6G Network: Beyond Phones to IoT and AI
Lorsque le responsable de la recherche principale des Nokia Bell Labs parle des « leçons tirées » de la 5G, il fait quelque chose de rare dans les télécommunications : admettre qu’une technologie phare n’a pas fonctionné comme prévu.
Cette franchise compte également aujourd’hui, car Peter Vetter, président de la recherche principale des Bell Labs, affirme que le succès de la 6G dépend de la bonne infrastructure du premier coup, ce que la 5G n’a pas pleinement fait.
D’ici 2030, dit-il, la 5G aura épuisé sa capacité. Non pas parce qu’une application tueuse de la 5G apparaîtra demain, obligeant soudainement les téléphones de tout le monde à exiger 10 ou 100 fois plus de capacité de données qu’aujourd’hui. Au tournant de la décennie, les télécommunications sans fil ne seront plus centrées uniquement sur les téléphones portables.
Agents IA, voitures autonomes, drones, nœuds IoT et capteurs, capteurs, capteurs : tout dans un monde 6G aura potentiellement besoin d’un accès au réseau. Cela signifie plus que toute autre chose que dans les années restantes avant le déploiement prévu de la 6G, les connexions haute capacité derrière les tours de téléphonie cellulaire seront un jeu clé à gagner. Ce qui amène l’industrie à s’intéresser de plus près à ce que les spécialistes des télécommunications appellent le backhaul : les liaisons fibre optique ou sans fil à haute capacité qui transmettent les données des tours de téléphonie cellulaire vers le réseau fédérateur Internet. C’est la différence entre la connexion « locale » de votre téléphone à une tour à proximité et la connexion « principale » qui transporte simultanément des millions de signaux.
Mais la crise des liaisons de transport à venir n’est pas seulement une question de capacité. C’est aussi une question d’architecture. La 5G a été conçue dans un monde où les téléphones dominaient, téléchargeant des vidéos à des résolutions de plus en plus élevées. La 6G s’annonce désormais comme quelque chose de complètement différent. Cette inversion – du déluge attendu de liaisons descendantes de la 5G à la résurgence des liaisons montantes de la 6G – nécessite de tout repenser au niveau central, pratiquement à partir de zéro.
La carrière de Vetter couvre tout l’arc de l’ère des télécommunications sans fil, depuis les interconnexions optiques dans les années 1990 chez Alcatel (un centre de recherche pionnier des connexions fibre jusqu’au domicile) jusqu’à ses fonctions chez Bell Labs et plus tard chez Nokia Bell Labs, culminant en 2021 dans son poste actuel au sein de l’institution phare du secteur.
Dans cette conversation, tenue en novembre lors du Brooklyn 6G Summit à New York, Vetter explique pourquoi la 5G n’a pas fonctionné, ce que la 6G doit faire différemment et si ces innovations peuvent arriver avant que les réseaux de télécommunications ne commencent à manquer de place.
L’erreur de calcul coûteuse de la 5G
Spectre IEEE : Où en sont les télécoms aujourd’hui, à mi-chemin entre le déploiement de la 5G et le déploiement attendu de la 6G ?
Pierre Vetter : Aujourd’hui, nous disposons de suffisamment de spectre et de capacité. Mais à l’avenir, il n’y en aura pas assez. Le réseau 5G s’essoufflera d’ici la fin de la décennie. Nous avons des simulations de trafic. Et c’est quelque chose qui a été constant de génération en génération, de la 2G à la 3G en passant par la 4G. Chaque décennie, la capacité est multipliée par 10 environ. Vous devez donc vous y préparer.
Et le défi pour nous, chercheurs, est de savoir comment y parvenir de manière économe en énergie ? Parce que la consommation d’énergie ne peut pas être multipliée par 10. Le coût ne peut pas être multiplié par 10. Et puis, la leçon tirée de la 5G : l’idée était : “Oh, nous faisons cela dans un spectre plus élevé. Il y a plus de bande passante. Passons aux ondes millimétriques.” La leçon apprise est que les ondes millimétriques ont une courte portée. Il te faut une petite cellule [tower] tous les 300 mètres environ. Et cela ne suffit pas. C’était trop cher d’installer toutes ces petites cellules.
Est-ce lié à la question du backhaul ?
