Hexa-X : la technologie 6G et son évolution à ce jour

La vision et les ambitions exposées dans notre dernier article de blog, Hexa-X – L’initiative européenne commune pour façonner la 6G, nous ont guidées dans le travail que nous avons entrepris pour commencer à définir la 6G. Pour poser les bases, le projet a commencé par une étude des potentiels cas d’usage de la 6G et des mesures de performance pertinentes. Nous avons également analysé les catalyseurs technologiques potentiels dans une revue des forces et faiblesses.  

Usages de la 6G 

Le projet Hexa-X a identifié un grand nombre de cas d’usage de la 6G, que l’on peut catégoriser en cinq grandes familles, selon les défis relevés et les catalyseurs technologiques potentiels.

Les grandes catégories de cas d’usage 6G potentiels, identifiées par le projet Hexa-X. Source : Hexa-X, D1.2.

Ces catégories comprennent : 

Le développement durable : Les nouvelles fonctionnalités envisagées par la 6G garantiront des opportunités sans précédent pour permettre au développement durable de s’étendre à tous les aspects de la société ou de l’industrie, en exploitant la possibilité de collecter des données et de déclencher des réactions à l'échelle mondiale. Par exemple, le cas d’usage « Surveillance de la planète » s’appuie sur l’installation de capteurs partout dans le monde afin de contrôler les indices environnementaux. Le cas d’usage « E-santé pour tous » a pour but d’ouvrir l’accès à la e-santé, y compris aux populations défavorisées et excentrées. Le cas d’usage « Couverture institutionnelle » garantit une performance exceptionnelle à des institutions sélectionnées dans des zones mal desservies. Enfin le cas d’usage « Chaîne d’approvisionnement autonome » peut intégrer les technologies d’IA (Intelligence Artificielle) ainsi que de machine learning à l’échelle mondiale pour réduire les déchets de production ou de chaînes logistiques. 

La généralisation de ces cas d’usage peut être facilitée par l’introduction dans le réseau 6G, de réseaux non terrestres (satellites ou plateformes de haute-altitude) et de réseaux à liaison terrestre sans fil. En parallèle, l’IA et le machine learning garantissent une analyse de la rentabilité. 

Les zones de confiance localisées : certains cas d’usage nécessitent temporairement une performance extrême, en termes de capacité de traitement, de fiabilité, ou de sécurité, à un niveau tel qu’il est impossible de les appliquer à un réseau de grande ampleur. Il peut notamment s’agir de soins de santé de précision, pour lesquels des dispositifs se connectent à un centre local qui garantit que toute donnée confidentielle reste en local et privée. Pour cela plusieurs solutions existent. Les réseaux d’infrastructures de capteurs, dans lequel des capteurs installés, qu’ils soient embarqués ou tiers, sont connectés, authentifiés et dans lesquels les données des capteurs sont vérifiées et intégrées à une représentation numérique du monde physique. Le micro-réseaux IoT (internet des objets) pour les smart cities, où des dispositifs IoT simples, se connectent de manière autonome les uns aux autres pour former des réseaux avec un maillage local sans qu’il soit nécessaire de densifier le réseau. Il existe également des extensions de réseau sans infrastructures et de réseaux embarqués, où la couverture est hors de portée des périphéries réseaux, par exemple, grâce à un auto-relais multi-sauts. Un micro-réseau à faible couverture et faible puissance dans les réseaux destinés à la production et à la fabrication, par exemple, dans une usine où de nombreux dispositifs IoT sont interconnectés, et s’appuient sur un spectre loué localement. Enfin une couverture locale temporaire peut être utilisée où, par exemple, un PMSE (Programme making and special events) nécessite des équipements d’enregistrement et de diffusion interconnectés très performants pour, notamment, des licences de fréquences temporaires. 

Afin de permettre un déploiement rentable de la 6G sans pour autant avoir besoin de passer par des réseaux dédiés, crées sur mesure, il doit être possible de déployer un réseau de sous-réseaux, dans lequel les données et la connectivité restent à l’échelle locale, alors que la gestion et la configuration s’effectuent à l’échelle macroscopique. 

Des robots aux cobots : avec l’avènement de l’IA, du machine learning et la prolifération de systèmes autonomes, les robots s’ancreront encore plus dans nos sociétés et industries, à la fois sous la forme de robots grand public à usage domestique et public, et de robots industriels complexes garantissant une fabrication flexible. Plus leurs capacités évoluent, plus ils seront responsables de tâches encore plus complexes, nécessitant des robots mobiles et en interaction et coopération étroite (aussi appelés cobots). Ceux-ci collaborent à la fois avec des humains et d’autres systèmes autonomes, tout en apportant des solutions pour éviter tout incident préjudiciable. En outre, de nombreux systèmes d’IA existeront uniquement sous la forme de logiciels, notamment dans un cloud. Ils serviront de partenaire pour assister l’utilisateur chaque fois qu’il interagit avec un dispositif ou un système connecté. 

Elena Fersman, Directrice des recherches en IA pour Ericsson, commente l’évolution de la télérobotique.

