Ces nouvelles technologies qui se cachent derrière la 5G

Ces nouvelles technologies qui se cachent derrière la 5G

Cet article publié sur le site The Conversation est rédigé par Serge Abiteboul Directeur de recherche à Inria et Gérard Berry,  Professeur émérite en informatique, Collège de France 

On peut transmettre des messages en utilisant des ondes électromagnétiques. Par exemple, un téléphone cellulaire échange des messages avec une station radio le plus souvent située en haut d’un pylône ou sur un toit. On utilise pour cela des ondes de différentes fréquences ; les plus basses se propagent plus loin, les plus hautes exigent de plus petites antennes ; les encore plus hautes sont très peu utilisées pour l’instant.

Les premiers réseaux cellulaires étaient analogiques. Ils sont devenus numériques avec la 2G, qui a aussi introduit les SMS. Avec le nouveau millénaire, la 3G a fait entrer la téléphonie mobile dans le monde d’Internet. Avec des débits bien plus grands joints à l’explosion des smartphones, la 4G a apporté la vidéo en bonne définition.

Tous les 10 ans environ, un nouveau standard et une nouvelle génération de téléphones cellulaires arrivent qui transforment les usages ; récemment, c’était la 5G.

On assiste depuis l’arrivée de la 2G a une progression exponentielle des données transportées par le réseau, et une augmentation massive du nombre d’objets connectés (téléphone, télévision, télésurveillance, voitures connectées, etc). C’est permis par les avancées scientifiques et technologiques qui ont amélioré les « tuyaux » où circulent les données. De fait, les usages absorbent tout ce que la technologie propose. Il faut noter que la partie essentielle de cette connectivité vient de la fibre optique, dont nous ne parlerons pas.

Les technologies de la téléphonie cellulaire ont apporté des solutions efficaces et abordables pour une couverture de service de communications globale, reliant des lieux éloignés, les zones rurales, les voies de transports routiers ou ferroviaires. En cela, elles participent à la réduction de la fracture numérique territoriale.

La 5G amène une vraie disruption. On aimerait pointer une avancée scientifique à sa base, mais en fait elle repose sur toute une gamme d’innovations. Le monde du téléphone cellulaire est un monde de normes : il fonctionne parce que les opérateurs se mettent d’accord, dans un cadre qui s’appelle le 3GPP, sur des normes qui vont permettre, par exemple, à un paquet de bits de passer de votre téléphone au cœur de la Lozère, à l’ordinateur d’une amie dans son bureau à Rio. Ceci demande de regrouper tout un paquet d’avancées scientifiques et techniques avant de lancer une nouvelle norme. La 5G est donc plutôt comme un couteau multi-lames, où chaque lame est soit une techno venant de la 4G, mais améliorée, soit une nouvelle techno sortie des labos dans les dix dernières années.

Les fonctionnalités de la 5G

La 5G va permettre des améliorations techniques principalement dans quatre directions : le débit, la latence, la densité et la virtualisation.

Un aspect très visible dans les communications cellulaires est la quantité d’information échangée dans une unité de temps : le débit. Si le débit est trop faible, je ne peux pas visionner un film, ou je ne le fais qu’avec une qualité très médiocre. Avec la 5G, on peut s’attendre à ce que « le débit de pic » soit jusqu’à 10 fois supérieur à celui de la 4G, quasiment celui d’une fibre optique ordinaire. En fait, les débits vont surtout augmenter grâce à de nouvelles fréquences que la téléphonie mobile va coloniser avec la 5G, qui sont des fréquences hautes entre 1GHz et 6 GHz et des fréquences encore plus hautes dites « millimétriques » au-dessus de 6 GHz. Mais ne rêvons pas : dans le cellulaire, on partage les fréquences entre les différents opérateurs, et pour chaque opérateur avec les gens autour de nous : le voisin qui regarde un match de rugby, la voisine qui passe sa soirée sur un jeu vidéo en réseau, etc. Donc que vont observer les utilisateurs que nous sommes ? Nous allons voir la situation s’améliorer dans les zones très denses où les réseaux cellulaires sont déjà saturés ou le seraient à court terme sans la 5G. Nous ne verrons pas vraiment de changement dans les zones peu denses déjà couvertes par la 4G, peut-être des téléchargements plus rapides de vidéos. Et si nous voyons une belle amélioration dans une zone blanche où il n’y avait quasiment rien, ce sera plus sûrement du fait de l’arrivée de réseaux 4G.

La deuxième direction d’amélioration est la latence, c’est-à-dire le temps pour un aller-retour entre le téléphone et le serveur d’applications, qui se compte aujourd’hui en dizaines de millisecondes. Avec la 5G, on va mesurer la latence en millisecondes. Pour visionner un film, peu importe. Mais pour un jeu vidéo, pour de la réalité augmentée, pour réaliser à distance une opération chirurgicale, ça peut faire la différence entre possible ou impossible. Le but est que l’ensemble du système offre une réactivité beaucoup plus importante jointe à une garantie forte de transmission du message.

