La nouvelle radio : évolution ou révolution ?

15/07/2018
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La nouvelle radio : évolution ou révolution ?

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REE N°3/2018 Z55 LA 5G DOSSIER 1 Introduction L’UIT1 a défini, sous le nom d’IMT-2020, une nouvelle génération de système radio-mobile en termes de nouveaux usages (figure 1) et d’exi- gences techniques cibles qu’on appelle aussi la 5G : son déploiement commer- cial devrait intervenir à partir de 2020. Les exigences définies pour IMT-2020 1 UIT : Union Internationale des Télécommuni- cations – Organisme mondial de normalisa- tion dans le domaine des télécommunications. prévoient dans le sens descendant2 (DL) un débit crête de 20 Gbit/s et un débit moyen de 100 Mbit/s. Dans le sens montant3 (UL), ces débits sont respecti- vement de 10 Gbit/s et 50 Mbit/s. Elles prévoient également une latence de une ms, une densité de connexion de 1 million d’objets à connecter par km2 , 2 Le sens descendant est le sens réseau vers ter- minal ou DL (downlink). 3 Le sens montant est le sens terminal vers réseau ou UL (Uplink). une amélioration de l’efficacité spec- trale d’un facteur trois par rapport à la 4G, avec une capacité de 10 Mbit/s.m2 , et une amélioration d’un facteur 100 de l’efficacité énergétique du réseau. Le 3GPP, organisme mondial de nor- malisation des systèmes mobiles, dé- veloppe pour satisfaire aux exigences d’IMT-2020, les spécifications d’un nouveau système d’accès radio qu’on appelle « New Radio » (NR) ou 5G NR. Pour atteindre les performances cibles La nouvelle radio : évolution ou révolution ? Van Minh Nguyen & Mérouane Debbah Mathematical and Algorithmic Sciences Lab, Huawei France This article describes the principles and techno- logies of 5th generation mobile radio access as specified by 3GPP. A first step in defining the New Radio has been completed with specifications of Release 15. The deve- lopments foreseen in the second stage are also anticipated. ABSTRACT Cet article décrit les principes et les technolo- gies de l’accès radio de la 5e génération de sys- tèmes de téléphonie mobile telle que la spécifie le 3GPP. Une première étape de définition de la nouvelle radio a été achevée avec la version 15 des spécifications. Les évo- lutions prévues dans la deuxième étape sont également évoquées. RÉSUMÉ Figure 1 : Scénarios envisagés pour l’IMT-2020 - Source: UIT-R M.2083-02 (09/2015). 56 ZREE N°3/2018 LA 5G DOSSIER 1 mentionnées ci-dessus, il définit une nouvelle couche physique qui, non seulement s’appuie sur des améliora- tions significatives des technologies existantes, mais également fait appel à de nouvelles technologies telles que le MIMO4 massif (la station de base est équipée d’un réseau d’antennes mas- sif). La définition de NR se fait en deux phases : la phase 1 est une version de transition dénommée NR version 155 et ses spécifications ont été achevées en juin 2018 en visant un déploie- 4 MIMO : Multiple-Input Multiple-Output. 5 Le 3GPP regroupe ses spécifications et leurs évolutions en versions qui regroupent des évolutions de tous les systèmes dont il a la charge, UMTS, LTE, etc… ment commercial à partir de fin 2018. Les spécifications de la phase 2 dans la version 16 et suivantes, sont sup- posées satisfaire toutes les exigences mises en avant par IMT-2020 d’ici fin 2019 : ainsi sont prévues l’améliora- tion du débit pour les services à très haut débit eMBB6 , les communications ultra-fiables à faible latence URLLC7 et les communications de masse de machine à machine (mMTC8 ). Dans ce 6 eMBB : Enhanced Mobile Broadband – Haut debit mobile amélioré. 7 URLLC : Ultra-Reliable Low Latency Commu- nications – Services de communications ultra- fiables et à faible latence. 8 mMTC : Massive Machine Type Communica- tions - Communications de masse de machine à machine. dernier cas, le système doit faire face à une très haute densité de connexion à faible débit et une faible consom- mation d’énergie par connexion. Cet article donne un aperçu des principales caractéristiques de la couche physique de la 5G NR version 15 et de celles at- tendues pour la version 16. La figure 2 donne une vue d’ensemble du contenu de ces deux phases. La phase I de la Nouvelle Radio (NR) Pour faciliter la compréhension de ce qu’est la nouvelle radio on pourra se reporter à la figure 3 qui précise les dif- férents éléments qui la constituent. Figure 2 : Vue d’ensemble du développement de la nouvelle radio – Source : Huaweï. Figure 3 : Les principaux éléments de la couche physique NR - Source : Huaweï. REE N°3/2018 Z 57 La nouvelle radio : évolution ou révolution ? Forme d’onde Pour prendre en compte un large éventail d’applications avec des exi- gences très diversifiées, la nouvelle radio NR requiert une couche physique