Solution de génération et d'analyse de spectre à 300 GHz d'Anritsu.

Quels défis posent le passage à la 6G et à la technologie sub-Térahertz ?



  • Comme toujours dans le monde des communications et des technologies de l’information, alors que le marché adopte progressivement les technologies de dernière génération, les développeurs ont déjà les yeux braqués sur la « prochaine vague », en envisageant les technologies qui seront nécessaires dans cinq à dix ans. C’est notamment le cas de la 5G.
  • Alors que les réseaux de communication mobile de 5ème génération sont en cours de déploiement dans le monde entier, les recherches ont déjà démarré pour explorer les pistes technologiques nécessaires à l’avènement des réseaux de communication mobile de sixième génération (6G).
  • Du spectre disponible à la formation de faisceau, Jonathan Borrill d’Anritsu présente quelques uns des défis que devront surmonter les technologies de communication 6G.

 

Par Jonathan Borrill, Chef de la Technologie pour le marché international, chez Anritsu

 
Les opérateurs de réseaux sans fil – et même les utilisateurs – ont toujours été très conscients des restrictions de bande passante pour la capacité des canaux (en Hz), et aussi de la congestion croissante du spectre radio. Il n’y a pas si longtemps, la 3G avec sa bande passante de 5 MHz était considérée comme adéquate, mais elle a rapidement cédé la place à la 4G (20 MHz). Comme nous le savons, la 5G supplante progressivement la 4G, avec des bandes passantes allant jusqu’à 8x 100 MHz, et la transition vers cette technologie est encore en cours.

Alors que l’industrie (et le public) vit cette transition, il est déjà clair que l’espace spectral est déjà sérieusement encombré. Nous devons donc aller plus loin, et nous tourner vers la 6G.

Notez au passage que la bande passante n’est pas le seul problème, l’autre facteur crucial de la technologie des réseaux sans fil est la couverture. Les réseaux « sub-1 GHz » (sous le GHz) offrent une couverture décente, mais la 5G avec les communications par satellite (réseaux non terrestres) peut offrir une bien meilleure couverture, notamment dans les zones traditionnellement difficiles à atteindre. Toutefois, il est juste de dire que l’évolution vers la 6G n’est pas motivée par des exigences de couverture, mais par des besoins de bande passante.

Spectre disponible

En termes simples, si l’on veut trouver 100 MHz de spectre disponible, dans la bande 1 GHz c’est très difficile (cela représente 10% du spectre) alors qu’à 100 GHz c’est beaucoup plus facile, puisque cela ne représente que 0,1% du spectre disponible. La solution semble donc toute simple : en passant à des fréquences plus élevées, il est d’autant plus facile de trouver de la bande passante. Malheureusement cela ne marche pas. Le problème est que les lois physiques de propagation des ondes radio jouent contre nous lorsque l’on va vers les fréquences très élevées.

Cette question n’est pas nouvelle. Elle est connue depuis 1948, date à laquelle Claude Shannon a publié un article sur les principes de la théorie de l’information et du codage des erreurs. Ses travaux portaient sur la capacité maximale de transmission de données sur un support de communication en présence de bruit. Il a constaté que multiplier par 10 la largeur de bande du canal augmentait la capacité dudit canal dans les mêmes proportions, mais qu’une multiplication par 10 du rapport signal/bruit (SNR) ne permettait que de doubler la capacité. Cela ne signifie pas pour autant qu’il faille écarter la piste SNR, puisqu’en l’optimisant, on peut maximiser la capacité du canal pour une bande passante donnée.

Ces derniers temps, de nombreuses recherches ont été menées sur la manière de contourner le problème lié à l’adoption de fréquences de plus en plus élevées, en particulier sur ce qu’il convient de faire pour pouvoir aller au-delà de la 5G. La solution dont il est question actuellement fait appel à la « technologie sub-Térahertz (THz) ».

