La course mondiale au déploiement des réseaux 5G a imposé des exigences sans précédent à l'infrastructure physique qui transporte des données des sites cellulaires vers les réseaux centraux. Bien que l'attention du public soit surtout axée sur les tours radio, les petites cellules et l'attribution du spectre, le véritable moteur de la vitesse, de la capacité et de la faible latence de 5G est l'infrastructure de réseau optique qui forme son épine dorsale.

Les réseaux optiques, construits principalement autour de fibres de verre qui transmettent l'information comme impulsions de lumière, ont longtemps été la base de la communication longue distance et métropolitaine. Cependant, l'arrivée de 5G les a transformés d'une couche de transport passif en une composante active, programmable et profondément intégrée du réseau d'accès sans fil. Cet article explique comment l'infrastructure optique supporte chaque couche de 5G — de backhaul et de Midhaul à fronthaul et au cœur — et pourquoi un investissement continu dans la fibre est essentiel pour la prochaine génération de connectivité mobile.

Le rôle fondamental de la fibre optique dans 5G

La fibre optique transporte des données à l'aide de signaux lumineux qui traversent un noyau en verre ou en plastique. La lumière se déplace beaucoup plus vite que les signaux électriques en cuivre et ne subit presque aucune dégradation des signaux sur de longues distances, la fibre offre deux attributs critiques à 5G : bande passante intense et latence extrêmement faible. Une paire de fibres uniques peut désormais transporter plusieurs terabits de données par seconde en utilisant le multiplexage de la division de longueur d'onde (WDM), qui divise la lumière en dizaines ou même des centaines de longueurs d'onde distinctes, chacune agissant comme canal de données indépendant.

5G nécessite un réseau de transport capable de gérer des capacités d'une magnitude supérieure à 4G LTE. Par exemple, alors qu'un site cellulaire 4G typique peut avoir besoin d'une capacité de rétrocaveuse de 1 Gbps ou moins, une macrocellule 5G desservant des zones urbaines denses peut nécessiter 10 Gbps ou plus. Les petites cellules, déployées en grappes, exigent collectivement une capacité agrégée encore plus élevée.

Les connexions à base de cuivre comme le câble DSL ou coaxial ne peuvent supporter ces vitesses ou ces latences sur des distances supérieures à quelques centaines de mètres. Par conséquent, chaque plan de déploiement 5G – que ce soit pour un cluster de microcellules urbaines dense, un site macro suburbain ou un nœud d'accès sans fil fixe rural – dépend en fin de compte d'une connexion de rétro-haul fibre.

Comparaison de la fibre optique avec d'autres technologies de remplacement

Les solutions de rechange sans fil comme les liaisons point à point micro-ondes et millimètre-onde peuvent parfois fournir des liaisons de rétro-haul temporaires ou supplémentaires, mais elles souffrent de contraintes de visibilité, de limitations de capacité et de la vulnérabilité à la pluie. Les liaisons de rétro-haul satellite, tout en s'améliorant avec des constellations à faible orbite terrestre, présentent encore des problèmes de latence et une capacité limitée. La fibre demeure le seul milieu de rétro-haul qui puisse fournir de façon fiable une capacité multi-gigabits, une sous-latence de milliseconde et une évolutivité future pour les réseaux 5G.

MIMO massif et l'impératif de Backhaul fibre

L'une des innovations technologiques clés de la 5G est MIMO massif (multiple-entrée, multi-sorties). Au lieu de quelques antennes, les stations de base 5G peuvent employer des dizaines ou même des centaines d'éléments d'antenne, capables de transmettre et de recevoir des flux de données indépendants. Cela augmente considérablement l'efficacité spectrale et permet à la station de base de servir simultanément de nombreux utilisateurs.

Dans un déploiement typique de 5G, l'unité radio (RU) est située au sommet de la tour ou sur une lampe de rue, l'unité distribuée (DU) est quelque part à la base de la tour ou dans une armoire voisine, et l'unité centralisée (CU) peut être à plusieurs kilomètres dans un bureau central. La connexion entre l'UE et l'UD — connue sous le nom de fronthaul — nécessite des taux de données massives. La norme de l'interface radio publique commune (ICPR) pour 4G a été remplacée par une amélioration de l'ICPR (eCPRI) et d'autres interfaces empaquetées qui optimisent le fronthaul pour 5G. Même avec la compression et la paquetisation, une seule radio MIMO 5G massive peut nécessiter des liaisons fronthaul de 25 Gbps ou plus. Ce niveau de vitesse ne peut être supporté que par fibre optique, souvent en utilisant WDM pour partager des fils de fibres entre plusieurs radios.

