Si la 5G représente la prochaine étape de la connectivité cellulaire, cette nouvelle génération promet d’apporter bien plus d’avantages que des téléchargements plus rapides et une latence réduite. En effet, avec une bande passante plus élevée et une couverture plus étendue, la 5G ouvre la voie à divers nouveaux usages de la connectivité cellulaire. Outre la téléphonie mobile, elle pourrait également s’appliquer aux ordinateurs portables, aux appareils portatifs IoT, aux véhicules ou encore à des installations industrielles de grande envergure. Les industriels prévoient que la 5G gagnera plus d’un milliard d’utilisateurs à l’horizon 2025 à mesure que les appareils 4G non compatibles avec le réseau 5G seront remplacés. Cependant, la transition vers la 5G réclame d’importants investissements d’infrastructure, car l’architecture 5G est si différente de celle du réseau actuel qu’elle nécessite une nouvelle infrastructure cellulaire. Un tel changement est justifié par certaines caractéristiques clés qui distinguent la 5G de la quatrième génération et que nous nous proposons de passer en revue dans le présent article. Nous verrons aussi comment ces caractéristiques se traduisent dans l’architecture de la plateforme de données d’un système 5G courant. Nous étudierons ensuite les diverses options de mise en œuvre à différents niveaux de plateformes de données et identifierons celles qui semblent le plus adaptées. Enfin, nous conclurons à partir de l’examen détaillé d’un exemple de plateforme de données de milieu de gamme quels sont les principaux choix qui s’imposent lors de la conception et quels compromis doivent être trouvés.
Les tours cellulaires pour 5G à bande basse fonctionnent sur une plage de fréquences similaire à celle des téléphones portables 4G (600 à 850 MHz) et les débits se situent eux aussi dans la même plage que la 4G (30 à 250 Mbit/s). En conséquence, la 5G à bande basse est déjà en cours d’abandon dans de nombreuses parties du monde. Les tours cellulaires pour 5G à bande moyenne utilisent des hyperfréquences dans la bande de fréquence entre 2,5 GHz et 3,7 GHz, ce qui permet d’atteindre une plage de vitesse de 100 à 900 Mbit/s avec une portée élargie à plusieurs kilomètres. Les tours 5G à bande moyenne sont déjà la norme dans les grandes villes et autres zones densément peuplées et pourraient bientôt le devenir à l’échelle mondiale.
La 5G à bande haute fonctionne actuellement dans la bande de 25 à 39 GHz et offre un débit similaire à l’Internet par câble, soit environ 1 Gbit/s. Elle connaît toutefois des limites. La bande 25-39 GHz se situe en effet dans la partie inférieure de la bande d’ondes millimétriques (mmW). Celle-ci a une portée plus limitée que les hyperfréquences, ce qui signifie que la 5G à bande haute nécessite des cellules plus petites et en plus grand nombre pour atteindre la même portée que la 5G à bande moyenne. Les obstacles physiques (murs, appareils électroménagers…) limitent eux aussi la connectivité 5G à bande haute. La bande d’ondes millimétriques ne gère pas bien les objets solides. De plus, la 5G à bande haute est également beaucoup plus coûteuse que la technologie à basse fréquence. Il se peut donc que ces inconvénients limitent l’usage de la 5G à bande haute à de grandes installations relativement ouvertes, par exemple des salles de concert ou des enceintes sportives dans un avenir proche.
Lorsqu’il s’agit de définir le niveau de hiérarchie 5G dans une installation spécifique, des facteurs tels que la portée, le débit requis et la rentabilité entrent en ligne de compte. En vue d’optimiser les coûts, la puissance, les performances du réseau, la distance de fonctionnement et les fonctionnalités utilisateur, la plateforme de données distribuée 5G place le traitement, le stockage et la communication des données à différents niveaux de hiérarchie de l’architecture. En proche périphérie du réseau, on trouvera des picoplateformes à faible couverture (de l’ordre de quelques dizaines de mètres) à l’intérieur d’un bâtiment ou d’une installation. Cette configuration est couramment utilisée dans les domaines de l’automatisation des bâtiments et de la sécurité et pour des applications de surveillance et de contrôle de modules d’usine. Au-dessus des appareils périphériques se trouvent les plateformes d’agrégation qui connectent entre eux ces appareils, tout en consolidant et optimisant le trafic de données sur une distance d’environ 100 m. Ces plateformes sont souvent installées au niveau d’un bâtiment ou d’un petit site et peuvent analyser, filtrer, combiner et hiérarchiser les communications, parfois avec l’aide d’une intelligence artificielle (IA).