Un jumelage de masse : La création de jumeaux numériques, à partir d’êtres humains, d’objets physiques et de processus, est rendue possible par le modelage et la reproduction fidèles du monde réel. Elle ouvrira la voie à des expériences inédites, et permettra de comprendre et de contrôler ces systèmes. Cela inclut à la fois une application du concept du jumeau numérique, introduit par la 5G, au processus industriel, notamment de fabrication, et, en outre, son extension dans d’autres domaines de la société. Par exemple, en appliquant le jumeau numérique à la production alimentaire durable, il est possible de surveiller en temps réel la santé, les besoins et les troubles des cultures et du bétail. Il est alors possible d'administrer de manière autonome des nutriments/aliments et de répondre à toute menace afin d'augmenter le rendement et de réduire le gaspillage. 

Il est en outre envisageable que chaque aspect d’une ville entière soit entièrement représenté numériquement, permettant ainsi un modelage, un contrôle et une gestion précise de la plupart des services privés et publics, tels que les services généraux, les transports en commun, la santé publique, ou le contrôle de l’environnement et de la pollution, pour une smart city immersive. 

Découvrez comment nous intégrons les jumeaux numériques dans le Port de Livourne.

Téléprésence et travail à distance : Interagir avec, ou faire l’expérience du monde physique à distance, tout en jouissant d’une reproduction fidèle du monde réel deviendra la norme d'ici 2030. Cela inclut à la fois la réalité virtuelle, augmentée ainsi que la réalité mixte, grâce auxquelles les utilisateurs peuvent interagir avec les reproductions virtuelles d’autres êtres humains ou objets en temps réel, par le biais d’interactions multi-sensorielles, en étendant l’expérience audio-visuelle à des expériences haptiques ou même olfactives, qui créent un monde cyber-physique totalement fusionné. 

Les applications de la téléprésence iront de l’expérience passive via la diffusion de contenus sur vos équipements AR/VR locaux, comme regarder un spectacle ou une présentation à distance, par exemple dans le cadre d’un évènement sportif immersif, à l’expérience entièrement immersive, dans laquelle votre avatar capture et réplique chacun de vos mouvements et offre des interactions continues avec des objets virtuels. Par exemple, dans le cadre d’un jeu AR multi-joueurs immersif en public, d’un jeu de réalité mixte ou de la co-création, avec d’autres joueurs à distance, d’un prototype numérique avec un feedback haptique, permettant la co-création d’une réalité partagée. Cela demanderait aux appareils et applications locaux de contrôler et réagir à l’environnement local afin de positionner les objets virtuels correctement, au milieu d’objets réels. 

Objectivement, la liste des cas d’usages potentiels de la 6G est loin d’être exhaustive, et certains cas d’usage actuels deviendront extrêmement plus poussés d'ici 2030, tandis que d’autres ne pourront pas même être inventés tant que les systèmes 6G ne seront pas déployés. 

Des valeurs clés au-delà de la connectivité 

Les mesures d’évaluation des systèmes 6G devront s’étendre au-delà des KPIs (indicateurs de performance clés) car il ne sera pas suffisant de concevoir la 6G simplement comme « X fois la 5G ». 

Le projet Hexa-X a identifié un premier ensemble d’indicateurs essentiels pour la 6G. Les mesures d’évaluation portent sur différents aspects des cas d’usage possibles de la 6G et des performances du réseau, comme l’indique le schéma ci-dessous. 

Classification des indicateurs de performance clés (KPI) et des indicateurs de valeur (KVI) proposés par Hexa-X. Source : Hexa-X D1.2

Evolution extrême des capacités : Les cas d’usage actuels vont continuer de gagner en importance, ce qui implique l’augmentation des exigences de performance liées aux débits des données, à la densité de connexion, la capacité de trafic, et la précision d’emplacement. 

Révolution des nouvelles mesures de bout-en-bout : Avec les cas d’usage de la 6G qui se développent, il ne sera sans doute plus suffisant de sous-optimiser le réseau, en se concentrant seulement, par exemple, sur la performance de l’interface radio. A la place, il faut adopter une approche holistique, et considérer la performance de bout-en-bout liée à l’efficacité énergétique, la disponibilité des services, le déterminisme ou la couverture, par exemple, pour garantir une performance fiable. 

Nouveaux domaines de compétences : La 6G étant appelée à s’étendre au-delà de la connectivité, de nouvelles compétences s’offriront à nous, comme l’IA et le calcul intégré omniprésent, la convergence de la communication et de la détection ainsi que l’intégration d’appareils de captage d’énergie. Cela peut améliorer la performance globale du réseau, et la performance de KPI traditionnels, et introduire de nouveaux KPIs propres à certains domaines.  

Domaines d’indicateurs de valeur clé : La 6G étant appelée à faire partie intégrante de la société, il ne sera plus suffisant de prendre en compte les seuls paramètres de performance technologique lors de la conception et le déploiement du système. A cet effet, les indicateurs de performance clés ont été complétés par des indicateurs de valeur clés, englobant des aspects tels que l’inclusion et l’acceptation, la fiabilité et la durabilité. 