flexible. Il a fallu donc développer une nouvelle forme d’onde avec un paramé- trage flexible (communément appelé “numérologie”), incluant l’espacement des sous-porteuses et la durée des symboles. La forme d’onde a été un sujet ma- jeur de discussion au sein du 3GPP. Comme le multiplexage OFDM9 avec préfixe cyclique (CP-OFDM) est une forme d’onde répandue qui a démon- tré ses avantages par le passé, le 3GPP a décidé de n’envisager une nouvelle forme d’onde que si de grands gains pouvaient être démontrés. Diverses solutions ont été proposées pour rem- placer le CP-OFDM. Ce sont essentielle- ment des formes d’onde multiporteuses utilisant le principe de l’OFDM tout en exploitant toutes les possibilités d’amé- lioration de l’efficacité spectrale telles que la suppression de l’émission hors bande (OOB10 ) et la réduction du fac- teur de crête (PAPR11 ). Les principales techniques utilisées à cette fin sont le filtrage, le fenêtrage ou encore le pré- codage. Le filtrage est un moyen pour réduire les émissions OOB en appliquant au signal un filtre passe-bande dans le domaine temporel avec une réponse en fréquence prédéfinie. Le F-OFDM12 et l’UFMC13 sont des solutions fondées sur cette approche : l’UFMC évite égale- ment le préfixe cyclique en utilisant un intervalle de garde nul pour chaque sym- 9 OFDM : Orthogonal Frequency Division Mul- tiplexing. 10 OBB : Out of Band leakage suppression. 11 PAPR : Peak to Average Power Ratio – Facteur de crête, rapport entre l’amplitude du pic du signal et la valeur efficace du signal. 12 F-OFDM : Filtered OFDM. 13 UFMC : Universal Filtered Multicarrier. bole OFDM. Puisque le filtre peut être conçu pour chaque bloc de fréquences allouées, l’UFMC considère différentes numérologies simultanément pour dif- férents cas d’application. Cependant, il faut noter que l’UFMC crée des inter- férences inter-symboles (ISI14 ) en rai- son de l’absence de préfixe cyclique et augmente également la complexité de l’émetteur-récepteur. La deuxième technique est le fenê- trage qui consiste à confiner les émis- sions OOB en multipliant les symboles temporels par des coefficients spéci- fiques (raised cosine coefficients). Un exemple de ce type est la technologie FBMC15 qui applique également un suréchantillonnage aux données dans le domaine fréquentiel. Bien que la technologie FBMC puisse réduire les émissions PAPR et OOB, elle engendre tout de même des interférences inter- symboles et augmente la complexité de l’intégration du récepteur et de la transmission MIMO. Une autre solution possible est le multiplexage par réparti- tion en fréquence généralisée (GFDM16 ) qui utilise également le fenêtrage pour réduire les émissions OOB. GFDM re- groupe ainsi plusieurs symboles OFDM dans un bloc avec un préfixe cyclique. Malgré un OOB réduit, il nécessite un récepteur complexe pour gérer l’ISI et augmente la latence en raison du traite- ment du bloc de symboles. La troisième technique est le préco- dage, qui est un traitement linéaire des données dans le domaine fréquentiel afin de réduire l’émission OOB et le PAPR. La technologie DFT-s-OFDM17 utilise ce principe et réduit significative- ment le PAPR. Elle été adoptée dans la liaison montante du LTE. Diverses va- 14 ISI : Inter Symbol Interference. 15 FBMC : Filter Bank Multicarrier. 16 GFDM : Generalized Frequency Division Mul- tiplexing. 17 DFT-s-OFDM : Discrete Fourier transform (DFT) spread OFDM. riantes de DFT-s-OFDM ont également été proposées pour la NR. Après une analyse intensive des propositions de forme d’onde, la déci- sion du 3GPP fut de considérer que la couche physique de la liaison descen- dante de la 5G NR serait basée sur la forme d’onde CP-OFDM et OFDMA pour l’accès multiple. Ceci entraîne en particulier une réduction de la bande de garde qui passe de 10 % dans la tech- nologie LTE à près de 4 % dans la tech- nologie NR. Pour la liaison montante, DFT-s-OFDM avec préfixe cyclique a été retenu. Le gain sur les bandes de garde a été un élément de décision important dans la mesure où l’agrégation de por- teuses sera fréquemment utilisée. De plus, ces techniques offrent une bonne compatibilité avec le MIMO. Numérologie et structure des trames Dans la 5G, la numérologie et la structure des trames sont beaucoup plus souples et génériques qu’en LTE. La numérologie OFDM fournit de nom- breuses configurations pour prendre en charge un large éventail de services et de dispositifs avec diverses bandes de fréquences et des scénarios de déploie- ment différents. A titre d’exemple, la NR fonctionnera dans des bandes de fré- quences millimétriques qui offrent des canaux à très large bande. Il est dans ce cas avantageux de laisser l’espace- ment des sous-porteuses croître avec la bande passante du canal afin d’évi- ter une augmentation de la complexité du traitement. Plus précisément, dans le domaine fréquentiel, l’unité d’allo- cation de ressources minimale est un bloc de ressources (RB18 ) qui s’étend sur 12 sous-porteuses consécutives. L’espacement des sous-porteuses peut prendre plusieurs configurations avec un espacement de base de sous-por- 18 RB : Ressource Block – Bloc de ressources. 