Les plateformes intermédiaires occupent le niveau inférieur par rapport aux centres de données massives afin de fournir plus rapidement des réponses. Généralement, les réponses sont sélectionnées par un algorithme et mises à jour périodiquement depuis les principaux centres de données. Ces plateformes permettent de contrôler en temps réel les plateformes plus proches de la périphérie. L’analyse et le suivi des données réalisés par ces plateformes apportent une valeur ajoutée et représentent donc de nouvelles sources de revenus pour les fournisseurs de plateformes. Les économies réalisées grâce à des opérations comme la maintenance prédictive, le suivi et l’acheminement des matériaux, la gestion du système et l’équilibrage de la charge du trafic de données peuvent être répercutées sur l’utilisateur, par exemple sous la forme d’une réduction sur les frais d’abonnement ou d’une cession d’un pourcentage des économies.
Les opérations impliquant le Big Data sont exécutées depuis les principales plateformes des centres de données. Ces énormes installations de traitement et de stockage de données contiennent des années d’opérations historiques et des algorithmes complexes d’apprentissage automatique qui fournissent les filtres et processus d’optimisation nécessaires pour programmer les plateformes intermédiaires, et ce, en vue de fournir à la fois des réponses rapides aux utilisateurs et de la valeur ajoutée aux clients.
À chaque niveau de la hiérarchie 5G, le concepteur doit répondre à divers besoins et faire des compromis.
Prenons l’exemple d’une plateforme d’agrégation de milieu de gamme et voyons à présent de quelle manière les fonctionnalités clés sont implémentées dans l’appareil. L’utilisation combinée d’un FPGA et d’un microcontrôleur sur puce permet à l’appareil de fonctionner à partir du microcontrôleur, ce qui constitue un point de départ sûr et connu pour le démarrage et les mises à jour sécurisées. C’est à partir de cette racine de confiance que sont exécutées des opérations de chiffrement, de déchiffrement et de stockage de clés de sécurité robustes et protégées destinées à protéger le système des intrusions et des virus. Le microcontrôleur peut également gérer des opérations standard telles que la communication, le traitement de paquets, le traitement vidéo, la compression et l’optimisation du stockage de données. Le matériel FPGA sur puce peut être utilisé pour les opérations moins courantes, mais qui nécessitent beaucoup de puissance de traitement. Cela permet de réduire la charge du microcontrôleur au profit des opérations courantes qui doivent être effectuées en temps opportun.
Le FPGA peut également être utilisé pour effectuer le filtrage numérique, le traitement d’images, la reconnaissance d’images et d’autres opérations spéciales de ce genre, éventuellement épaulé par des algorithmes d’IA et l’apprentissage automatique pour faire des prédictions et programmer le matériel en fonction des besoins. Au fil du temps, de nouveaux algorithmes pourraient être identifiés, créés et téléchargés depuis les plateformes intermédiaires et principales. Cela permettrait d’accroître les performances et de créer de nouvelles sources de revenus pour le fournisseur de plateforme – en même temps que des économies de coûts pour le client.
La 5G réunira le cloud, les centres de données et l'edge (périphérie). Il est toutefois essentiel que chacune de ces méthodes soit exécutée sur une infrastructure appropriée – ou qu’elle y ait tout du moins accès. Chaque réseau aura toujours besoin d’un centre de données, malgré l’importance grandissante de l’informatique en périphérie pour la 5G. À mesure que la connectivité 5G se propage et que le nombre d’appareils compatibles augmente, il faudra de plus en plus de plateformes de données distribuées – petites ou intermédiaires. L’omniprésence du traitement informatique, depuis le cœur du réseau jusqu’à sa périphérie, sera la marque de fabrique d’un monde propulsé par la 5G : un monde où les thermostats, les réfrigérateurs, mais aussi les avions, les trains et les automobiles seront connectés au même réseau cellulaire que nos téléphones portables.