La troisième dimension est la densité. On parle de communications de machines à machines et de services nécessitant un nombre massif d’objets à faible consommation énergétique et faibles débits (l’Internet des objets). Un des objectifs est de pouvoir gérer un million d’objets au kilomètre carré. Dans cette dimension, la 5G est en compétition avec des techniques dites 0G comme Sigfox et Lora. Traditionnellement, pour la communication des objets, on distinguait des objets bon marché, bas de gamme, qui utilisaient le 0G, et des objets plus exigeants en 4G. La 5G a la prétention de pouvoir couvrir toute la gamme avec un même standard.

Attention, tout cela ne se fera pas en un jour. La 5G arrive par étapes, parce qu’il faut installer partout de nouveaux composants radio, mais aussi parce que, pour qu’elle fonctionne au mieux, il va falloir transformer les logiciels des “cœurs de réseaux”.

L’efficacité énergétique a été prise comme objectif depuis les débuts de la conception de la 5G. Une rupture avec les générations précédentes est annoncée. On vise une division par au moins dix du coût énergétique du gigaoctet transporté. Comme nous le verrons, cela n’empêche pas d’avoir des craintes légitimes sur l’effet de cette technologie sur l’environnement.

Pour la sécurité informatique, le sujet est contrasté : elle est plus prise en compte que pour la 4G ce qui améliore les choses. Par contre, la surface des attaques possibles explose comme nous le verrons, en particulier à cause de l’extension des aspects logiciels des réseaux, ouvrant la porte à d’autres possibilités d’attaque. De fait, le contrôle de la sécurité se déplace du matériel au logiciel. De plus, cela conduit à réaliser une surveillance en temps réel pour détecter les attaques et être prêt à y remédier. L’utilisation de plus en plus massive de l’intelligence artificielle complique la tâche : d’une part, parce que les logiciels des réseaux s’appuyant sur cette technologie auront des comportements plus difficiles à prévoir, et d’autre part, parce que les attaquants eux-mêmes pourront s’appuyer sur l’IA. A contrario, les systèmes de détection d’attaque pourront eux aussi inclure de l’IA.

Pour ce qui est des innovations scientifiques et techniques sur lesquelles se fonde la 5G, elles peuvent se regrouper en deux classes : radios et logicielles.

Les innovations techniques logicielles

La virtualisation : Traditionnellement, les réseaux des télécoms s’appuient sur des machines dédiées : différents niveaux de routeurs, firewalls, etc. L’idée est de transporter cela sur des architectures logicielles comme celles des plates-formes du web. On parle donc de convergence entre systèmes informatiques et systèmes de communication. Mis à part les éléments purement électroniques de radio, dès qu’on passe en numérique, on se place sur un réseau de machines génériques (de calcul, de stockage, de connexion) capables de réaliser toutes les différentes fonctions de façon logicielle. Par exemple, plutôt que d’installer un routeur physique qui gère l’acheminement des messages pour un réseau virtuel, on déploiera un routeur virtuel sur un ordinateur générique du réseau, que l’on pourra configurer suivant les besoins. Pour ce qui est de la virtualisation des fonctionnalités véritablement radio, cette convergence est à relativiser, car, pour des questions de performances, on doit souvent utiliser des accélérations matérielles.

Edge Computing : Les services sont implantés aujourd’hui dans des data centers parfois très loin de leurs utilisateurs. Ce cloud computing induit des coûts de transport pour les messages et introduit une latence incompressible même si les communications sont hyper-rapides. L’idée est d’installer de petits data centers dans le réseau plus près des utilisations. Pour des applications, par exemple, de contrôle de machines ou de réalité augmentée, cela permet de gagner un temps précieux pour la détection d’événement et le contrôle.

Network slicing : Une limite actuelle de la technologie cellulaire est l’impossibilité de garantir la qualité du service. Le network slicing permet de réserver virtuellement une tranche de fréquences pour un service particulier, ou plus précisément d’offrir une certaine garantie de service. Dans certaines configurations ou pour certains usages ayant des exigences spécifiques, le service est en position de monopole et n’a donc pas à partager avec d’autres services. Quand on contrôle à distance une machine-outil de précision, on veut, par exemple, garantir un délai maximum de quelques millisecondes entre la commande exercée par le pilote et sa réception par la machine. Pour ce faire, on ne peut pas être en compétition avec d’autres services. En ondes millimétriques, le réseau concerné peut être de faible surface, par exemple, limité à un site industriel.