58 ZREE N°3/2018 LA 5G DOSSIER 1 teuses de 15 KHz. Les autres configu- rations sont de 2+ x 15 Hz où μ prend des valeurs entières de 0 à 4, et sont appelées configurations d’espacement de sous-porteuses. Ainsi, le plus grand espacement des sous-porteuses est de 240 KHz (avec la possibilité d’atteindre 480 kHz ultérieurement). Cette tech- nique permet en particulier le multiplex- age de services qui utilisent différentes largeurs de bande. Dans le domaine temporel, la lon- gueur du préfixe cyclique est définie en fonction de la configuration d’es- pacement des sous-porteuses. Fonda- mentalement, puisque l’espacement des sous-porteuses se déduit de l’es- pacement de la sous-porteuse de base en le multipliant par un facteur 2+, le temps du symbole OFDM est déduit du temps de symbole OFDM de base en lui appliquant un facteur de 2-+ (figure 4). Le premier rôle du préfixe cyclique est d’éviter l’interférence entre symboles OFDM. En conséquence, d’un point de vue de conception, il est nécessaire que le préfixe cyclique soit plus long que l’étalement temporel (delay spread) du canal en question. Donc pour certaines applications qui peuvent introduire un étalement temporel élevé comme par exemple les services broadcast et multicast (MBMS19 ), la NR introduit également un préfixe cyclique étendu pour la configuration d’espacement de sous-porteuse μ = 2 (voir le tableau 1). Les liaisons descendante (DL) et montante (UL) font appel à une trame radio de 10 ms composée chacune de 10 sous-trames de 1 ms. Contrairement à la sous-trame LTE qui consiste en deux slots de sept symboles OFDM chacun, une sous-trame NR est formée par un ou plusieurs slots adjacents, chaque slot étant constitué de 14 symboles OFDM consécutifs. La configuration de 19 MBMS: Multimedia Broadcast Multicast Ser- vice la structure de trame est donnée dans le tableau 2. La figure 4 schématise la structure de la trame de la nouvelle radio. Un symbole OFDM dans un slot peut être classé comme « DL », « DL ou UL », ou enfin « UL », il peut respectivement être utilisé pour le canal descendant, l’un ou l’autre des canaux ou enfin le canal montant. Il y a au total 56 formats de slot qui sont déjà spécifiés (pour le préfixe cyclique normal) dans lequel les formats 0 et 1 correspondent à des slots dont tous les symboles OFDM sont Configuration d’espacement de sous-porteuses + Espacement des sous-porteuses 6f = 2+  15kHz] Type de préfixe cyclique 0 15 Normal 1 30 Normal 2 60 Normal, Etendu 3 120 Normal 4 240 Normal Tableau 1: Numérologie de la 5G NR. Configuration d’espacement de sous-porteuses + Espacement des sous-porteuses 2+15 KHz Nombre de sous-trames par trame Nombre de slots par sous-trame 2+ Nombre de symboles OFDM per slot 0 15 10 1 14 1 30 10 2 14 2 60 10 4 14 (12 pour CP étendu) 3 120 10 8 14 4 240 10 16 14 Tableau 2 : Structure des trames pour le préfixe cyclique normal. Figure 4 : Structure de la trame NR. REE N°3/2018 Z 59 La nouvelle radio : évolution ou révolution ? utilisés en liaison descendante et en liaison montante, respectivement. Ces deux formats sont pratiquement des- tinés au mode de duplexage en fré- quence (FDD 20 ). Les autres formats sont une combinaison de symboles de liaison descendante, flexible et de liaison montante, ce qui permet au système de s’adapter facilement aux conditions du trafic. Ils sont donc utilisés pour le mode de duplexage en temps (TDD21 ). Ainsi une station de base peut allouer les différents slots aux canaux montants et descendants en fonction du trafic au- quel elle a à faire face. Elle en informe les terminaux sous couverture via une procédure de couche supérieure. Cette procédure permet en particulier un changement de format de slot dans le temps : le rythme de changement est configurable et déterminé par la station de base. A part les formats 0 et 1 qui sont exclusivement réservés à la transmission descendante, et montante, respective- ment, les autres formats contiennent des symboles des liaisons descendante 20 FDD : Frequency Division Duplexing. 