La cinquième génération (5G) a apporté des améliorations importantes, mais son spectre de sous- GHz est déjà encombré. Pour les réseaux de sixième génération (6G), qui devraient émerger vers 2030, l'industrie cherche à obtenir des bandes de fréquences plus élevées pour débloquer les améliorations des ordres de grandeur. Les communications à ondes millimétriques (mmWave), fonctionnant entre 30 GHz et 300 GHz, sont apparues comme une technologie fondamentale pour 6G. Cet article évalue la capacité de mmWave pour les futurs réseaux 6G, en examinant ses avantages, ses défis, les technologies habilitantes et les cas d'utilisation dans le monde réel qui vont conduire à son adoption.

Quelles sont les communications Millimeter-Wave?

On entend par ondes millimétriques les ondes électromagnétiques dont la longueur d'onde est comprise entre 1 et 10 millimètres, correspondant à des fréquences allant de 30 GHz à 300 GHz. Ces fréquences sont situées au-dessus des bandes micro-ondes utilisées par les déploiements 4G et la plupart des déploiements 5G et au-dessous de la bande de térahertz (THz).La caractéristique clé de mmWave est la disponibilité de bandes de fréquences extrêmement larges contiguës — dans de nombreuses régions, plusieurs gigahertz de spectre sont attribués pour les services mobiles mmWave, comparativement à seulement quelques centaines de mégahertz dans les bandes de sous--6 GHz.

Caractéristiques du spectre et physique de propagation

La perte de chemin libre augmente avec le carré de fréquence, donc les signaux de Wave mm connaissent une atténuation beaucoup plus élevée sur la distance. La perte de pénétration du bâtiment est grave: les murs en béton peuvent atténuer les signaux par 30 dB ou plus à 28 GHz. La pluie, le feuillage et même les corps humains provoquent une absorption et une diffusion importantes. Cependant, les longueurs d'onde courtes permettent l'utilisation de réseaux d'antennes compactes avec de nombreux éléments, permettant un faisceau directionnel très en train d'atténuer la perte de chemin.

Avantages de Millimeter-Wave pour 6G

MmWave offre plusieurs avantages convaincants qui le rendent essentiel pour atteindre les cibles 6G : des vitesses de pointe de 1 Tbps, une latence de bout en bout inférieure à 1 ms, et des densités de connexion de 107 dispositifs par km2. Ci-dessous, nous explorons les avantages les plus significatifs.

Taux de capacité et de données ultra-hauts

La bande passante massive disponible en mmLa bande de Wave se traduit directement par des débits de données plus élevés.Avec 800 MHz de bande passante contiguë à 28 GHz, une station de base unique peut livrer plusieurs gigabits par seconde par utilisateur avec une modulation modeste.Avec l'agrégation des transporteurs et des canaux plus larges (jusqu'à plusieurs GHz dans la bande non autorisée de 60 GHz et au-delà), les taux de crête théoriques dépassent 100 Gbps.

Faible latence

Comme mmWave peut supporter des taux de données élevés avec des temps de transmission courts, il réduit la latence en vol. De plus, l'utilisation de faisceaux étroits et la gestion rapide du faisceau permet une adaptation rapide aux changements de canal. Les applications 6G telles que la rétroaction haptique, la chirurgie à distance et la conduite autonome nécessitent des latences aller-retour de moins de 1 ms – une cible réalisable uniquement avec la combinaison de mmWave et de traitement des bords.

Disponibilité et réutilisation du spectre

Les régulateurs nationaux ont déjà attribué des bandes à 24, 28, 39 et 47 GHz pour la 5G, et d'autres bandes sont à l'étude pour la 6G. L'UIT-R travaille à l'ordre du jour de la Conférence mondiale de la radiocommunication 2027 (CMR-27) pour identifier des bandes supplémentaires de mmWave et de sous-THz pour mobile. Cette abondance de spectre permet un déploiement ultra-sens avec une réutilisation spatiale élevée : chaque cellule peut fonctionner avec un petit nombre d'utilisateurs mais à des taux très élevés par utilisateur, créant un réseau qui peut fournir des capacités de surface agrégée dans la gamme de Tbps/km2].

Intégration avec Terahertz et au-delà

De nombreuses visions de recherche 6G intègrent une double bande ou une tribande, où mmWave gère des liaisons à haute mobilité et à taux de données modérés tandis que les bandes de sous-THz (100–300 GHz) fournissent des liaisons à courte portée ultra-haute capacité. En évaluant la capacité de mmWave aujourd'hui, nous avons jeté les bases pour l'échelle vers les communications THz dans le futur.

