Les promesses de la 5G : exagération ou réalité

Les entreprises sont continuellement à la recherche de technologies qui peuvent les aider à accélérer considérablement leurs processus commerciaux tout en réduisant les coûts et en garantissant la qualité. Les innovateurs peuvent en tirer parti en concevant des produits IoT qui répondent aux exigences de rapidité des entreprises tout en les aidant à réduire les coûts au minimum.

La technologie sans fil de cinquième génération (5G) est une technologie prometteuse pour la conception de solutions IoT permettant des communications machine-à-machine extrêmement fiables, rapides et économiques.

Mais la 5G, toujours émergente, peut-elle vraiment tenir toutes ses promesses ? Ses promesses « annoncées » sont-elles réalistes ou exagérées ?

La promesse de la 5G

Beaucoup pensent que la 5G permettra des cas d'utilisation « de science-fiction » que les anciennes générations de technologies sans fil ne peuvent pas fournir. Même la 4G est faible par rapport à la 5G en termes de vitesse, de latence et de fréquence du spectre, entre autres facteurs (voir Figure 1).

Figure 1 : Comparaison entre la 4G et la 5G, telle qu'annoncée. (Source de l'image : Voler Systems)

La 5G a plusieurs cas d'utilisation commerciale, notamment les réseaux privés pour le transport intelligent et les soins de santé hyper-connectés. Le transport intelligent permettra d'offrir de nouveaux services en exploitant les communications sans fil rapides et fiables entre les véhicules intelligents et les capteurs embarqués sur les systèmes routiers et ferroviaires. Il permettra d'accroître la visibilité et le contrôle des systèmes de transports intelligents.

Dans le domaine des soins de santé, la technologie 5G devrait améliorer les résultats et le bien-être des patients en anticipant les problèmes de santé individuels potentiels et en organisant des interventions médicales précoces. Elle pourra contribuer à la mise en place de services de santé durables grâce à des applications telles que la chirurgie robotique à distance. C'est pourquoi des organismes de santé avant-gardistes tels que le Rush Hospital de Chicago envisagent de passer à la connectivité 5G.

La réalité est cependant plus complexe

Divers facteurs influencent les entreprises ou les empêchent de réaliser pleinement le potentiel de la 5G. Examinons tout d'abord quelques éléments de base importants concernant la 5G :

• Bandes de fréquences

Les performances de la 5G dépendent de la bande de fréquences disponible (voir la Figure 2). Le débit de données de crête, par exemple, ne dépasse pas 100 Mbps dans la bande basse du spectre (en dessous de 1 GHz), mais 400 Mbps dans la bande moyenne du spectre (1 GHz à 6 GHz) et jusqu'à 10 Gbps dans la bande haute du spectre (6 GHz à 86 GHz). Le spectre à bande élevée ou onde millimétrique (mmWave), cependant, a une disponibilité limitée.

De plus, les signaux mmWave ne transmettent pas au-delà de 100 mètres environ et ne peuvent pas traverser les murs ni même les fenêtres. En raison de la densité requise des stations de base, la disponibilité ne sera possible que dans les zones urbaines denses, mais le signal sera bloqué par les immeubles. Cependant, l'IoT n'a généralement pas besoin de la vitesse élevée des ondes millimétriques.

Figure 2 : Spectre 5G dans trois bandes de fréquences clés. (Source de l'image : Voler Systems)

• Classes de service 5G

  Les trois classes de services 5G sont le haut débit mobile amélioré (Enhanced Mobile Broadband, eMBB), les communications ultrafiables et à faible latence (Ultra-Reliable and Low-Latency Communications, URLLC) et les communications massives de type machine (massive Machine-Type Communications, mMTC). Chacune a ses caractéristiques, ses applications et ses limites.

  • L'eMBB permet des débits de données très élevés, jusqu'à 10 Gb/s (20 fois la 4G), une très grande capacité de trafic (1 million de dispositifs/km²) et une très faible latence (seulement 4 ms). Ses cas d'utilisation incluent la réalité virtuelle (RV) et la réalité augmentée (RA). Il s'agit de la classe de service pour les dispositifs intelligents tels que les smartphones, les tablettes et les téléviseurs UHD (4K et 8K).

    Les performances de l'eMBB dépendent toutefois de la bande de fréquences disponible. Si la bande de fréquences disponible est inférieure à 1 GHz, par exemple, l'expérience sera comparable à la 4G (jusqu'à un débit de données de 100 Mb/s descendant et 50 Mb/s montant). La latence de 4 ms est unidirectionnelle, et seulement vers l'antenne-relais la plus proche. La transmission à longue distance est beaucoup plus lente.

  • L'URLLC est conçu pour des scénarios sur site tels que les systèmes de transports intelligents (backhaul d'infrastructure), l'automatisation discrète (contrôle de mouvement), l'automatisation de processus (contrôle à distance) et la distribution d'électricité (haute tension). Il promet une latence très faible (1 ms seulement) et une disponibilité et une fiabilité ultra-élevées (99,9999 %), soit des valeurs bien meilleures que la 4G.

