Cas d’usage

La cinquième génération des réseaux mobiles a apporté des évolutions techniques importantes par rapport aux standards précédents. Parmi ces évolutions figure le très haut débit, beaucoup plus important que la 4G, la réduction de la latence jusqu’à 1 milliseconde, la fiabilité et la grande capacité du réseau en nombre d’objets connectés.

Ces évolutions techniques reposent sur des innovations technologiques en rapport avec l’architecture du réseau, qui font appel au cloud, à la virtualisation et au Network Slicing et qui font évoluer la partie radio pour plus d’efficacité tout en réduisant la consommation d’énergie et le coût d’exploitation. Les plus importantes de ces innovations font l’objet de ce chapitre.

Les utilisations de la 5G sont réparties dans trois volets majeurs :

eMBB (Enhanced Mobile Broadband) : le haut débit mobile amélioré ;
CC&URLLC (Critical Communications and Ultra Reliable and Low Latency Communications) : les communications critiques, à ultra haute fiabilité et faible latence ;
mIoT (massive Internet of Things) : l’Internet des objets massif.

1. eMBB

Il s’agit du service classique de connexion à Internet sur des smartphones ou tablettes. L’un des objectifs de la 5G est d’atteindre des débits de transferts de données cent fois plus importants que ceux réalisés en 4G. Cela rend plus fluides la navigation web, le streaming vidéo, les appels vidéo et la réalité virtuelle. En plus, cela ouvre la possibilité pour d’autres cas d’usage sous le volet eMBB. Par exemple, en aviation, eMBB peut fournir à un avion en plein vol un débit de 1,2 Gb/s.

L’eMBB repose sur les innovations suivantes :

l’usage d’un spectre de fréquence plus large avec des fréquences millimétriques (mm Wave ou mmW) qui permettent d’atteindre les 20 Gb/s théoriques avec, bien entendu, une portée beaucoup plus limitée ;
l’évolution des antennes utilisées avec l’usage du mMIMO (massive Multi Input Multi...

Spectre de fréquences

Les porteuses des télécoms vont de 400 MHz à 100 GHz, mais les bandes sous licence vont de 600 MHz à 39 GHz. Elles sont réparties en deux catégories :

FR1	450 MHz - 6 GHz
FR2	24.25 GHz - 52.6 GHz

FR2 correspond aux hautes fréquences, également appelées fréquences mmW. FR1 est divisée en fréquences basses (en dessous de 1 GHz) et médianes (1 GHz - 6 GHz).

Ainsi, FR1 et FR2 donnent trois plages de fréquences à utiliser en 5G :

Basses fréquences : généralement utilisée pour un déploiement rural, cette plage de basses fréquences, avec ses meilleures caractéristiques de propagation, est destinée à couvrir de grandes zones avec une bande passante maximale de 100 MHz pour une porteuse. Une couverture indoor profonde est garantie avec les basses fréquences.
Fréquences médianes : destinée au déploiement de la 5G dans un contexte urbain ou suburbain, cette plage intermédiaire est le meilleur compromis entre la couverture et la capacité. Ici aussi, la bande passante maximale est de 100 MHz.
Hautes fréquences (FR2) : la bande passante est plus élevée vers l’utilisateur (bande passante maximale de 400 MHz), mais la propagation...

Évolution des antennes

Le déploiement de la 5G avec un usage des fréquences traditionnelles, déjà utilisées en 2G, 3G et 4G, ne nécessite pas forcément l’ajout d’antennes 5G. Il est possible de se limiter à une intégration de la 5G par de simples mises à jour sur les sites existants.

Cependant, pour la fréquence 3.5 GHz par exemple, ou pour les fréquences mmW, il est nécessaire de réaliser des opérations sur l’infrastructure du réseau. Au moins l’ajout d’une antenne 5G est requis pour un déploiement qui, dans un premier temps, se fait par extension de l’architecture 4G (5G NSA ou Non-Standalone 5G) sans l’ajout de nouveaux sites 5G. Selon la demande des opérateurs, la deuxième phase de déploiement consiste à ajouter de nouveaux sites 5G SA (Standalone).

1. Antennes 5G

Les équipementiers de télécommunications Huawei, Ericsson, Nokia et ZTE proposent une variété d’antennes adaptées au besoin des opérateurs de différentes régions. Samsung est devenu un concurrent et un leader potentiel avec son propre catalogue d’antennes 5G. D’autres fabricants proposent des solutions intéressantes comme Commscope qui combine l’utilisation d’antennes actives et passives sur la même plateforme. En France, l’entreprise AW2S, filiale du groupe Serma, propose des antennes commerciales et des prototypes de test 5G.

Les antennes 5G ont évolué par rapport aux antennes des générations précédentes. Les antennes 2G et 3G étaient conçues pour maximiser la portée. Assez volumineuses et souvent montées sur des mâts, elles ont été fabriquées pour des cas d’usage de base comme les appels vocaux puis les SMS. Ensuite, avec le GPRS, EDGE, puis la 3G, la technologie a évolué pour permettre les transmissions de données IP. La capacité de ses antennes a été améliorée avec HSPA. Ensuite, en 4G, les antennes construites sont dotées de haute capacité grâce à l’OFDMA et au MIMO et elles sont plus compactes et multi-bande. En revanche, si en 2G et 3G l’infrastructure est simple...

