Pourquoi choisir mmWave pour la 5G ?

Selon l'accord 3GPP 38.101, la 5G NR utilise principalement deux bandes de fréquences : la bande de fréquences FR1 et la bande de fréquences FR2. La gamme de fréquences de la bande de fréquences FR1 est de 450 MHz à 6 GHz, également connue sous le nom de bande de fréquences inférieure à 6 GHz ; la gamme de fréquences de la bande de fréquences FR2 est de 24,25 GHz à 52,6 GHz, généralement appelée onde millimétrique (mmWave)

Pendant longtemps dans l'histoire, la bande d'ondes millimétriques a appartenu à la nature. Pourquoi? La raison est simple, car peu de composants ou d'appareils électroniques peuvent émettre ou recevoir des ondes millimétriques. Pourquoi n'y a-t-il pas d'appareil électronique pour envoyer ou recevoir mmWave ? Il y a deux raisons.

La première raison est que bien que les ondes millimétriques puissent fournir une plus grande bande passante et des débits de données plus élevés, les applications mobiles précédentes ne nécessitaient pas des bandes passantes aussi importantes et des débits de données aussi élevés, et il n'y avait pas de demande du marché pour les ondes millimétriques. Et les ondes millimétriques ont des limites évidentes, telles qu'une perte de propagation trop importante, une couverture trop petite, etc.

La deuxième raison est que mmWave est trop cher. Produire des composants de circuits intégrés de taille submicronique capables de fonctionner dans la bande de fréquence des ondes millimétriques a été un défi. Surmonter les pertes de propagation et améliorer la couverture signifie également beaucoup d'argent. Pourtant, depuis une dizaine d'années, tout a changé.

Avec le développement rapide de la communication mobile, les ressources de fréquence dans les 30 GHz sont presque épuisées. Les gouvernements et l'Organisation internationale de normalisation ont attribué toutes les "bonnes" fréquences, mais il existe toujours des pénuries de fréquences et des conflits de fréquences. Le développement des systèmes cellulaires 4G et la future 5G dépendent d'une bonne attribution des fréquenc

Les ondes millimétriques sont comme un nouveau continent dans les Amériques, offrant aux utilisateurs mobiles et aux opérateurs mobiles des ressources de fréquences "infinies".

Les ondes millimétriques apportent une large bande passante et une grande vitesse. La bande passante maximale pouvant être utilisée par un système cellulaire 4G LTE basé sur la bande sub6GHz est de 100 MHz et le débit de données ne dépasse pas 1 Gbps. Dans la bande mmWave, la bande passante maximale pouvant être utilisée par les applications mobiles est de 400 MHz, avec des débits de données pouvant atteindre 10 Gbps ou plus.

La demande est toujours le principal moteur de l'innovation. La difficulté technique de produire des composants de circuits intégrés à bande millimétrique peu coûteux et de haute qualité a été rapidement surmontée. En utilisant de nouveaux matériaux tels que SiGe, GaAs, InP et GaN, ainsi que de nouveaux procédés de production, des transistors aussi petits que des dizaines voire plusieurs nanomètres ont été intégrés sur des puces travaillant dans la bande millimétrique, ce qui réduit considérablement le coût.

Sommes-nous désormais libres d'utiliser n'importe quelle onde millimétrique entre 20 GHz et 300 GHz ? Pas encore. Pourquoi les fréquences d'ondes millimétriques ne peuvent-elles pas être utilisées arbitrairement ? Lors de la propagation des ondes radio, l'atmosphère va absorber sélectivement les ondes électromagnétiques de certaines fréquences (longueurs d'onde), entraînant des pertes de propagation particulièrement importantes de ces ondes électromagnétiques. Il existe principalement deux composants atmosphériques qui absorbent les ondes électromagnétiques : l'oxygène et la vapeur d'eau. La résonance provoquée par la vapeur d'eau absorbe les ondes électromagnétiques autour de 22 GHz et 183 GHz, tandis que l'absorption par résonance de l'oxygène affecte les ondes électromagnétiques autour de 60 GHz et 120 GHz. On voit donc que peu importe l'organisme qui alloue les ressources en ondes millimétriques, il évitera les bandes de fréquences proches de ces quatre fréquences.