21 TDD : Time Division Duplexing. et montante à la fois. Ce principe d’af- fectation souple appelé self-contained slot est une des nouveautés introduites par la NR. L’intérêt principal de ce con- cept est de permettre au système d’en- voyer les informations de commande et les signaux balise nécessaires dans chaque slot22 : elles peuvent être portées par les premiers et les derniers sym- boles OFDM du slot. Cela présente de nombreux avantages, notamment une grande souplesse pour véhiculer des informations de commande sans avoir besoin d’attendre d’autres slots, une commutation TDD plus rapide, une faible latence avec la possibilité de transporter des données et de signaux d’accusé de réception dans le même slot et enfin une utilisation efficace de la technologie du MIMO massif en TDD en permettant de transporter les pilotes qui serviront à l’évaluation du canal dans le même slot que les données utilisateur. Le spectre Pour répondre à la demande des ser- vices diversifiés, la NR doit pouvoir utiliser 22 En système 4G LTE, cela nécessite deux slots TDD consécutifs. des bandes de fréquences appartenant à différents segments du spectre. En plus des bandes couramment allouées aux réseaux mobiles pour satisfaire l’exigence de débits très élevés, il est nécessaire de disposer de bandes pas- santes très larges qui ne peuvent être satisfaites qu’avec l’utilisation de bandes de fréquences centimétriques et mil- limétriques. La NR étant conçue pour pouvoir fonctionner dans des bandes al- lant de 400 MHz à 100 GHz, la phase 1 des spécifications se concentre sur les bandes de 400 MHz à 50 GHz tandis que la phase 2 et les phases suivantes chercheront à exploiter les bandes supérieures, de 50 GHz à 100 GHz. La figure 5 décrit les bandes visées pour la NR et l’état de leur affectation. Dans les bandes de fréquences infé- rieures à 6 GHz, la bande passante des canaux peut atteindre 100 MHz et peut aller jusqu’à 400 MHz dans les bandes au-dessus de 6 GHz. L’agrégation de plusieurs bandes discontinues pour constituer des bandes plus larges sera également utilisée pour atteindre des débits de données élevés. En revanche, les bandes de basses fréquences telles Figure 5 : Les fréquences envisagées pour la NR - source : Huawei. 60 ZREE N°3/2018 LA 5G DOSSIER 1 que la bande de 700 MHz seront plus adaptées pour une couverture profonde adaptée à l’Internet des objets, aux communications de type machine et aux services URLLC. Dans les bandes de fréquences inférieures à 6 GHz, la bande C (3,3 – 4,2 GHz et 4,4 - 5 GHz) est en train d’émerger en tant que bande primaire pour l’introduction de la 5G d’ici 2020. Sa principale utilisation sera le MIMO massif pour fournir une capacité élevée et étendre la couverture. En revanche, comme l’atténuation de propagation augmente avec la fréquence, la couver- ture de cette bande de fréquences est restreinte par rapport à celle d’un réseau 4G LTE à 1,8 GHz par exemple. Compte tenu de la puissance de transmission limitée des terminaux, une couverture identique à celle de LTE imposerait en principe une densification de réseau et donc des investissements en nouveaux sites radio. Afin d’éviter cela, la NR pro- pose un mécanisme appelé « décou- plage UL-DL23 » qui consiste à combiner une bande de fréquences basse (de 700 MHz à 2 100 MHz) pour la liai- son montante avec une bande de fré- quences haute (dans la bande C) pour la liaison descendante. Il permet donc d’atteindre un débit de liaison descen- dante élevé et une bonne couverture pour la liaison montante sans engen- drer de nouveaux coûts de densifica- tion du réseau 5G. Dans ce cadre, un 23 Ou en anglais : downlink/uplink decoupling. problème reste à résoudre : comment assurer la coexistence, dans une bande de 700 MHz à 2 100 MHz, des liaisons montantes de deux systèmes 4G LTE et 5G NR ? C’est actuellement un sujet d’étude au sein de 3GPP. MIMO massif La technologie du MIMO massif est une des technologies phares de la 5G. A la base, MIMO utilise un réseau d’an- tennes pour former de multiples flux de données en parallèle, ou pour renforcer le rapport signal sur bruit en exploitant la diversité du canal radio. Le premier cas de figure permet d’augmenter le débit alors que le second permet d’améliorer la qualité de liaison radio. Dès la version 13 de LTE, le 3GPP a développé une technologie 3D MIMO (Full Dimension MIMO) en utilisant des réseaux d’antennes capables de créer des flux de données formés par des faisceaux en trois dimensions (figure 6). Cette technologie augmente plus le dé- bit que le MIMO à deux dimensions car le nombre de flux pouvant être envoyés simultanément est plus grand. La version 15 de la NR continue dans cette direction en introduisant des réseaux d’antennes de plus grande taille avec un nombre accru de données mul- tiplexées. Une contrainte importante pour obte- nir un gain de multiplexage en MIMO massif est de pouvoir obtenir des infor- mations précises sur l'état actuel du canal (CSI24 ), vers chacun des terminaux dans la zone de couverture. Ces informa- tions doivent être disponibles au niveau de l’émetteur afin que celui-ci adapte le signal à émettre à la réponse impul- sionnelle du canal (opération appelée précodage). La précision du CSI doit être encore plus grande