    Mais même si la 5G promet d'améliorer radicalement les performances URLLC, beaucoup de choses restent improbables, comme la chirurgie à distance, les jeux vidéo connectés à distance haut débit et la réalité augmentée à domicile. La fiabilité de 99,9999 % qu'elle promet est discutable pour toute connexion sans fil.

  • Le mMTC prendra en charge un déploiement IoT massif et permettra des coûts très faibles des dispositifs et une très faible consommation d'énergie — une proposition intéressante pour les bâtiments intelligents, la logistique, le suivi, la gestion de flotte, les appareils portables et les compteurs intelligents.

    La norme mMTC est toujours en cours d'élaboration, de sorte que pour l'instant l'IoT est soutenu par les normes 4G : NB-IoT et LTE-M.

La 5G ne tient actuellement pas toutes ses promesses

L'état mMTC actuel est loin d'être la tendance. Actuellement, la 5G ne tient pas toutes ses promesses. Les normes pour mMTC sont toujours en cours d'élaboration et les technologies 5G existantes ne sont pas optimisées pour la taille des paquets et les sessions courtes. La signalisation de contrôle est également inefficace dans la mesure où il faut 100 octets de signalisation pour envoyer 10 octets de données. Les systèmes de codage de canal existants sont également inefficaces pour les petits paquets de données. La durée de vie de 10 ans prévue de la batterie n'est atteignable qu'avec des messages très peu fréquents et des débits de données très faibles.

Disponibilité 5G

La disponibilité de la 5G est également un facteur déterminant. La Figure 3 illustre quelles villes et quels opérateurs offrent la 5G en mai 2020. Elle montre que la localisation de l'utilisateur ainsi que l'opérateur utilisé feront une grande différence pour les raisons suivantes :

• Seuls quatre opérateurs américains de téléphonie mobile déploient la 5G : AT&T, Verizon, T-Mobile et Sprint
• Pour utiliser la 5G, un téléphone ou un dispositif 5G est requis
• Les zones rurales ont une couverture limitée
• Il est peu probable qu'une couverture mmWave haute vitesse soit un jour disponible dans les zones suburbaines ou rurales, car il faudrait une antenne-relais tous les 300 mètres
• Certains opérateurs ont une vitesse limitée

Figure 3 : Carte de disponibilité de la 5G
Rouge : T-Mobile. Noir : Verizon. Bleu : AT&T. Jaune : Sprint. (Source de l'image : Digital Trends)

Qu'en est-il des services IoT existants ?

Les normes NB-IoT et LTE-M (également appelées Cat M ou Emtc) coexisteront avec la 5G. La couverture NB-IoT et LTE-M aux États-Unis est bonne. En mai 2019, Verizon a annoncé que 92 % de la population américaine était couverte par son réseau NB-IoT.

Les services non cellulaires (ZigBee, LoRa, Ingenu, Sigfox et Weightless), en revanche, ne sont pas inclus dans la 5G mais continueront à fonctionner avec un spectre sans licence. Mais ils ne sont pas disponibles dans de nombreux endroits.

Qu'est-ce que cela signifie pour l'avenir de l'IoT ?

Il y a peu de changements pour l'instant.

Mais la technologie 4G, NB-IoT et LTE-M, n'a été déployée de manière suffisante que depuis 2019. Elle permet aux dispositifs fonctionnant sur batterie de communiquer directement avec l'internet sans passer par un téléphone portable ou un point d'accès Wi-Fi. L'heure de cette technologie est venue.

Notez cependant que chaque norme sans fil présente ses avantages et ses inconvénients (voir le Tableau 1). Pour connaître la norme appropriée pour intégrer des dispositifs IoT et éviter des erreurs coûteuses et d'autres risques liés à la conception IoT, consultez des experts en conception IoT ou engagez des ingénieurs IoT compétents.

Tableau 1 : Comparaison des normes sans fil IoT existantes. (Source de l'image : Voler Systems)

Conclusion

Les industries 5G soutenues pat l'IoT deviennent une réalité. Mais comme la 5G n'en est qu'à ses débuts, elle ne tient pas encore toutes ses promesses. Néanmoins, la 5G est une nouvelle technologie prometteuse qui profitera sans aucun doute aux entreprises.

Les entreprises innovantes peuvent contribuer à concrétiser les promesses de la 5G en concevant des dispositifs IoT compatibles avec la 4G ou la 5G, sûrs et fiables. Toutefois, il s'agit d'une tâche ardue qui nécessite l'aide d'experts.

Voler offre aux entreprises des conseils d'experts sur la conception et le développement de dispositifs IoT et corporels nouvelle génération. Voler aide à sélectionner la technologie appropriée pour les dispositifs IoT et à déterminer la combinaison idéale d'électronique pour garantir la sécurité et la fiabilité. Planifiez une discussion avec Voler pour en savoir plus.