Vetteur : Le backhaul est donc la connexion entre la station de base et ce que nous appelons le cœur du réseau : les centres de données et les serveurs. Idéalement, vous utilisez la fibre optique jusqu’à votre borne d’accès. Si vous disposez de cette fibre en tant que fournisseur de services, utilisez-la. Cela vous offre la plus grande capacité. Mais très souvent, les nouveaux sites cellulaires ne disposent pas de cette liaison fibre optique, il existe alors des alternatives : la liaison sans fil.
Nokia Bell Labs a été le pionnier d’une architecture de puces en verre pour les signaux de liaison des télécommunications, communiquant entre les tours et l’infrastructure de télécommunications.Nokia
Radios construites sur des fréquences de poussée de verre plus élevées
Quels sont les défis à venir pour le backhaul sans fil ?
Vetteur : Pour atteindre les 100 gigabits par seconde, des vitesses comparables à celles de la fibre, vous devez accéder à des bandes de fréquences plus élevées.
Des bandes de fréquences plus élevées pour les signaux utilisés par les antennes de liaison ?
Vetteur : Oui. Le défi réside dans la conception des frontaux radio et des circuits intégrés radiofréquence (RFIC) à ces fréquences. On ne peut pas vraiment s’intégrer [present-day] antennes avec RFIC à ces vitesses élevées.
Et que se passe-t-il lorsque ces fréquences de signaux augmentent ?
Vetteur : Donc, dans une onde millimétrique, disons 28 gigahertz, vous pourriez toujours le faire [the electronics and waveguides] pour cela avec un circuit imprimé classique. Mais à mesure que les fréquences augmentent, l’atténuation devient trop élevée.
Que se passe-t-il lorsque vous atteignez, disons, 100 GHz ?
Vetteur : [Conventional materials] ne sont plus bons. Il faut donc se tourner vers d’autres matériaux encore peu coûteux. Aux Bell Labs, nous avons réalisé un travail de pionnier en matière de radio sur verre. Et nous utilisons le verre non pas pour sa transparence optique, mais pour sa transparence dans la gamme radio sub-térahertz.
Les laboratoires Nokia Bell Labs fabriquent-ils ces systèmes de liaison radio sur verre pour les communications à 100 GHz ?
Vetteur : J’ai utilisé un ordre de grandeur. Au-dessus de 100 GHz, il faut se tourner vers un autre matériau. Mais [the wavelength range] est en réalité de 140 à 170 GHz, ce qu’on appelle la bande D.
Nous collaborons avec nos clients internes pour intégrer ce type de concepts sur la feuille de route à long terme. À titre d’exemple, ce système radio en bande D, nous l’avons intégré dans un prototype avec notre groupe commercial mobile. Et nous l’avons testé l’année dernière aux JO de Paris.
Mais ceci est, comme je l’ai dit, un prototype. Nous devons faire évoluer la technologie entre un prototype de recherche et sa qualification pour entrer en production. Le chercheur en la matière est Shahriar Shahramian. Il est bien connu dans le domaine pour cela.
Pourquoi la crise de la bande passante de la 6G ne concerne pas les téléphones
Quelles seront les applications qui stimuleront la forte demande de bande passante de la 6G ?
Vetteur : Nous installons de plus en plus de caméras et autres types de capteurs. Je veux dire, nous entrons dans un monde où nous voulons créer de grands modèles mondiaux qui sont des copies synchrones du monde physique. Ce que nous verrons donc dans la 6G, c’est un déploiement à grande échelle de capteurs qui alimenteront les modèles d’IA. Donc beaucoup de capacité de liaison montante. C’est de là que proviendra une grande partie de cette augmentation.
Y en a-t-il d’autres ?
Vetteur : Les voitures autonomes pourraient en être un exemple. Cela peut également être le cas dans l’industrie, comme le jumeau numérique d’un port, et comment gérez-vous cela ? Il peut s’agir du jumeau numérique d’un entrepôt, et vous interrogez le jumeau numérique : « Où est mon produit X ? Un robot saura alors automatiquement grâce au jumeau numérique mis à jour où il se trouve dans l’entrepôt et quel itinéraire emprunter. Parce qu’il sait où se trouvent les obstacles en temps réel, grâce à cette détection à grande échelle du monde physique puis à l’interprétation avec les modèles d’IA.
Vous aurez vos agents qui agiront en votre nom pour faire vos courses ou commander une voiture sans conducteur. Ils enregistreront activement où vous vous trouvez et s’assureront que les mesures de confidentialité appropriées sont également en place. Pour que votre agent comprenne l’état dans lequel vous vous trouvez et puisse vous servir de la manière la plus optimale possible.
