Les technologies de communication 5G promettent des téléchargements instantanés de contenu vidéo sur des appareils mobiles, des jeux en ligne avec un minimum de retards, une communication vidéo sans encombrement ni carrés, et bien d'autres choses délicieuses. Il s'agit notamment d'usines intelligentes, de voitures et de trains à pilote automatique intelligents et d'innombrables appareils IoT qui améliorent la vie humaine dans tous les coins de la planète. L'un des domaines liés à la 5G dans lequel les ingénieurs de Toshiba travaillent est celui des technologies sans fil ultra-rapides. Leur mise en œuvre à l'avenir éliminera la nécessité de poser un câble à fibre optique entre les stations de base des réseaux de cinquième génération. Dans cet article, nous vous expliquerons comment nous avons réussi à mettre en place une connexion sans fil à une vitesse de 20 Gbps.
Comment ça marche maintenant?
Le système de communication de cinquième génération se compose de dispositifs d'abonné qui se connectent aux stations de base à l'aide de technologies sans fil (liaison de niveau d'accès), de stations de base qui transmettent un signal du dispositif d'abonné au cœur du réseau (liaison de transit) et du cœur de réseau lui-même, dans lequel on effectue le traitement des signaux et l'acheminement des flux de données d'abonné à abonné et d'abonné à Internet.
Le schéma standard du réseau cellulaire. Source (ci-après): Toshiba
Le cœur du réseau reçoit des données et assure la gestion de la sécurité. La perturbation de la liaison entre la station de base et le cœur du réseau entraînera une rupture de la connexion, de sorte que la connexion backhaul doit être très fiable et maintenir une vitesse élevée afin qu'il n'y ait pas de retards.
En 2016, lorsque Toshiba a commencé à travailler sur l'augmentation des vitesses 5G, la plupart des recherches dans ce domaine se sont concentrées sur l'amélioration de la vitesse du canal d'accès. Cependant, la vitesse ultra-élevée de la 5G nécessite l'augmentation simultanée de la bande passante du canal d'accès et du canal de liaison.
Qu'est-ce qui est proposé?
Traditionnellement, les connexions backhaul ont été implémentées en utilisant la fibre optique. Par rapport à d'autres pays, le Japon possède de nombreux réseaux à fibre optique, mais leur installation dans les zones montagneuses est difficile et très coûteuse, et pour fournir des communications 5G dans les montagnes, de nouvelles stations de base devraient être installées dans ces zones, ce qui augmenterait encore les coûts. . Par conséquent, les ingénieurs de Toshiba se sont concentrés sur le remplacement des liaisons de liaison par fibre par des liaisons sans fil.
RĂ©seau de liaison sans fil
La question était de savoir comment atteindre l'ultra-haut débit requis pour les réseaux 5G. La plus courante de toutes les méthodes consiste à augmenter la vitesse en augmentant la bande passante. Les fréquences 3G et 4G ne suffisent plus pour cela. Il était nécessaire de passer à des fréquences plus élevées - à des ondes millimétriques.
Difficultés de passage au millimètre
Les ondes millimétriques de 28 GHz n'ont jamais été utilisées pour les communications mobiles auparavant. Le principal problème auquel sont confrontés les développeurs est que les ondes millimétriques ne peuvent parcourir qu'une courte distance. Les premières tentatives pour les utiliser ont été une lutte pour s'assurer qu'elles terminent au moins un kilomètre. La construction d'un réseau dans lequel de nombreuses stations de base sont situées à proximité les unes des autres nécessitera d'énormes coûts d'infrastructure, ce qui annulera les économies réalisées grâce au remplacement des liaisons fibre par des liaisons sans fil.
Pour améliorer la qualité des communications et les taux de transfert de données, l'équipe Toshiba a décidé d'utiliser la technologie MIMO (Multiple Input Multiple Output). MIMO utilise plusieurs antennes au niveau de l'émetteur et du récepteur pour augmenter la vitesse en transmettant plusieurs signaux en même temps. Les ondes radio rebondissent sur les bâtiments et autres obstacles physiques et atteignent les antennes de réception sous différents angles. La technologie MIMO fournit des communications rapides et stables dans ces environnements en utilisant les réflexions des ondes radio pour améliorer les performances.