Pour pouvoir profiter des avantages de la 6G, il est important de minimiser les facteurs susceptibles de réduire la densité de puissance (l’affaiblissement) des ondes électromagnétiques. La physique montre que l’affaiblissement du rayonnement d’une antenne isotrope augmente proportionnellement à la fréquence, de sorte qu’une multiplication par 10 de la fréquence entraîne une multiplication par 100 des pertes. Ce problème peut être résolu en installant une grande antenne émettrice (Tx) dont le faisceau est contrôlé pour s’aligner avec celui d’une antenne réceptrice (Rx), afin d’établir une liaison radio fiable. L’utilisation de fréquences plus élevées est affectée par les pertes d’atténuation atmosphérique causées par les petites particules comme les gouttes de pluie ou la poussière, et même par certaines structures moléculaires telles que H2O (eau) et CO2 (gaz carbonique ou dioxyde de carbone). En passant de 10 GHz à 1 THz, l’atténuation augmente, mais les niveaux de propagation restent assez bons à 35 GHz, 94 GHz, 140 GHz, 220 GHz et 360 GHz. Les deux premières bandes correspondent à l’activité 5G actuelle, tandis que les trois suivantes servent surtout à la surveillance météorologique par satellite et aux radars militaires et d’imagerie. La dernière bande (360 GHz) a été envisagée pour la mise en œuvre de la 6G.

Bande passante virtuelle

Une autre option envisagée par les chercheurs est l’utilisation de « canaux virtuels » entre émetteur et récepteur. La théorie montre qu’au lieu de se limiter aux contraintes physiques de la largeur de bande des canaux, on peut créer des canaux virtuels en s’appuyant sur la technologie MIMO (Multiple Input Multiple Output). Déjà utilisé en 3G, 4G et 5G, le MIMO utilise plusieurs antennes côté émission et plusieurs côté réception, pour tirer parti des différences de trajet entre antennes Tx et Rx, pour générer des canaux distincts. Pour aller plus loin, le « MIMO de masse » utilise beaucoup plus d’antennes Tx que d’antennes Rx pour fournir des liaisons MIMO à plusieurs dispositifs simultanément, ce qui augmente considérablement la capacité d’une cellule en termes de données utilisateur.

Toutefois, des problèmes se posent lorsque l’on opère dans les bandes THz, car la complexité de calcul peut s’avérer extrêmement élevée, et affecter les gains de performance offerts par le MIMO. Pour la 6G, les chercheurs ont envisagé de créer de nouveaux algorithmes faisant appel à l’intelligence artificielle (IA) et à l’apprentissage machine (ML), car leur puissance de calcul permet d’obtenir des niveaux de capacité supérieurs, afin d’obtenir un gain MIMO plus important et d’utiliser le MIMO aux fréquences Térahertz.

Un autre aspect envisagé pour les futurs réseaux 6G est l’utilisation de méta-matériaux. Il s’agit de média électromagnétiques artificiels à une échelle inférieure à la longueur d’onde du signal, qui permettent de gérer et de contrôler la réflexion des signaux, et ainsi de créer un chemin de canal « artificiel ». Ces canaux peuvent alors être ajustés pour assurer une réflexion optimale du signal, afin d’obtenir un trajet direct entre émetteur (Tx) et récepteur (Rx). Des chercheurs ont constaté que si une approche à bande passante limitée impliquait un rapport signal/bruit très élevé, des schémas de modulation complexes et un système MIMO 4×4, une bande passante THz plus large était en mesure d’offrir des débits de données beaucoup plus élevés, même avec un rapport signal/bruit faible et sans système MIMO.

Formation et gestion des faisceaux

Lors du passage à la technologie sub-THz utilisant des réseaux d’antennes de masse, la formation et la gestion des faisceaux sont cruciales. Les faisceaux directionnels de forte puissance générés par des émetteurs multiples permettent de compenser l’affaiblissement en produisant une sortie plus élevée qu’un émetteur unique, mais cette puissance combinée doit ensuite être transformée en un faisceau puissant, étroit et à gain très élevé, capable d’atteindre le récepteur.

La formation optimale de faisceaux peut garantir une dynamique élevée et une grande flexibilité à des coûts et avec des niveaux de consommation d’énergie raisonnables, mais les liaisons de communication à haute fréquence doivent être protégées contre toute diffusion et diffraction du signal. Une gestion efficace des faisceaux assure que ces faisceaux étroits puissent être alignés et maintenus lorsque les utilisateurs se déplacent au sein du réseau. Actuellement, la gestion des faisceaux 5G utilise un système de signaux de référence et de mesures par l’équipement utilisateur (UE), qui peuvent entraîner une surcharge importante sur la capacité du canal. Pour avancer efficacement vers la 6G, des recherches supplémentaires doivent être menées pour développer une technologie plus avancée de gestion des faisceaux.