Les innovations techniques radios : Avec le « massive MIMO » (multiple input, multiple output), chaque antenne consiste en un grand nombre de petites antennes. Chaque petite antenne de la station focalise les ondes vers un utilisateur qu’elle suit. Plus précisément, des ondes émises par différents éléments de l’antenne se combinent intelligemment pour réaliser le rayon qui cible un utilisateur particulier. Cela évite l’arrosage très large de l’environnement que font les antennes classiques. C’est une techno plus complexe, mais qui permettra des économies d’énergie une fois bien maitrisée. Et on peut utiliser plusieurs antennes distantes pour une même communication, améliorant encore la focalisation.

L’utilisation de fréquences plus élevées, les bandes millimétriques comme la 26 GHz envisagée en France. Cela permet d’augmenter les fréquences utilisables pour les communications et surtout d’arriver dans des bandes où les disponibilités de fréquences sont importantes. L’utilisation simultanée de différentes technologies et fréquences. Vous pouvez par exemple déjà téléphoner depuis chez vous en cellulaire ou en wifi (voix sur wifi). Votre téléphone doit choisir et le passage de l’un à l’autre est compliqué, et de nos jours très lent. Les futures générations de téléphones faciliteront de telles utilisations simultanées de plusieurs technos et fréquences afin d’améliorer les services, par exemple en évitant de tomber dans un “trou” lors du passage de l’une à l’autre.

Le mode TDD (Time Division Duplexing) : On partage de mêmes fréquences avec une répartition dans le temps des phases montantes (du téléphone vers la station) et descendantes (de la station au téléphone). Cela permet de ne pas choisir a priori un partage des fréquences entre le trafic montant et descendant. La meilleure utilisation des fréquences est un élément clé de l’utilisation des réseaux cellulaires, car c’est une ressource rare à partager entre tous les utilisateurs.

Les « petites cellules » (small cells) : La techno permet d’utiliser les bandes très hautes (par exemple, 26 GHz) qui sont disponibles en très grandes quantités. Mais les messages s’y propagent beaucoup moins loin, quelques centaines de mètres au plus. On va donc utiliser de toutes petites antennes (les cellules) sur des lampadaires, des abribus, etc. C’est une technologie pour centre-ville et lieux très fréquentés comme des stades ou des festivals.

Les communications de terminal à terminal : Cela permet à des terminaux de communiquer directement entre eux sans passer par le système de l’opérateur. On peut continuer à communiquer même quand le réseau est saturé ou quand il dysfonctionne, par exemple en cas de catastrophe naturelle ou d’attaque informatique.

La radio cognitive : L’idée est de pouvoir mieux utiliser les fréquences, en se glissant temporairement quand c’est possible dans des fréquences non-utilisées.

Pour ce qui est de la radio cognitive et des communications de terminal à terminal, si ces deux aspects participent bien de la vision de la 5G, ils ne semblent pas encore vraiment mures à ce stade.

Et demain, la 6G : S’il n’est déjà pas simple de dire ce que sera la 5G en cours de déploiement, il devient carrément surréaliste de décrire une technologie encore dans les laboratoires de recherche, la 6G : nous ne sommes pas futurologues ! Nous nous contenterons donc d’en présenter les grands traits. Techniquement, tout en visant encore plus de débit, la 6G vise le “plus fin” : de plus petites antennes (small cells), et de plus petits data centers (edge). Nous serons en permanence connectés au réseau cellulaire et dans de mêmes standards, même quand ce sera par satellite. Le réseau doit se mettre à notre service, nous “humains”, probablement de plus en plus immergés dans un monde de robots (ce qu’individuellement nous ne souhaitons pas forcément, mais c’est un autre sujet) ; on parle de réalité virtuelle et augmentée (qui démarrent), d’holographie pour des réunions à distance. Et la 6G doit permettre aussi de bien suivre les objets se déplaçant à haute vitesse ou en environnement compliqué.

En fait, la 6G permettra l’aboutissement des promesses de la 5G en rendant possible les communications entre un nombre massif de machines de tout genre peut-être des millions au km2). Si la 5G a déjà été conçue avec la sobriété énergétique comme objectif, la 6G ira encore plus loin dans cette direction.

Bien sûr, l’intelligence artificielle sera hyper-présente, ce serait-ce que parce que les systèmes de communication et leur sécurité seront devenus trop complexes pour les simples humains que nous sommes.

La 6G règlera tous les problèmes des réseaux cellulaires, elle sera capable de tout, pourquoi pas de faire le café… Vous ne voyez pas bien où ça nous mène. Eh bien, nous non plus. C’est bien pour cela qu’il est indispensable de suivre tout cela de près, parce que nous aurons des choix sociétaux peut-être essentiels à faire sur des sujets comme le niveau de robotisation de nos vies, la sécurité ou l’environnement.

Source : The Conversation