part Nokia et le chinois Huawei, il s'agit des sociétés Samsung et Ericsson. On s'attend à ce que vers 2028-2030, ils développent les paramètres de base de la 6G, et le consortium 3GPP publiera une autre version décrivant les normes clés de la prochaine génération. Cependant, tout est capable de se dérouler selon un autre scénario inattendu. «On peut s'attendre à ce que la sixième génération devienne la plus politisée», déclare Vitaly Shub. "Les tentatives de l'Occident pour" freiner "la Chine sont déjà apparentes au stade 5G, et elles peuvent se poursuivre, détruisant tout le système complexe de coopération internationale." En fait, le chinois Huawei détient près d'un tiers du pool de brevets 5G, une situation qui risque de s'aggraver avec la sixième génération. En plus du programme d'État déjà adopté pour le développement de la 6G,La RPC peut s'appuyer sur des ressources internes inaccessibles partout ailleurs dans le monde, sur son énorme marché et ses volumes colossaux de «big data». «Toute l'économie moderne est une économie d'élevage», ajoute Vitaly Shub.
Cependant, dans le cadre d'une telle économie, la Russie conserve toujours sa propre petite niche unique. Nos développeurs sont activement impliqués dans la création de la base physique et technologique à partir de laquelle les brevets et les normes 3GPP émergeront. «Ce sont de nouveaux matériaux, de nouvelles mathématiques, de nouveaux principes - un travail cauchemardesque en termes de volume», résume Vitaly Shub. «Nous ne pouvons qu'espérer que nous serons en mesure de respecter le cycle de mise en œuvre habituel de 10 ans.»
Roman Fishman