La 5G et la virtualisation

Les cas d’usage de la 5G ne peuvent être imaginés avec une seule infrastructure physique fixe. Le besoin en ressources ne cessera d’augmenter au fur et à mesure de l’expansion des réseaux 5G et de l’augmentation du nombre de clients.

La virtualisation est une solution indispensable depuis la conception de la cinquième génération des réseaux mobiles. C’est le processus de remplacement des ressources matérielles par des fonctions logicielles. Ainsi, le déploiement sera plus simple tout en augmentant l’efficacité, la flexibilité et la capacité de l’infrastructure.

La virtualisation offre la possibilité de déployer une large gamme de services réseau segmentés à partir d’un seul réseau physique (Network Slicing). Les opérateurs seront donc en mesure d’étendre leurs réseaux et de diversifier leurs services de manière très rentable. La virtualisation éliminera la notion d’une seule infrastructure physique et permet ainsi d’accueillir une multitude de cases d’usage sous les trois volets eMBB, URLLC et mIoT et un nombre de clients très large et susceptible de se multiplier très rapidement.

Au-delà de la virtualisation, l’UIT-T définit la « softwarisation » (transformation logicielle) du réseau comme « Approche globale de conception, mise en œuvre, déploiement, gestion et maintenance d’équipements et/ou de composants de réseau par programmation logicielle ».

Plusieurs aspects de la softwarisation sont à l’origine de l’évolutivité et de l’agilité des réseaux mobiles 5G, et garantissent aux opérateurs de créer des réseaux personnalisés dotés d’ensembles uniques de capacités assez robustes :

NFV (Network Functions Virtualization) ;
Cloud Computing ;
Software-Defined Networking (SDN) : utilisation des contrôleurs logiciels ou des API (Application Programming Interfaces) afin de communiquer avec une infrastructure matérielle sous-jacente et diriger le trafic sur le réseau ;
Network Slicing.

L’annexe 2 présente les définitions...

Protocoles 5G

L’architecture de la 5G est basée sur les services. Les protocoles et les interfaces de la 5G offrent plus d’agilité et d’évolutivité du réseau permettant l’ajout facile de nouveaux services. Les protocoles de la 5G garantissent de très hauts débits, une grande capacité de gestion des quantités massives de données et du mIoT, la réduction de la latence et la capacité d’utiliser les hautes fréquences.

1. Pile de protocoles du plan de contrôle UE, 5G-AN, AMF et SMF

Elle est schématisée par la figure ci-dessous (source : 3GPP TS 23.501, Section 8.2) :

Pile de protocoles du plan de contrôle UE, 5G-AN, AMF et SMF

NAS-SM (Non-Access-Stratum Session Management) : il implique la gestion de session entre l’UE et le SMF. Il prend en charge les différentes étapes des sessions PDU (Protocol Data Unit) du plan utilisateur (établissement, modification, libération). Le transfert du protocole NAS-SM est effectué via AMF mais il lui est transparent. Le protocole NAS du système 5GS (5G System) est défini dans le TS 24.501.
NAS-MM (Non-Access-Stratum Mobility Management) : il implique la gestion des journaux et des connexions, activation/désactivation des connexions du plan data. NAS-MM est également responsable de la prise en charge de la sécurité (cryptage et protection de l’intégrité) de la signalisation NAS.
Pile de protocoles 5G-AN Protocol Layer : c’est un ensemble de protocoles/couches qui dépend du réseau d’accès 5G (5G Access Network). Lorsque le 5G-AN est un 3GPP NG-RAN (New Generation Radio Access Network), ils sont définis par TS 38.401....

5G-Advanced

En 2023 débute la phase 5G-Advanced avec la release 18 qui a été gelée en juin 2024. La 5G-Advanced ou 5G+ entame la phase de développement d’applications plus exigeantes et élargit plus que jamais l’éventail des cas d’usage de la 5G. Elle est caractérisée par quatre dimensions :

Expérience : l’expérience utilisateur est beaucoup plus immersive avec des cas d’usage comme XR/AR/VR (réalité étendue, réalité augmentée et réalité virtuelle) où fusionnent les deux mondes, réel et virtuel. L’expérience est meilleure du point de vue de l’utilisateur et de la machine. Pour cela, on améliore les performances et on réduit au maximum le temps d’interruption du service.
Expansion : de nouveaux services qui sortent du cadre des communications classiques sont créés. Transaction en temps réel, automatisation industrielle ou contrôles de réseaux électriques intelligents, les nouveaux services exploitent de nouvelles fonctions et améliorations comme la précision constante de positionnement à 10 cm, en indoor comme en outdoor ou la synchronisation as a service.
Extension : de nouveaux segments de marché, comme ceux des réseaux satellitaires, sont atteints. La connectivité...

Évolution technique en 5G