pour la technologie du MIMO massif, car les interférences entre faisceaux augmentent avec le nombre de flux. La quantité d’information liée au CSI à acquérir augmente linéaire- ment avec la taille du réseau MIMO. Les algorithmes d’acquisition du CSI jouent donc un rôle central en MIMO massif. La NR prévoit deux méthodes d’acquisition du CSI. La première, basée sur la récipro- cité du canal, est exploitable en mode TDD : elle consiste à faire envoyer par le terminal (UE25 ) sur la liaison montante des signaux de référence de sondage (SRS26 ) ou pilotes. Leur réception par la station de base lui permet d’estimer le canal radio montant ; elle utilise le résultat de l’estimation pour effectuer le précodage du signal émis avec le MIMO. La seconde méthode est une acquisition bidirectionnelle du CSI : la station de base envoie des signaux de référence CSI descendants (DL CSI-RS), les résul- tats des estimations du récepteur de l’UE étant renvoyés à la station de base via un canal de liaison montante. 24 CSI : Channel State Information : Information d’état du canal. 25 UE : User Equipment. 26 SRS : Sounding Reference Signal. Figure 6 : MIMO. A gauche : MIMO en une dimension avec le multiplexage de flux de données sur le plan horizontal. Au milieu : MIMO en deux dimensions avec multiplexage pour un utilisateur. A droite : MIMO en trois dimensions avec multiplexage pour de multiples utilisateurs - Source : Samsung 3GPP RAN1. REE N°3/2018 Z 61 La nouvelle radio : évolution ou révolution ? Il est clair que le mode FDD ne peut être utilisé qu'avec l'acquisition CSI bidi- rectionnelle en raison de l'absence de réciprocité de canal. L’estimation du canal avec une haute précision pour le mode FDD a été un sujet d’étude majeur. La version 15 utilise principale- ment le CSI feedback basé sur les code- book comme dans le LTE Pro (version 14). Des protocoles de feedback plus avancés, appelés Type II, permettant une acquisition du CSI de plus grande précision sont prévus pour la phase 2 comme par exemple l'acquisition et le précodage du CSI basés sur les statis- tiques du canal. En termes de conception d'an- tenne, l'utilisation de bandes à haute fréquence telles que les fréquences millimétriques, qui ont une longueur d'onde courte, est bénéfique pour réduire la taille du réseau d'antennes. La 5G NR fournit également des méca- nismes pour prendre en charge plu- sieurs panneaux d'antenne à la station de base. Il faut noter que la technolo- gie du MIMO massif augmente consi- dérablement la complexité des chaînes radio-fréquences ; la formation de faisceau hybride27 est une approche couramment utilisée pour atteindre un bon compromis entre la réduction des performances et celle de la complexité. Codage de canal Le codage de canal est en forte évo- lution par rapport au codage utilisé dans les générations précédentes. Les codes convolutifs et les turbo-codes, qui ont été les schémas de codage de troisième et quatrième génération, sont rempla- 27 Hybrid beamforming : c’est une technique qui vise à implémenter les chaînes radio qui forment les flux de données en utilisant des composants analogiques et numériques en même temps. En effet les fréquences très éle- vées sont très difficiles à traiter purement en numérique ; une combinaison de traitements numériques et analogiques permet d’obtenir un beamforming efficace à ces fréquences. cés par des codes polaires et des codes LDPC28 pour les canaux de commande et de données, respectivement. L’une des principales motivations du passage des turbo-codes aux codes LDPC est l’exigence d’un débit de don- nées élevé avec une large gamme de tailles de blocs de transport et de taux de codage. Fondamentalement, les codes LDPC sont étroitement liés aux turbo-codes dans la mesure où ils uti- lisent un décodage de type Message Passing dans lequel les informations sont propagées à l’intérieur d’une structure de graphe. Cependant, les codes LDPC permettent des gains de codage légèrement supérieurs avec un taux d’erreur inférieur aux turbo-codes. En outre, les codes LDPC nécessitent moins d’opérations que les turbo-codes pour atteindre le même taux d’erreur de bloc cible pour un rapport signal sur bruit donné. Enfin, un décodeur LDPC peut se décomposer en un plus grand nombre de sous-structures indépendantes, ce qui permet un plus grand parallélisme et se traduit par une meilleure efficac- ité d’implémentation matérielle et de vitesse de traitement. Bien que les codes LDPC soient plus flexibles que les turbo-codes, ils pré- sentent des performances inférieures pour les blocs courts et les faibles taux de codage, qui sont les scénarios d’appli- cation typiques des canaux de contrôle, de l’URLLC et du mMTC. Parmi les can- didats, les codes polaires affichent des performances intéressantes avec une complexité d’implémentation moindre pour les petites longueurs de blocs. Des codes polaires ont été normalisés pour les canaux de contrôle dans les scé- narios eMBB de la 5G. L’évolution des codes polaires pour les cas d’utilisation restants, y compris l’URLLC et mMTC, est encore à l’étude. 