Ces dernières années, nous assistons à un développement exponentiel de nouvelles applications et technologies dans les domaines de la santé, des médias, de l’industrie, du transport, de l’énergie… Cette évolution va de pair avec l’apparition de nouveaux services liés à une multiplication des objets connectés dont leur nombre va atteindre 50 milliards d’ici 2020 [1]. Le monde devient de plus en plus digitalisé où tout est connecté. Les objets seront connectés entre eux, sur internet et avec des milliards de personnes. Cette augmentation nécessite de nombreux progrès sur les systèmes de télécommunications mobiles, bien que, le réseau 4G actuel reposant sur la norme LTE (Long Term Evolution) a apporté de nombreuses solutions comme l’augmentation du débit et de la bande passante comparé aux anciennes générations de réseaux mobiles. En utilisant la technologie IP, la 4G permet une navigation internet confortable avec les smartphones, les tablettes ou les ordinateurs portables. Cependant, ce réseau dont le spectre de fréquence est assez surchargé ne pourra plus bien assurer les diverses exigences dues à l’essor des objets connectés avec leurs différentes catégories d’usages.

Face à ces problèmes, une nouvelle révolution s’annonce avec un nouveau standard des systèmes de télécommunications mobiles, dénommé 5G. Ce standard ouvre des perspectives pour répondre aux besoins actuels, mais également ceux du futur, quand nous possèderons plusieurs centaines de milliards d’objets connectés, des voitures autonomes que nous utiliserons régulièrement et que nous consommerons encore plus de vidéos de bien meilleure définition. Le but de la 5G ce n’est pas seulement de répondre aux déficits liés à la bande passante ou à l’augmentation de débit, mais d’obtenir un temps de latence ultra-court, de réduire la consommation énergétique avec une service de qualité omniprésent. Face à l’ensemble de ces exigences, la future génération des systèmes de télécommunications mobiles devra combiner plusieurs technologies afin d’avoir un réseau mobile qui pourra satisfaire aux attentes. Parmi ces technologies nous pouvons citer :

– L’utilisation des bandes millimétriques : jusqu’à présent, seuls les spectres de fréquence sous 6GHz ont été largement utilisés pour les systèmes de communication civil terrestre. Pour le besoin de nouveaux canaux avec une bande passante plus large afin de prendre en charge l’hébergement simultané de centaines de milliards d’objets connectés, l’exploitation des fréquences millimétriques au dessus de 6GHz pour la 5G devient plus que jamais indispensable malgré avec une atténuation des ondes millimétriques due aux obstacles comme les murs, la neige, les fortes chutes de pluie.
– Massive MIMO : l’arrivée de la technologie Massive MIMO qui n’est rien d’autre qu’une densification du traditionnel MIMO (sortie multiple à entrées multiples) utilisée dans les générations. Avec leurs faibles longueurs d’ondes, l’utilisation des fréquences millimétriques facilitera l’intégration de centaines d’éléments rayonnants au niveau de la station de base.
– Réseau Ultra Dense (UDN) : l’utilisation de petites stations de base dans l’architecture de la 5G va permettre au réseau de s’adapter selon les besoins de l’environnement et sera l’intermédiaire entre les utilisateurs et les stations de base grâce à la technique de Backhauling [2]. En conséquence, le réseau cellulaire ultra dense est en train de devenir l’une des principales caractéristiques des réseaux cellulaires 5G. L’idée de base est d’obtenir des nœuds d’accès aussi proches que possible des utilisateurs finaux. L’obtention de cette solution prometteuse est réalisée par le déploiement dense de petites cellules appelées « Small Cells » dans des hotspots où un trafic immense est généré, en utilisant les ondes millimétriques pour étendre la bande passante de transmission.
– Ces « smalls cells » doivent optimiser au mieux la réception du signal selon l’emplacement de l’utilisateur par rapport à l’antenne pour concentrer l’émission du signal dans les directions utiles, par l’utilisation de réseaux d’antennes reconfigurables en diagramme et à fort gain. Cette méthode évite ainsi d’utiliser toute la puissance disponible pour émettre « à l’aveugle » en espérant tomber sur le terminal.
– Les travaux menés dans le cadre de cette thèse s’inscrivent dans ce contexte. L’objectif donc consiste à concevoir et réaliser un petit réseau d’antennes ou « Small Cells » travaillant dans les bandes de fréquences millimétriques doté d’une capacité à changer la direction du faisceau selon les besoins des utilisateurs. Une technique de reconfiguration de diagramme de rayonnement avec changement de polarisation appliquée sur un réseau d’antennes planaires a été développée.

Avec des objectifs très variés selon les catégories d’usages mais également selon les milieux de communications (à l’intérieur ou à l’extérieur des bâtiments), le nouveau standard 5G ne s’intéresse pas uniquement à l’accroissement des débits mais plutôt à être un système puissant et fiable. Dans ce contexte, la première partie de ce chapitre est consacré à la description de l’objectif de la 5G face aux précédentes générations des réseaux mobiles. Dans cette même partie, nous allons présenter les différentes catégories d’usage de ce futur système de communications. Après identification des utilisateurs, nous allons dans la seconde partie de ce chapitre, détailler l’ensemble des exigences pour répondre au bon fonctionnement de ce système de communication. Enfin, la dernière partie s’intéressera particulièrement à l’étude détaillée des différents types de solutions au niveau de la couche physique du dernier point d’accès du réseau afin de répondre aux énormes exigences des usagers.

Au moment où le déploiement de la 4G est en cours auprès du grand public, il faut déjà se projeter dans l’avenir pour mieux réfléchir sur la prochaine génération. Ainsi, l’UIT par son instance IMT-2020 (Télécommunications mobiles internationales) définira les standards de la 5G. Généralement pour atteindre les objectifs globaux d’une norme IMT, les processus et les échéances sont élaborés dans trois grandes phases : une phase vision, une phase développement et une phase déploiement.

Dans la première phase, les organismes se réunissent dans des conférences et des symposiums pour déterminer les objectifs, les exigences et les domaines d’intérêt. C’est dans cette phase de vision qu’on identifiera les techniques spécifiques et les technologies les plus prometteuses pour le développement de ces futurs réseaux 5G. Le groupe de travail de l’UITR a publié en 2015 un document nommant la recommandation IUT-R M .2083 qui marque les trois ans de travail sur la normalisation de la 5G à l’échelle mondiale. Ce document a permis de définir les bases nécessaires pour la recherche et le développement de la 5G [3].

Après les prérequis définissant les besoins puis les technologies mobiles, l’objectif du IMT-2020 n’est rien d’autre que d’anticiper les besoins des utilisateurs de services mobiles dans les prochaines décennies. Dans cette deuxième phase qui sera marquée par le développement des standards, les chercheurs du monde entier ont jusqu’à 2020 pour proposer de nouveaux concepts et des technologies pour la 5G en s’appuyant sur la base des conclusions de la première phase.

Enfin vient la phase de déploiement sur la base des travaux déjà effectués dans les deux premières phases citées précédemment. Cette phase débutera à partir de 2020 pour le grand public mais quelques phases test sur terrain ont déjà eu lieu à l’occasion des Jeux Olympiques d’hiver de 2018 Pyeongchang en Corée du Sud [4].