Petites cellules et densité des fibres

Pour assurer une couverture uniforme, les opérateurs doivent déployer une couche dense de petites cellules tous les 100 à 300 mètres dans les zones urbaines. Chaque petite cellule nécessite son propre rétrocaveau de fibre. Cela a entraîné une augmentation spectaculaire du nombre de sites de fibres éclairées. Les principaux porteurs dépensent des milliards de dollars par an sur la densification des fibres — construire de nouvelles voies de fibres pour relier des dizaines de milliers de petits sites de cellules.

Dans les environnements urbains denses, la fibre doit être déployée non seulement le long des rues, mais aussi dans les bâtiments, sur les toits, dans les poteaux de services publics et dans le mobilier de rue. Les opérateurs utilisent de plus en plus des techniques de micro-tranche pour poser rapidement la fibre avec un minimum de perturbation, ainsi que pour tirer parti des conduits existants et des circuits de fibre aérienne.

Technologies optiques de transport permettant 5G

Au-delà du simple déploiement de câbles en fibre, la 5G repose sur des technologies de transport optique avancées pour maximiser l'utilisation de cette fibre. La plus importante est La multiplexage de la division de longueur d'onde (WDM), qui permet à plusieurs longueurs d'onde (couleurs) de lumière de voyager simultanément sur une seule fibre. Les systèmes de WDM dense (DWDM) peuvent emballer 80 canaux ou plus sur une paire de fibres, chacun transportant 100 Gbps ou plus, fournissant des capacités agrégées dans les dizaines de terabits par seconde.

La transmission optique cohérente[ est une autre technologie clé.Les modems modernes et cohérents utilisent des formats de modulation avancés comme 16QAM ou 64QAM combinés avec le traitement numérique du signal pour pousser les débits de données au-delà de 400 Gbps par longueur d'onde, même sur des distances de centaines de kilomètres.Ces systèmes sont maintenant suffisamment rentables pour être utilisés non seulement dans les réseaux long-courriers, mais aussi dans les réseaux métro et même d'accès desservant les sites 5G. De plus, Les réseaux optiques programmables basés sur des réseaux flexibles définis par réseau (SDN) permettent aux opérateurs de reconfigurer la bande passante en temps réel, en s'adaptant aux changements de trafic des utilisateurs 5G.

Sciage optique pour le sciage réseau

5G introduit le concept de slice réseau — créer des réseaux virtuels isolés sur une infrastructure physique partagée pour servir différents cas d'utilisation (p. ex., haut débit mobile amélioré, IoT massif, communications ultra-fiables à faible latence). Les réseaux de transport optique peuvent supporter le slice par le biais de la segmentation de niveau de longueur d'onde ou de paquet. Par exemple, une longueur d'onde dédiée peut être attribuée à une tranche privée de 5G d'entreprise, assurant une bande passante et une latence garanties sans interférence d'autres trafics.

Infrastructure optique pour le noyau et l'extrémité 5G

Le réseau 5G= est fondamentalement différent de 4G=s. Il est construit sur une architecture native du cloud avec des fonctions réseau virtualisées fonctionnant sur des serveurs de marchandises, souvent distribués au bord du réseau pour réduire la latence. Ce calcul multi-accès bord (MEC) paradigme place les ressources de calcul et de stockage dans les 10-20 kilomètres de l'utilisateur final, nécessitant des connexions à haute largeur de bande, à faible latence entre les centres de données de bord et les sites d'accès radio.

Un centre de données de bord typique peut avoir besoin de connexion 100-400 Gbps à ses sites cellulaires supportants, et les centres de données de bord multiples doivent être reliés entre eux et à des noyaux centralisés. Cela nécessite une connexion optique dense, souvent mise en œuvre à l'aide de technologies DWDM ou réseau optique passif (PON). XGS-PON et NG-PON2 (réseaux optiques passifs de prochaine génération) sont déployés pour les fronthaul et backhaul mobiles, offrant des fréquences symétriques de 10 Gbps ou plus par abonné tout en tirant parti de la fibre existante vers l'infrastructure de la maison (FTTH). Cette convergence des réseaux d'accès fixe et mobile est une tendance majeure en 5G, car les opérateurs cherchent à maximiser la valeur de leurs actifs en fibre optique.

Relever les défis de l'infrastructure optique pour la 5G

Malgré ses avantages évidents, le déploiement d'une infrastructure de réseau optique pour la 5G est confronté à plusieurs défis importants. Les dépenses d'investissement initiales élevées sont les plus importantes. La pose de nouvelles fibres — qu'elles soient souterraines, montées sur des brins ou par des conduits existants — coûte cher, en particulier dans les zones urbaines denses où les permis, les emprises et les coûts de construction sont élevés.