28 LDPC : Low Density Parity Check Codes - contrôle de parité de faible densité. La phase II de la NR Pour répondre pleinement aux exi- gences d’IMT-2020, la phase 2 exploi- tera plusieurs technologies afin d’en augmenter encore la capacité, de ré- duire de manière significative le temps de transfert des données (latence) et de fournir des communications à haute fiabilité. Amélioration supplémentaire de l’eMBB Innovation clé dans les communica- tions sans fil, la technologie du MIMO massif est toujours considérée comme le principal moyen de satisfaire les objectifs d’efficacité spectrale. En com- binant le MIMO massif et des bandes passantes plus larges – disponibles dans les bandes de fréquences plus élevées – la NR verra une augmentation de sa capacité. Bien que le MIMO mas- sif ait été entièrement pris en charge dès la version 15, la phase 2 vise des réseaux d’antennes encore plus grands avec la formation de faisceau intelligent (Intelligent beamforming) et le suivi des faisceaux (beam tracking) afin d’at- teindre l’objectif de capacité crête : pour ce faire, des réseaux d’antennes avec 256 éléments sont étudiés. Le passage à des bandes de fréquences plus éle- vées facilitera également le respect de la contrainte de distance minimale entre antennes d’une demi-longueur d’onde, et permettra l’utilisation de grandes ma- trices d’antennes. Dans les bandes de fréquences inférieures à 6 GHz, où le FDD est le mode dominant, des sché- mas plus avancés pour l’évaluation de canal (CSI feedback) de haute précision sont à l’étude dans la version 16. Spectre sans licence et haute fréquence Afin d’augmenter les débits offerts, on envisage en phase 2 de permettre l’utilisation de bandes à haute fré- quence et des bandes utilisables sans li- 62 ZREE N°3/2018 LA 5G DOSSIER 1 cence. Le recours à des fréquences plus élevées qu’en phase 1 doit permettre d’atteindre des largeurs de bande encore plus grandes. Les avancées en traitement du signal et technologies d’antennes rendent possible l’exploita- tion des fréquences entre 50 GHz et 100 GHz. Dans la phase 2, on envisage de considérer tous les types de spectre et de nouveaux mécanismes de partage du spectre. On devrait ainsi par exemple permettre à la NR d’utiliser les bandes du Wi-Fi, comme LTE est capable de le faire avec LAA29 , seules ou en combinai- son avec des fréquences sous licence. Accès multiple non orthogonal L’accès multiple est une importante caractéristique des systèmes de com- munication sans fil permettant aux utilisateurs d’accéder au support radio qui est commun à tous les utilisateurs d’une même cellule. En raison des inter- férences du milieu sans fil, les systèmes d’accès multiple allouant des ressources radio orthogonales à différents utilisa- teurs sont souvent privilégiés tels que l’accès multiple par répartition dans le temps en GSM ou l’OFDMA dans les systèmes 4G LTE. Leurs avantages sont évidents : ils évitent les interférences entre les utilisateurs et simplifient la conception des émetteurs-récepteurs. Les limitations de l’accès multiple or- thogonal sont également évidentes : le nombre d’utilisateurs devant être servis simultanément est limité au pool de ressources radio disponibles, et l’allo- cation de ressources induit d’impor- tants échanges de signalisation qui accroissent la latence. Comme l’objectif de la NR est non seulement d’augmen- ter l’efficacité spectrale, mais aussi de permettre une densité de connexion massive et de fournir des services cri- tiques nécessitant surtout une faible latence et une haute fiabilité, il est 29 LAA : Licensed Assisted Access. nécessaire de concevoir une nouvelle approche de l’accès multiple. L’accès multiple non orthogonal (NOMA30 ) a été identifié comme un élément clé de la phase 2. Fondamentalement, NOMA s’appuie sur de nouvelles techniques afin d’assouplir la contrainte d’allocation de ressources radio orthogonales. L’objectif est de permettre à davantage d’utilisateurs de communiquer simultanément avec la même quantité de ressources radio et de permettre une allocation de ressources avec une complexité raisonnable et donc d’augmenter la densité de connexions. Dans le processus de normalisation, un schéma NOMA pour la liaison descen- dante, appelé transmission superposée multi-utilisateurs (multi-user superposed transmission), a été étudié depuis la version 13. Pour la liaison montante, plus de 15 schémas ont été proposés, notamment SCMA31 , NCMA32 , RSMA33 ou encore GOCA34 . L’évaluation de leur performance et de leur complexité né- cessite des travaux complémentaires avant de décider du schéma final à rete- nir. Des techniques plus avancées telles que les communications basées sur des treillis pour l’alignement des inter- férences peuvent également ouvrir de nouvelles directions à NOMA à l’avenir. Prise en charge complète des communications ultra-fiables à faible latence (URLLC) Les communications ultra-fiables à faible latence sont une des exigences importantes auxquelles la 5G doit répondre. Elles constituent un des su- jets essentiels dans la définition de la phase 2. A la différence des générations antérieures qui visaient principalement les services de communication entre 30 NOMA : Non Orthogonal Multiple Access. 