Les radiocommunications à ondes millimétriques arrivent à maturité

06/10/2016
Publication REE REE 2016-4
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2016-4:17359
DOI : http://dx.doi.org/10.23723/1301:2016-4/17359You do not have permission to access embedded form.

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Les radiocommunications à ondes millimétriques arrivent à maturité

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REE N°4/2016 Z 23 et il présente de grandes similitudes avec le programme chinois à ceci près que le programme européen utilise la station spatiale internationale au lieu d’un satellite. On no- tera l’implication dans ces deux programmes du laboratoire d’Anton Zeilinger de Vienne ce qui montre la volonté des Chinois de collaborer avec l’Europe tout en restant maître d’œuvre du programme d’expérimentation à bord de leur sa- tellite dit « quantique ». Conclusion Le lancement du satellite chinois s’inscrit dans les expé- rimentations de distribution de clés quantiques dans l’air et dans l’espace qui se sont développées depuis une bonne dizaine d’années. Depuis longtemps la Chine a mis en place de nombreux laboratoires de recherche spécialisés dans l’ex- ploitation de la cryptographie quantique pour développer un chiffrement hyper-sécurisé. Face aux expérimentations pré- vues en Europe avec l’ISS dans ce domaine, il existait de fortes probabilités que ce pays développe son propre pro- gramme en s’appuyant sur un satellite d’émission lancé de- puis le sol chinois afin de ne pas se faire distancer au plan international. Ceci n’exclut pas d’ailleurs des interactions, voire des recherches en commun avec d’autres programmes spatiaux comme le montre la collaboration entamée avec un laboratoire autrichien. Q Marc Leconte ACTUALITÉS Les radiocommunications à ondes millimétriques arrivent à maturité L’encombrement du spectre électromagnétique, tout par- ticulièrement, dans les fréquences les plus faciles d’utilisa- tion, est un obstacle au développement des nouvelles appli- cations des radiocommunications. Par ailleurs, les utilisateurs sont de plus en plus friands de fréquences libres qui évitent d’avoir à souscrire un contrat de licence auprès des autorités compétentes et permettent de mettre sur le marché des pro- duits d’usage universel dès lors que les bandes de fréquence se trouvent suffisamment ouvertes dans le monde. Dans les Actualités de la REE 2016-3, nous avons évoqué l’élargissement envisagé en Europe et en France de la bande libre des 865-868 MHz afin de donner de nouvelles possi- bilités de développement aux RFID et à l’Internet des objets. Dans le présent article, nous appelons l’attention de nos lecteurs sur le potentiel offert par la bande EHF (Extrême- ment haute fréquence) allant de 30 à 300 GHz, qui corres- pond à des longueurs d’onde de 1 à 10 mm. Cette bande est aujourd’hui utilisée pour des applications relevant des domaines militaires, de l’astronomie et de la sécurité (scree- ning des passagers dans les aéroports). Elle offre pour les radiocommunications des ressources en bande passante très importantes qui permettent notamment d’envisager le dé- veloppement de nouvelles technologies de transmission en ultra-large bande. Mais l’utilisation des ondes millimétriques se heurte à de grosses difficultés. Il faut bien évidemment disposer de com- posants électroniques présentant la dynamique nécessaire – c’est un point sur lequel nous revenons ci-après –, mais il faut également composer avec la forte atténuation par les murs, les feuillages et les gaz de l’atmosphère. En particulier, les signaux aux alentours de 60 GHz correspondent à une fréquence de résonance de la molécule O2 et sont sévère- ment atténués. La vapeur d’eau présente également des pics d’absorption, quoique plutôt entre 20 et 30 GHz. Les ondes millimétriques sont donc a priori limitées aux transmissions à courte distance, typiquement sur des distances inférieures à 1 km. Cependant, les inconvénients peuvent constituer des avantages : la forte atténuation rend plus facile la réutilisation des fréquences et la propension à la diffusion et à la dif- fraction des ondes multiplie les chemins de propagation et ouvre la voie à l’usage de technologies MI-MO. Les courtes longueurs d’onde permettent de réaliser de petites antennes en plus grand nombre, avec des faisceaux plus étroits. L’organisation des fréquences La bande des 60 GHz est à présent reconnue comme une bande libre d’accès dans la plupart des pays, avec une largeur comprise entre 5 et 9 GHz qui dépend des réglementations locales. Le tableau 1 donne un extrait du tableau annexé à la dé- cision Arcep 2014/1263 du 6 novembre 2014 qui intègre les décisions les plus récentes prises au niveau européen, notamment la décision d’exécution de la Commission 2013/752/UE du 11 décembre 2013 relative à l’harmoni- sation du spectre radioélectrique en vue de l’utilisation de dispositifs à courte portée. Aux Etats-Unis, la FCC (Federal Communications Commis- sion) a étendu le 18 juillet 2016 la bande libre 57-64 GHz jusqu’à 71 GHz. Selon les pays, des fréquences à des niveaux divers peuvent être concédées sous licence pour les applications de radiocommunications et en particulier pour la 5G. Ainsi, 24 Z REE N°4/2016 aux Etats-Unis, les bandes 37-38,6, 38,6-40, 71-76, 81-86 et 92-95 GHz, qui