Défis à relever en matière de communications à l'échelle des millimètres

Malgré son énorme potentiel, mmWave fait face à plusieurs obstacles techniques qu'il faut surmonter avant qu'il ne devienne l'épine dorsale de 6G. Ces défis ne sont pas insurmontables, mais ils nécessitent des solutions innovantes dans le matériel, le traitement des signaux et la conception de réseau.

Perte de propagation et blocage

Pour compenser, les systèmes de Wave en mm comptent sur des gains de poutre de 20 à 30 dB utilisant des tableaux de 64 à 1024 éléments. Cependant, le blocage par des obstacles reste problématique. Les corps humains, les murs et les véhicules en mouvement peuvent provoquer des chutes soudaines de signal de 20 à 40 dB. Le commutation dynamique du faisceau et la multiconnectivité (en reliant un dispositif à plusieurs stations de base simultanément) sont en cours de développement pour atténuer le blocage.

Portée limitée et trous de couverture

La zone de couverture efficace d'une station de base de Wave mm est généralement de 100 à 300 mètres dans des environnements urbains denses, et encore moins à l'intérieur. Cela exige un déploiement ultra-sens, ce qui augmente le coût de l'infrastructure et la complexité du rétro-haul. Pour 6G, une architecture de réseau hétérogène est envisagée : les macrocellules sub-6 GHz assurent une couverture toujours en cours, tandis que les petites cellules mmWave et sub-THz augmentent la capacité des points chauds.

Complexité matérielle et consommation d'énergie

La construction de transceivers à haute efficacité énergétique mmWave est un défi technique important.Les amplificateurs de phase, les amplificateurs de puissance et les amplificateurs à faible bruit mmWave sont moins efficaces que leurs homologues de sous- GHz. Les architectures de faisceaux hybrides qui combinent la formation de faisceaux analogiques et numériques aident à réduire le nombre de chaînes RF, à réduire les coûts et la puissance.

Gestion et mobilité des faisceaux

En mmLes systèmes de Wave, la station de base et l'équipement utilisateur doivent aligner leurs poutres avec une précision élevée, souvent à quelques degrés près. Lorsqu'un utilisateur se déplace, la direction optimale du faisceau change rapidement, nécessitant une formation et un suivi rapides du faisceau.Pour les véhicules à grande vitesse (par exemple, les voitures à 200 km/h), le temps de cohérence du faisceau peut être aussi court que quelques millisecondes. Des algorithmes d'apprentissage automatique sont en cours de développement pour prédire les changements de faisceau en fonction de l'emplacement, des entrées de capteur et de l'historique.

Technologies clés permettant MmWave pour 6G

Pour réaliser la pleine capacité de la communication mmWave, plusieurs technologies complémentaires sont en cours de recherche et développement.

MIMO massif et faisceaux hybrides

En formant des faisceaux étroits et à gain élevé, le MIMO massif permet de surmonter la perte de chemin et permet le multiplexage spatial de nombreux utilisateurs simultanément. Le faisceau hybride formant divise le traitement entre les domaines analogique (variateurs de phase) et numérique pour équilibrer performance et complexité. Les systèmes futurs peuvent adopter le faisceau entièrement numérique formant avec des CDA à basse résolution (p. ex. 1 à 4 bits) pour réduire la puissance tout en maintenant une efficacité spectrale élevée.

Surfaces intelligentes reconfigurables (RIS)

Les RIS, également appelés surfaces réfléchissantes intelligentes, sont constitués de nombreux éléments passifs qui peuvent être adaptés pour refléter les ondes incidentes avec des changements de phase contrôlés. En déployant RIS sur les murs, les panneaux d'affichage ou les façades de bâtiments, les opérateurs peuvent étendre la couverture mmWave dans des zones ombragées. RIS ne nécessite aucun amplificateur de puissance et peut être à faible coût, ce qui en fait une solution prometteuse pour les environnements urbains et intérieurs denses.

Intelligence artificielle et apprentissage automatique

Les réseaux neuraux sont utilisés pour l'estimation des canaux, la prévision des faisceaux, l'allocation des ressources et la gestion de la mobilité. Par exemple, un modèle d'apprentissage profond peut prédire la meilleure paire de faisceaux en quelques microsecondes, en fonction de la localisation de l'utilisateur et des mesures passées, réduisant considérablement les frais d'entraînement des faisceaux.

Matériaux avancés et antenne en emballage (AiP)

La fabrication d'antennes à mmLa fréquence des vagues exige des tolérances serrées et des matériaux à faible perte.Le polymère cristallin liquide (LCP), la céramique à basse température co-auriculaire (LTCC) et les substrats organiques sont utilisés pour les modules AiP qui combinent le réseau d'antennes, l'extrémité frontale RF et le faisceau formant IC en un seul paquet.Ces modules sont assez petits pour s'adapter à l'intérieur des smartphones et des dispositifs IoT.