Comment les réseaux 6G aideront à détecter les drones, les tremblements de terre et les tsunamis
Vous avez déjà décrit comment les signaux 6G peuvent non seulement transmettre des données, mais également fournir des détections. Comment ça va marcher ?
Vetteur : L’augmentation est maintenant que le réseau peut également être transformé en modalité de détection. Que si vous tournez au coin de la rue, une caméra ne vous voit plus. Mais la radio peut toujours détecter les personnes qui arrivent, par exemple à un passage à niveau. Et vous pouvez anticiper cela. Ouais, avertissez une voiture en disant : “Il y a un piéton qui arrive. Ralentissez.” Nous disposons également de capteurs de fibres. Et par exemple, utiliser des fibres au fond de l’océan et détecter les mouvements des vagues et détecter les tsunamis, par exemple, et lancer une alerte précoce aux tsunamis.
Quels sont les constats de vos équipes ?
Vetteur : Les bouées d’alerte aux tsunamis sont actuellement utilisées à quelques centaines de kilomètres des côtes. Ces vagues de tsunami se propagent à une vitesse de 300 mètres ou plus par seconde, vous n’avez donc que 15 minutes pour avertir les gens et évacuer. Si vous disposez désormais d’un réseau de détection par fibre optique à travers l’océan qui vous permet de le détecter beaucoup plus profondément dans l’océan, vous pouvez lancer une alerte précoce aux tsunamis de manière significative.
Nous avons récemment détecté un tremblement de terre majeur dans l’est de la Russie. C’était en juillet dernier. Et nous avions un système de détection par fibre optique entre Hawaï et la Californie. Et nous avons pu voir ce tremblement de terre sur la fibre. Et nous avons également vu se développer la vague du tsunami.
Des milliers d’antennes et des formes d’onde plus intelligentes de la 6G
Les Bell Labs ont été les premiers pionniers des antennes à entrées et sorties multiples (MIMO) dès les années 1990. Où plusieurs antennes d’émission et de réception pourraient transporter plusieurs flux de données à la fois. Que font désormais les Bell Labs avec MIMO pour aider à résoudre les problèmes de bande passante que vous avez décrits ?
Vetteur : Ainsi, comme je l’ai dit plus tôt, vous souhaitez fournir la capacité des sites cellulaires existants. Et le MIMO peut y parvenir grâce à une technologie appelée formation de faisceau simplifiée : si vous souhaitez une meilleure couverture à une fréquence plus élevée, vous devez concentrer encore plus votre énergie électromagnétique, votre énergie radio. Pour ce faire, vous avez donc besoin d’un plus grand nombre d’antennes.
Donc si on double la fréquence, on passe de 3,5 gigahertz, qui est la bande C en 5G, maintenant à la 6G, 7 gigahertz. C’est donc environ le double. Cela signifie que la longueur d’onde est la moitié. Vous pouvez ainsi installer quatre fois plus d’éléments d’antenne dans le même facteur de forme. La physique nous aide donc en ce sens.
Quel est le piège ?
Vetteur : Là où la physique ne nous aide pas, plus d’éléments d’antenne signifient plus de traitement du signal et la consommation d’énergie augmente. C’est donc ici qu’intervient la recherche. Pouvons-nous obtenir de manière créative ces réseaux d’antennes plus grands sans que la consommation d’énergie n’augmente ?
L’utilisation de l’IA est importante à cet égard. Comment pouvons-nous tirer parti de l’IA pour effectuer une estimation de canal, effectuer des tâches telles que l’égalisation, effectuer une formation de faisceau intelligente, apprendre la forme d’onde, par exemple ?
Nous avons montré qu’avec ce type de techniques d’IA, nous pouvons obtenir jusqu’à 30 % de capacité en plus sur le même spectre.
Et cela permet de transmettre plusieurs gigabits par seconde à chaque téléphone ou appareil ?
Vetteur : Les gigabits par seconde sont donc déjà possibles en 5G. Nous l’avons démontré. Vous pouvez imaginer que cela pourrait augmenter, mais ce n’est pas vraiment nécessaire. Le besoin est vraiment de savoir combien de personnes supplémentaires pouvez-vous prendre en charge à partir d’une station de base ?
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