Cependant, dans des conditions de terrain montagneux, les antennes étaient prévues pour être installées aux points les plus élevés, ce qui signifiait qu'il n'y avait pratiquement pas d'obstacles physiques à la réflexion des ondes radio. La deuxième difficulté était la nécessité de concentrer les ondes millimétriques en un faisceau étroit pour augmenter la distance de communication stable. Cela a encore réduit la réflexion.
Compte tenu des limitations décrites, tirer parti des avantages de MIMO pour augmenter la vitesse et le débit s'est avéré difficile. Pour résoudre le problème, les ingénieurs de Toshiba ont décidé d'utiliser la technologie Polarized MIMO (Polarized MIMO), qui stabilise et accélère la transmission du signal en séparant les ondes radio en ondes à polarisation verticale et horizontale.
Utilisation du MIMO polarisé pour le backhaul
La division du signal en deux ondes permet d'établir deux connexions indépendantes et fournit une liaison stable au double de la vitesse. Toshiba n'a pas été la première entreprise à essayer d'utiliser le MIMO polarisé pour organiser un canal de communication, mais tous les chercheurs ont signalé qu'ils ne pouvaient pas fournir une vitesse de transmission suffisamment élevée à des distances de plus d'un kilomètre: le problème suivant n'était pas l'atténuation du signal, mais un grande quantité d'interférences.
Lors de la transmission de signaux à une vitesse 5G standard de 20 Gbit / s, le volume d'informations transmises est beaucoup plus important que dans les réseaux de la génération précédente. L'envoi de grandes quantités de données conduit au fait que même la moindre interférence est un problème, en particulier dans des conditions de large bande passante dans la gamme d'ondes millimétriques. La correction de la distorsion large bande était nécessaire lors de l'utilisation du MIMO polarisé. Les technologies de correction de la distorsion à large bande ont été mises au point dans la diffusion de télévision numérique, dans laquelle Toshiba est impliqué depuis plus de 20 ans dans la recherche et le développement de la diffusion numérique et des réseaux locaux sans fil.
La combinaison du MIMO polarisé et des méthodes de correction de la distorsion à large bande a été une percée: des tests ont montré que la technologie d'organisation des liaisons de liaison sans fil est presque prête à être utilisée dans un environnement 5G - du moins dans des conditions de laboratoire, tout fonctionnait parfaitement. Il restait à effectuer des essais sur le terrain en plein air, mais cela posait aussi des difficultés: pour la transmission d'ondes millimétriques, selon la législation japonaise, il fallait obtenir un permis, et il est extrêmement difficile de l'obtenir. À cet égard, il a été décidé de mener des essais sur le terrain au Royaume-Uni, au laboratoire Bristol Research & Innovation, géré par Toshiba Europe.
Essais sur le terrain
Pour tester le développement, l'émetteur a été installé sur le toit de l'Université de Bristol, et le récepteur a été installé sur un bâtiment à 900 mètres. Pour simuler une distance réelle de cinq kilomètres, un atténuateur a été installé côté récepteur.
Localisation de l'émetteur et du récepteur au sol
Avant les expériences, il était nécessaire d'assurer une mise au point claire de l'émetteur et du récepteur. Cela devait être fait à l'œil nu, et ce n'était pas facile, car même les projecteurs sont difficiles à mettre au point et les ondes radio sont également invisibles. De plus, tous les jours le matin, il était nécessaire d'installer et de reconfigurer l'équipement, et le soir de le retirer du toit.
Photos du site de test sur le terrain de super vitesses pour 5G
Trois jours avant la fin prévue de leur séjour au Royaume-Uni, les chercheurs ont finalement atteint une vitesse stable de 20 Gbps.
Ă€ quoi s'attendre dans le futur
Suite à la présentation de la technologie lors d'une conférence scientifique en décembre 2019, l'équipe Toshiba a continué à travailler pour rendre les conceptions expérimentales exploitables commercialement. Cela nécessite de prendre en compte de nombreux facteurs, par exemple l'influence du vent et de la pluie, la température et l'humidité.
L'évolution de la technologie sans fil mobile progresse régulièrement. Les ingénieurs regardent déjà au-delà de la 5G et discutent d'une transition vers la 6G dans les années 2030. La couverture mobile devrait atteindre l'espace extra-atmosphérique à l'ère 6G. Toshiba collaborera avec d'autres dans ce processus pour créer des technologies permettant aux utilisateurs du monde entier de fournir des communications stables et à haut débit sur de longues distances, où que vous soyez.