31 SCMA : Sparse Code Multiple Access. 32 NCMA : Non orthogonal Coded Multiple Access. 33 RSMA : Resource Spread Multiple Access. 34 GOCA : Group Orthogonal Coded Access. personnes puis l’accès à Internet, la cinquième génération est conçue pour offrir une gamme d’applications beau- coup plus large incluant des services de communication critiques entre ma- chines comme la commande à distance en temps réel, les communications véhiculaires ou encore l’automatisation industrielle. Cette catégorie de services impose la transmission de paquets courts avec une grande fiabilité et un délai de transmission très court. Ainsi de nouvelles exigences de performance s’ajoutent à celles qui s’appliquaient aux systèmes antérieurs. Par exemple l’UIT demande que la 5G soit capable de transmettre un message de 32 octets en une milliseconde avec une probabi- lité de défaillance inférieure à 10-5 . Le 3GPP fixe une exigence plus stricte qui est d’atteindre une telle fiabilité avec une latence moyenne de 0,5 ms sur plusieurs transmissions. Il convient de noter que la latence du service com- prend tous les retards qui se produisent pendant la transmission de bout en bout, tels que le traitement matériel, la traversée du réseau central et la trans- mission sur le segment radio. L’exigence ci-dessus spécifiée par l’UIT et le 3GPP ne représente que la latence de l’inter- face radio, qui n’est donc qu’une fraction de la latence de bout en bout. Une première direction pour obte- nir une faible latence est de raccourcir le temps d’accès au canal. Outre les numérologies flexibles décrites dans les sections précédentes, la NR intro- duit le concept de mini-intervalles (ou mini-slots) qui peuvent démarrer à n’im- porte quel symbole OFDM et peuvent avoir des longueurs variables de 2, 4 ou 7 symboles. Les mini-intervalles offrent donc des possibilités de trans- mission plus fréquentes, de sorte que les services URLLC peuvent accéder rapidement au canal lorsque des don- nées sont à émettre. Les numérologies flexibles et les mini-intervalles sont des REE N°3/2018 Z 63 La nouvelle radio : évolution ou révolution ? caractéristiques de conception clés pour les communications à faible latence. En outre, la NR utilise une planification semi-persistante qui autorise périodi- quement des UE à accéder à la liaison montante de sorte que le retard dû au processus de demande et d’octroi de ressources est évité. La planification de la préemption des ressources est égale- ment une autre méthode utilisée dans la NR pour réduire le temps d’attente en permettant aux services les plus prioritaires d’utiliser les ressources des services de priorité inférieure en cas de limitation des ressources. Il est à noter que la fiabilité de la communication a été obtenue jusqu’à présent grâce à une combinaison de codage de canal, de mécanismes de retransmission tels que la demande de répétition automa- tique hybride (HARQ35 ), et de diversité telle que STBC36 . En raison de l’exigence stricte sur la latence, de telles techniques de retransmission, de diversité dans le domaine temporel ou spatial en boucle fermée ne sont pas satisfaisantes. Bien que la diversité reste une piste clé pour atteindre la fiabilité, elle nécessite de mettre en place d’autres schémas qui reposent sur des constructions dans les domaines fréquentiels et spatiaux. Par exemple, le précodage cyclique est un schéma de diversité de transmis- sion en boucle ouverte qui utilise des matrices de précodage prédéfinies dans le domaine fréquentiel pour la diversité. Des schémas plus avancés tels que les codes en blocs spatio-fréquentiels sont en discussion pour la version 16. Communications cellulaires véhiculaires V2X (C-V2X) Les communications V2X37 appa- raissent comme une technologie clé 35 HARQ : Hybrid Atomatic Repetition reQuest. 36 STBC : Space Time Block Code – Codes en blocs spatio-temporels. 