Dans le domaine des communications sans fil utilisant des bandes de fréquences hautes sub-Térahertz, il est également difficile de garantir des mesures précises. Cela signifie que les performances des équipements de test radiofréquence (RF) doivent être d’un niveau extrêmement élevé. Au fur et à mesure que de nouveaux composés et procédés semi-conducteurs sont mis au point, les wafers (tranches issues de la gravure de semi-conducteurs) doivent être caractérisés, pour garantir que le comportement des dispositifs gravés puisse être modélisé avec précision pour être intégré aux outils de simulation et de conception. La fiabilité de ces mesures est essentielle pour une bonne conception et une bonne modélisation du comportement des dispositifs lors de la conception de dispositifs en bande sub-Térahertz. La toute dernière génération d’analyseurs de réseaux vectoriels (VNA) peut effectuer des mesures assorties d’un très haut niveau de confiance, grâce à leur capacité à caractériser des signaux allant de 70 KHz à 220 GHz en un seul balayage. De nouvelles architectures VNA à large bande sont actuellement à l’étude, ainsi qu’une nouvelle technologie d’analyseur de spectre 300 GHz, afin de garantir les meilleurs rapports performances/coût dans ces bandes de fréquences très élevées, et dans ces environnements de test à bande passante très large.

Réseaux de communication de nouvelle génération

Les nouveaux cas d’utilisation rendus possibles par le passage de la 5G à la 6G sont encore en cours de définition, non seulement parce que le nombre d’utilisateurs finaux de technologie mobile ne cesse d’augmenter, mais aussi parce que nous avançons rapidement vers un monde nouveau. Les utilisateurs s’attendent à profiter d’une connectivité sans fil dans le métavers, l’Internet des objets (IoT) et l’Internet industriel des objets (IIoT), ainsi qu’à l’adoption croissante d’une technologie sans fil avancée dans le secteur automobile.
Toutefois, on a pu constater que les réseaux de communication de prochaine génération étaient freinés par la technologie existante et d’autres contraintes physiques. La seule façon d’aller de l’avant est d’accélérer les programmes de recherche, afin d’étudier et d’évaluer la viabilité de bandes de fréquences plus élevées, en particulier dans la région allant de 100 GHz à 400 GHz.

Le domaine le plus important de tous est celui du « Terahertz gap » – la zone du spectre allant de 100 GHz à 10 THz – où se croisent les technologies optiques/photoniques et RF/électroniques.

Outre les domaines déjà mentionnés, il convient d’évaluer de nouveaux systèmes d’accès, allant au-delà de l’accès multiple par répartition en fréquence orthogonale (OFDMA) actuel. Des travaux supplémentaires doivent également être réalisés sur les schémas de codage d’erreurs, afin d’améliorer leur efficacité et de surmonter les limitations en matière de rapport signal/bruit (SNR), ainsi que sur la technologie des dispositifs et des semi-conducteurs, afin de pouvoir obtenir un bruit quantique plus faible, des fréquences de coupure (fc) plus élevées, ainsi que des oscillateurs à bruit de phase plus faible. D’autres questions portent sur la technologie et le conditionnement des semi-conducteurs, qui doivent permettre d’obtenir des modules de transmission à faibles pertes, offrant un meilleur rendement énergétique et une puissance de sortie élevée dans les bandes de fréquences supérieures. Enfin, nous devons voir évoluer la technologie et le conditionnement d’antennes intégrées, adaptées au déploiement de sites cellulaires et d’équipements utilisateur.

Dans le monde entier, des équipes et des organisations de recherche consacrent actuellement des ressources vitales à l’analyse de ces différentes options et de tous les défis à relever pour aller au-delà de la 5G et passer à la 6G. Les résultats de ces travaux contribueront à éclairer les processus de normalisation par le biais d’organisations de normalisation comme la 3GPP, ainsi que la sélection des technologies et des types de signaux pertinents.

Bien sûr, la mise au point de solutions technologiquement avancées n’est qu’une partie de la tâche qui nous attend. Ces solutions devront aller au-delà de la théorie, et proposer des moyens pratiques et abordables d’adopter la 6G. Elles devront être commercialement viables et faciles à mettre en œuvre, afin que les utilisateurs finaux et les entreprises puissent s’armer des outils nécessaires pour négocier et tirer parti de ces technologies de communication de prochaine génération.