L'une des limitations les plus critiques est que les déplacements mmWave sont vraiment limités. Les lois de la physique nous disent que plus la longueur d'onde est courte, plus la distance de propagation est courte sous la même puissance d'émission. Dans de nombreux scénarios, cette limitation se traduira par des distances de propagation des ondes millimétriques ne dépassant pas 10 mètres. Tout a deux faces. La faible distance de propagation est parfois un avantage du système à ondes millimétriques. Par exemple, il peut réduire les interférences entre les signaux d'ondes millimétriques. Les antennes à gain élevé utilisées dans les systèmes mmWave ont également une bonne directivité, ce qui élimine davantage les interférences. Ces antennes à faisceau étroit augmentent la puissance et la couverture, tout en améliorant la sécurité et en réduisant la probabilité d'interception des signaux.

De plus, le facteur de limitation "haute fréquence" réduit la taille de l'antenne, ce qui est une autre surprise inattendue. En supposant que la taille de l'antenne que nous utilisons est fixe par rapport à la longueur d'onde sans fil, telle que 1/2 longueur d'onde ou 1/4 longueur d'onde, l'augmentation de la fréquence porteuse signifie que l'antenne devient de plus en plus petite. Par exemple, la longueur d'une antenne GSM 900M est d'environ quelques dizaines de centimètres, tandis que l'antenne à ondes millimétriques peut n'être que de quelques millimètres. Cela dit, nous pouvons entasser de plus en plus d'antennes haut débit dans le même espace. Sur la base de ce fait, nous pouvons compenser la perte de trajet à haute fréquence en augmentant le nombre d'antennes sans augmenter la taille du réseau d'antennes. Cela permet d'utiliser la technologie massive MIMO dans les systèmes 5G mmWave.

Après avoir surmonté ces limitations, les systèmes 5G fonctionnant sur ondes millimétriques peuvent fournir de nombreux services que la 4G ne peut pas fournir, tels que la vidéo haute définition, la réalité virtuelle, la réalité augmentée, le backhaul de station de base sans fil (backhaul), la détection radar à courte portée, l'information urbaine dense services, stades/Concerts/services de communication sans fil de centre commercial, contrôle d'automatisation d'usine, télémédecine, surveillance de sécurité, systèmes de transport intelligents, inspections de sécurité d'aéroport, etc. Le développement et l'utilisation de la bande d'ondes millimétriques offrent un large espace et une imagination illimitée pour les applications 5G.

Depuis que le 3GPP a décidé que la 5G NR continuerait à utiliser la technologie OFDM, par rapport à la 4G, la 5G n'a pas d'innovation technologique perturbatrice, et les ondes millimétriques sont presque devenues la plus grande "nouvelle idée" de la 5G. L'introduction d'autres nouvelles technologies dans la 5G, telles que le MIMO massif, la nouvelle numérologie (espacement des sous-porteuses, etc.), les codes LDPC/Polar, etc., sont étroitement liées aux ondes millimétriques, le tout pour permettre une meilleure extension de la technologie OFDM au bande d'ondes millimétriques. Afin de s'adapter aux caractéristiques de large bande passante des ondes millimétriques, la 5G définit plusieurs intervalles de sous-porteuses, dont les plus grands intervalles de sous-porteuses (60KHz et 120KHz) sont spécialement conçus pour les ondes millimétriques. La technologie MIMO massive susmentionnée est également adaptée aux ondes millimétriques. Par conséquent, la 5G peut également être appelée "4G améliorée étendue à mmWave" ou "LTE améliorée étendue à mmWave".