37 V2X : Vehicle to anything – qualifie tous les types de communications à partir d’un véhicule. pour les systèmes de transport intel- ligents et les véhicules connectés ou autonomes permettant aux véhicules de communiquer entre eux (V2V), de communiquer avec l’infrastructure de gestion du trafic (V2I) et les piétons (V2P). Les communications cellulaires V2X fournissent ces services via les infrastructures de communication cellu- laire au lieu, par exemple, de communi- cations directes de véhicule à véhicule en mode ad-hoc : elles devraient four- nir de meilleures garanties de qualité et de coordination. Malgré l’ajout d’une certaine latence due aux relais sur le réseau, les communications cellulaires V2X sont un cas d’application important de l’URLLC de la 5G comme cela a été décrit plus haut. Plusieurs cas d’utilisa- tion de C-V2X ont été définis depuis la version 14 : la NR apportera des amélio- rations significatives comme des fonc- tions de sécurité supplémentaires. Communications massives de type machine (mMTC) Dans les scénarios envisagés pour l’Internet des objets (IoT), y compris la maison intelligente et la ville intelli- gente, les appareils électroniques sont capables de communiquer sans inter- vention humaine. Les communications de type machine sont une nouvelle forme de communication qui doit être prise en compte par les réseaux. Par exemple, LTE a introduit le Narrow- Band IoT (NB-IoT) avec des UE de caté- gorie 1 permettant des transmissions de faible puissance et offrant un service de transport analogue à celui offert par les réseaux LPWA38 à des applications comme le comptage, le suivi, le traçage ou encore la télésurveillance électro- nique et le contrôle à distance. Selon les dernières conclusions provisoires 38 LPWA : Low Power Wide Area Network – Ré- seau longue portée à faible consommation : un des types de réseau capable de porter des services IoT. LES AUTEURS Van Minh Nguyen est chercheur au sein du Laboratoire de mathéma- tiques et algorithmiques de Huawei à Paris. C’est un spécialiste des couches physiques de la 4G et de la 5G, ayant travaillé plus de 10 ans dans l’industrie des télécoms. Il a, en particulier, eu des contributions im- portantes au développement de la technologie MIMO massif en mode FDD. Merouane Debbah dirige le centre de recherche de Huawei à Paris depuis 2014 et est professeur à CentraleSupélec. C’est un spécialiste des réseaux de télécommunications ayant reçu de nombreux prix pour ses contributions dans le domaine de la 5G, en particulier pour le dé- veloppement de la technologie du MIMO massif. 64 ZREE N°3/2018 LA 5G DOSSIER 1 du 3GPP pour la version 16, les cas d’utilisation de type LPWA continueront d’être traités par l’évolution de LTE MTC (appelé eMTC) et NB-IoT avec des amé- liorations comme une meilleure couver- ture et une baisse de la consommation d’énergie. Dans la vision de l’UIT, le domaine d’application de la communication de machines (MTC) doit être considé- rablement élargi et doit comprendre des cas d’utilisation qui ne sont pas limités uniquement à LPWA mais cor- respondent aussi à la desserte de très nombreux objets dans une zone géo- graphique donnée. Le réseau 5G doit prendre en charge une densité mas- sive de connexions avec des objets qui doit pouvoir atteindre un million de connexions par km². Bien que la liaison montante de la NR ait une capacité et une couverture beaucoup plus élevées que celles des systèmes antérieurs, la capacité d’accès multiple actuelle (avec une consommation raisonnable des res- sources spectrales) n’est clairement pas suffisante pour supporter une densité massive de MTC. La difficulté est encore exacerbée par la demande de desserte d’UE engendrant un débit de données plus élevé que les classiques UE de l’IoT : en effet les camé- ras de vidéosurveillance sont considé- rées comme un nouveau cas d’utilisation prometteur de la communication MTC en 5G. La définition des moyens néces- saires à la satisfaction des besoins du type mMTC est par conséquent l’un des principaux objectifs de la NR phase 2. Les numérologies flexibles de la NR sont un élément clé pour la satisfaction des besoins de mMTC, mais elles ne sont pas suffisantes : il faudra considérable- ment améliorer sa capacité d’accès mul- tiple en liaison montante pour atteindre des densités de connexions répondant aux objectifs pour mMTC. À cette fin, le développement de systèmes NOMA effi- caces pour la liaison montante et la liai- son descendante sera la cible principale de la phase 2 de la NR. Conclusion La flexibilité inhérente de la 5G NR offre d’innombrables opportunités pour les nouveaux services du monde connecté. La phase 2 doit permettre d’ici fin 2019 d’avoir une solution complète permettant de répondre aux prérequis de la difficile équation eMBB-URLLC- mMTC. Comme toutes les générations de réseaux cellulaires précédentes, les phases 1 et 2 de la nouvelle radio ne se- ront qu’un point de départ : elle va conti- nuer à évoluer pour satisfaire les besoins des nouveaux services de demain.