Un autre défi est puissance et espace[.Les équipements optiques actifs, tels que les unités WDM mux/demux, les amplificateurs et les émetteurs-récepteurs cohérents, doivent être logés dans des armoires de rue, des cabanes ou des abris de base.Ces équipements ont souvent des budgets d'énergie et des capacités de refroidissement limités, nécessitant une conception soignée pour assurer la fiabilité.

Enfin, sécurité et résilience[ sont des préoccupations. Une fibre coupée peut faire tomber un groupe entier de cellules 5G, et comme les câbles optiques sont souvent installés près des routes ou d'autres services publics, les coupures accidentelles sont fréquentes.

Innovations Réduire les obstacles au déploiement

Heureusement, de multiples innovations rendent le déploiement optique de la 5G plus rapide et plus rentable. La fibre insensible à la tension de la ligne, par exemple, permet aux câbles de se plier plus brusquement sans perte de signal, ce qui les rend plus faciles à parcourir à travers des conduits serrés, des élévateurs de construction et des trous de maintien de niveau de la rue.

Micro-trenching est apparu comme une méthode populaire pour installer la fibre dans les trottoirs et les routes. Un slot étroit (généralement 1-2 pouces de large et 6-12 pouces de profondeur) est coupé, le câble de fibre est posé, et le slot est rempli d'un composé de réglage rapide. Le processus peut être terminé en jours plutôt que semaines, avec une interruption minimale de la circulation. Certaines municipalités ont maintenant besoin de micro-trenching pour tous les nouveaux déploiements de fibres pour réduire l'impact visuel et physique sur les routes.

Les solutions de fibres aériennes sont également affinées. Les câbles en fibres légères peuvent être enchâssés sur des poteaux électriques ou téléphoniques existants, et les nouvelles techniques de câbles suspendus permettent de plus longues travées entre poteaux sans qu'il soit nécessaire de construire des structures à échelle moyenne.

Du côté de l'équipement actif, l'avènement de silicon photonics et des émetteurs-récepteurs cohérents intégrés entraîne le coût des connexions optiques à grande vitesse. Un module cohérent de 400G qui coûte des dizaines de milliers de dollars il y a quelques années seulement coûte maintenant une fraction de cela, ce qui rend viable de déployer sur chaque site cellulaire. De même, des émetteurs-récepteurs à petit-forme rechargeables[ (SFP et QSFP) pour PON et fibre point à point apportent une connectivité optique à l'unité radio elle-même, éliminant ainsi la nécessité d'un équipement de transport optique séparé.

De plus, la virtualisation des fonctions et le SDN permettent aux opérateurs de gérer les ressources optiques de manière centralisée, d'orchestrer les assignations de longueurs d'onde et d'automatiser la récupération des défauts.

L'avenir : 6G et au-delà

6G, qui devrait arriver vers 2030, exigera des taux de données encore plus élevés (peut-être 1 Tbps par utilisateur), une latence sous-microseconde et une intégration avec la détection et l'IA. Les fréquences et les surfaces intelligentes de Térahertz nécessiteront un tissu incroyablement dense de points d'accès radio, chaque capacité de rétro-haul exigeante.Les photos et l'optique intégrée seront probablement intégrées directement dans les réseaux d'antennes, créant ainsi un faisceau entièrement optique et une distribution de signal à l'intérieur de la tête radio.

De plus, la communication optique dans l'espace libre (LiFi et liaisons laser)[ peut compléter la fibre traditionnelle pour les derniers mètres dans des environnements ultra denses, tels que les stades ou les planchers d'usine. Cependant, pour la grande majorité du réseau de transport, la fibre restera le seul moyen capable de fournir l'échelle requise. Le terme -All-fiber , pourrait devenir redondant parce que les réseaux sans fil seront, en substance, simplement l'extension radio d'un épine dorsale fibre optique.

Conclusion

L'infrastructure de réseau optique n'est pas seulement un élément de support de l'expansion de 5G — c'est l'outil essentiel. De l'arrière-cour reliant chaque macro et petite cellule au noyau, au fronthaul reliant les radios MIMO massives, aux interconnections de centre de données de bord, les fibres optiques fournissent la bande passante, la faible latence et l'évolutivité que la 5G exige.

Pour les opérateurs de télécommunications, investir dans une couche optique dense et programmable crée aujourd'hui une fondation qui non seulement soutiendra la pleine réalisation de la 5G mais facilitera également la transition vers ce qui vient ensuite. L'avenir du sans-fil est, littéralement, porté par la lumière.

Pour plus de détails : Fiber Broadband Association[ fournit des informations sur les tendances du déploiement de fibres. Un aperçu technique détaillé du transport optique en 5G est disponible à partir de Light Reading[. Le contexte des exigences massives en matière de MIMO et de fibres se trouve dans WikipediaS Massive MIMO article.Pour les études de cas sur le déploiement réel, le Ericsson 5G Transport White Paper est une ressource faisant autorité.