Applications Conduite Millimètre-Wave 6G

La capacité de mmWave permettra de débloquer des applications de transformation impossibles avec les générations précédentes.

Réalité étendue immersive (XR)

La réalité augmentée (AR), la réalité virtuelle (VR) et la réalité mixte nécessitent un débit multi-Gbps avec des latences de mouvement à photons de 10 ms. 6G mmLes liens Wave peuvent fournir des flux vidéo de résolution de 8K ou même 16K sans fil aux écrans montés à la tête, permettant des expériences immersive non-intérés. La téléprésence holographique, où une image 3D est transmise en temps réel, exigera des débits de données dépassant 100 Gbps — réalisables uniquement avec des bandes mmWave ou sub-THz.

Véhicules autonomes et V2X

Les communications V2X pour la conduite autonome nécessitent une latence extrêmement faible et une grande fiabilité. MmWave permet un échange de données à haut débit entre les données de capteurs (LIDAR, radar, caméras) et les infrastructures. Le suivi des faisceaux avec des réseaux échelonnés peut maintenir des liaisons même lors de manœuvres à grande vitesse. 6G utilisera mmWave pour la perception coopérative, où les véhicules partagent des données brutes de capteurs à -see-ee-s au-delà de leurs propres capteurs, améliorant considérablement la sécurité.

IoT industriel et jumelles numériques

Les usines et les entrepôts sont de plus en plus automatisés avec les robots, les AGV et les capteurs. MmWave fournit la capacité élevée nécessaire pour les boucles de contrôle en temps réel, l'analyse vidéo et la synchronisation numérique à deux fois.Avec latence inférieure à 1 ms, un contrôleur à distance peut utiliser des bras robotiques avec un retour d'information haptique.

Fibre et haies de fond sans fil

Avec des débits de 10 à 100 Gbps sur des liaisons de ligne de vue allant jusqu'à quelques kilomètres, mmWave backhaul est idéal pour connecter les petites cellules au réseau central. Pour 6G, la fibre sans fil utilisant la bande E (71 à 86 GHz) et au-delà fera partie intégrante du réseau de transport, réduisant ainsi les coûts de déploiement dans les zones urbaines et rurales.

Activités de normalisation et d ' industrie

La normalisation mondiale est essentielle pour le succès commercial de mmWave 6G. Le UIT-R a déjà lancé le cadre IMT-2030, qui définira les exigences pour 6G. 3GPP devrait commencer la normalisation 6G dans la version 20 (vers 2025), en s'appuyant sur les améliorations de mmWave dans les versions 17-19. IEEE 802.11be (Wi-Fi 7) et le prochain 802.11bn (Wi-Fi 8) intègrent également des fonctionnalités de mmWave pour une utilisation non autorisée.

Des projets de recherche tels que les concepts de systèmes Hexa-X et Hexa-X-II, ainsi que des initiatives en Chine, en Corée du Sud et aux États-Unis, étudient actuellement les concepts de systèmes mmWave et sub-THz. Les livres blancs de l'industrie des principaux fournisseurs (Ericsson, Nokia, Samsung, Qualcomm) mettent systématiquement en évidence mmWave comme un moteur clé de la capacité 6G. Le consensus est que mmWave ne remplacera pas les sous--6 GHz mais le complétera, formant un réseau multibande multicouches.

Conclusion

Les communications à ondes millimétriques sont prometteuses pour les futurs réseaux 6G, offrant une capacité sans précédent, une faible latence et une disponibilité du spectre. Bien que des défis importants subsistent - perte de propagation, blocage, complexité matérielle et gestion du faisceau - les progrès continus dans les surfaces MIMO massives, reconfigurables, l'optimisation par l'IA et la conception de circuits intégrés transforment la théorie en pratique.La capacité de mmWave, combinée avec les extensions sub-THz, permettra une nouvelle génération d'applications allant de la téléprésence holographique aux flottes de véhicules autonomes et à la métaverse industrielle.

6G ne comptera pas sur une seule technologie, ce sera une convergence de bandes et d'architectures complémentaires. MmWave est prêt à être le cheval de bataille pour les liaisons à haute capacité et à faible latence dans des environnements denses. À mesure que la recherche progresse et que la normalisation mûrit, la vision d'un monde réellement connecté et intelligent alimenté par le sans-fil terabit-par-seconde devient de plus en plus réalisable.