ne souffrent pas de l’absorption par l’O2 , donnent ainsi lieu à licence par la FCC. Wi-Fi 802.11ad et réseaux 5G Aujourd’hui deux applications principales des ondes mil- limétriques se dessinent dans le domaine des radiocommu- nications : distances, dans le cadre du WI-Fi IEEE 802.11ad ; 1 entre stations de base des futurs réseaux 5G. Le Wi-Fi 802.11ad, promu sous le nom commercial de WiGig, est un standard approuvé en octobre 2012 mais ap- paru commercialement seulement début 2016. Il utilise la bande des 60 GHz (57 à 66 GHz en Europe) et est destiné au monde du multimedia. Tout en utilisant une puissance maximale à l’émission de seulement 10 mW (le 1/10e du Wi- Fi 802.11ac), ce standard vise les très hauts débits (jusqu’à 6,76 Gbit/s) mais sur de très courtes distances (moins de 10 m) et à l’intérieur d’une seule pièce (les ondes à 60 GHz ne pouvant traverser les murs). Le débit de plusieurs Gbit/s est obtenu en utilisant de larges canaux de 2,16 GHz et les technologies multi-antennes de beamforming. réseaux mobiles et le cœur de réseau est différent. Le ré- seau 5G vise à offrir aux usagers de très hauts débits qui nécessiteront un réseau très dense de petites cellules. La connexion entre elles de ces petites cellules par un réseau traditionnelle par fibres optiques se heurte à des difficultés pratiques de mise en œuvre et n’offre pas la flexibilité né- 1 En téléphonie mobile, les réseaux de « backhaul » servent à rapatrier l’information depuis les stations de base vers le cœur de réseau. Les fibres optiques ou les faisceaux hertziens sont largement utilisés. Il n’ex- iste pas de traduction satisfaisante du terme « backhaul » en français. Les canadiens utilisent le vocable « réseau d’amenée » mais cette ap- pellation reste peu usitée. cessaire. Dans ces conditions le recours à des solutions par ondes millimétriques, dans la bande des 60 GHz ou au-des- sus est envisagé. L’arrivée de nouveaux composants Le développement au stade du prototype ou l’arrivée sur le marché de nouveaux composants destinés aux ondes mil- limétriques ont fait l’objet récemment de plusieurs annonces. Nous avons retenu deux d’entre elles. La première est l’annonce par le centre de recherches belge imec à Louvain et par l’université libre de Bruxelles (Vrije University) d’un chip développé en technologie CMOS 28 nm assurant l’émission et la réception des ondes à 60 GHz Ce chip de 7,9 mm2 a été validé IEEE 802.11ad sur une dis- tance de 1 m. Il comporte un faisceau de quatre antennes accordables afin de réaliser le beamforming et permet un débit de transmission de 4,62 Gbit/s. Il consomme 630 mW en émission et 431 mW en réception à 0,9 V. L’autre annonce vient du Japon et a trait au dévelop- pement par le Tokyo Institute of Technology et par les Fujitsu Laboratories d’un transmetteur capable de traiter Tableau 1 : Extrait du tableau de l’annexe 1 à la décision Arcep 2014/1263 du 6 novembre 2014. Figure 1 : Chip 60 GHz à quatre antennes développé par l’imec et l’Université libre de Bruxelles – Source : imec. ACTUALITÉS Bande de fréquences Catégorie de dispositifs Limite de puissance /d'intensité de champ / de densité de puissance Paramètres supplémentaires Autres restrictions d'utilisation 57-64 GHz Dispositifs à courte portée non spécifiques 100 mW PIRE, puissance émise max- imale de 10 dBm et densité spectrale maximale de 13 dBm/MHz PIRE. 57-66 GHz Dispositifs de transmission de données à large bande 40 dBm PIRE et une densité de PIRE de 13 dBm/MHz Doivent être utilisées des techniques d’accès au spectre et d’atténuation des interférences au moins aussi performantes que celles décrites dans les normes harmonisées adoptées en vertu de la directive 1999/5/CE. Les installations extérieures fixes sont exclues. REE N°4/2016 Z 25 des signaux dans des bandes de fréquence supérieures à 72 GHz et ayant démontré en laboratoire, sur une distance de 10 cm, un débit de 56 Gbit/s, ce qui constitue un re- cord mondial. Le chip, développé en technologie CMOS et le module qui l’incorpore (figure 2), comportent deux tech- nologies-clés : bande la connexion entre le circuit imprimé et l’antenne en forme de guide d’onde cylindrique. Au niveau du chip, le signal est décomposé en deux parties, chacune dans différentes bandes de fréquence : 72-82 GHz et 89-99 GHz. Cette approche permet de mo- duler le signal sur une ultra large bande de 20 GHz tout en gardant les mêmes performances que celles obtenues par les systèmes existants de modulation sur 10 GHz (figure 3). Fujitsu prévoit la mise en œuvre de ces solutions dans les systèmes de téléphonie cellulaire de 5e génération aux environs de 2020. Q Jean-Pierre Hauet Figure 2 : Chip et module développés par le Tokyo Institute of Technology et par les Fujitsu Laboratories – Source : Fujitsu.com. Figure 3 : Schéma de principe du fonctionnement de l’émetteur-récepteur en ultra large bande – Source : Fujitsu.com.  FORMATION PROFESSIONNELLE  CERTIFICATIONS IPC DU PERSONNEL  PRESTATIONS DE SERVICES : INSPECTION, MESURES, ANALYSES  DISTRIBUTEUR DE NORMES IPC NEEENE SSSSS ELLLLLL Authorized Distributor ® « L’ÉTAT DE L’ART ET LA MAÎTRISE DES PROCÉDÉS DE LA FABRICATION DES CARTES ÉLECTRONIQUES ( DE LA CONCEPTION JUSQU’AU TEST ) » IFTEC - 33 rue Ravon - 92340 Bourg-la-Reine - France - Tél : +33 (0)1 45 47 02 00 - E-mail : iftec@iftec.fr ACTUALITÉS