Pour définir les cas d’usage possibles de la 6G et les KPI/KPV adéquats, le projet Hexa-X s’intéressera aux catalyseurs technologiques de la 6G appliqués à plusieurs domaines techniques. Le projet Hexa-X a déjà publié des résultats sous forme d’une analyse des outils de pointe et des lacunes. Mais de quoi s’agit-il exactement ? 

Performance radio vers la 6G 

Actuellement, l’exploitation de fréquences sub-THz (100-300 GHz) pour les communications mobiles n’en est qu’à ses débuts. Compte tenu des défis imposés par les lois de la physique, ou, autrement dit, par la génération, la propagation et la réception de ces fréquences, la conception de systèmes de communication sub-THz commercialement viables nécessitera une approche complètement nouvelle et holistique. 

Hexa-X étudiera systématiquement et conjointement la forme et la modulation des ondes, la caractérisation du canal radio, la formation de faisceaux et la praticabilité du matériel, en ayant pour objectif d’intégrer la conception de la radio sub-THz au système 6G. Hexa-X s’attachera particulièrement à la forme des ondes et leur modulation au-delà de la nouvelle radio 5G (5G NR), ce qui nécessitera peut-être l’adoption de normes 3GPP quant à la conception de l’interface radio 6G au-delà de 100 GHz. 

Outre la communication sans fil, Hexa-X étudiera également l’utilisation des bandes sonores millimétriques et sub-THz pour le développement de solutions de positionnement peu onéreuses, ne consommant que peu d’énergie, et très performantes, avec une précision <1cm, le tout dans des délais infimes et dans le respect de la vie privée. L’objectif est de faire de la localisation et de la détection des éléments clés des systèmes de communication 6G dès leur conception. 

Le projet Hexa-X a récemment publié des résultats d’étude des aspects initiaux de la performance radio de la 6G, intitulés « Vers la communication Tbps 6G : cas d’usage et analyse des écarts ». 

Plus précisément, l’extension aux fréquences sub-THz requiert un changement d’application découlant des propriétés de propagation associées, ainsi que de plus grandes largeurs de bandes passantes. A ce titre, le projet Hexa-X a identifié trois catégories de cas d’usage différentes applicables aux fréquences sub-THz : 

• Faible portée : Les communications intérieures entre terminaux et infrastructures, ainsi qu’entre terminaux, bénéficieraient du débit le plus élevé, et la connectivité en visibilité directe serait assurée.  
• Forte portée : Pour les liaisons sans fils fixes, les largeurs inédites de bandes passantes garantiraient une capacité suffisante aux réseaux de transmission sans fil. Les liaisons sans fil mobiles avec des points de réseaux non-terrestres, tels que des satellites ou des plateformes à haute altitude (HAP) pourraient, elles, offrir d’excellentes performances pour la couverture extérieure. 
• Détection : en reprogrammant les signaux reçus, le réseau serait capable de déceler les informations relatives à la localisation de l’appareil et de son environnement proche, grâce à l’interface radio existante, qui jouerait le rôle de récepteur radar. La résolution de la détection est proportionnelle au signal de la bande passante, la bande-passante disponible à des fréquences sub-THz peut assurer une performance bien supérieure qu’aux fréquences inférieures. En outre, compte tenu de la réflexion intrinsèquement dépendante de la fréquence des différents matériaux, les signaux sub-THz peuvent également être utilisés pour une analyse spectroscopique en ligne. 

Schéma 3. Les catalyseurs technologiques clés permettant d’accomplir la radio communication Tbps/THz selon Hexa-X.

Pour répondre à ces cas d’usage 6G, le projet Hexa-X a commencé par analyser les composants technologiques nécessaires. Par exemple, pour atteindre une capacité de traitement de 1 Tbps, les bandes passantes utilisées requièrent une bande passante plus puissante, seulement disponibles dans des plages de fréquences supérieures (par exemple, entre 100 et 300 GHz). Toutefois, cela implique de nouveaux défis, notamment de performance du hardware en termes de puissance de sortie réalisable et de bruit, mais aussi concernant les caractéristiques du canal de propagation en termes d'interactions onde-matériaux, de pertes atmosphériques et de trajets multiples. 

Pour cela, le projet évaluera différentes formes d’ondes et plusieurs systèmes de modulation, ainsi que plusieurs techniques de formation de faisceaux, tout en gardant à l’esprit que cela doit être compatible avec les limites du hardware. Nous développerons également des modèles de canal radio spécifiques à la bande passante sub-THz. De plus, pour augmenter la densité du réseau et réduire la distance de propagation, nous étudierons le concept de MIMO sans-cellules distribuées, où les antennes sont réparties dans l’espace, au lieu d’être placées au sein de grands réseaux d’antennes, de sorte que chaque dispositif ou équipement utilisateur (UE) soit desservi par un sous-ensemble optimal d’antennes distribuées. 

Les réseaux 6G, à la croisée de l’intelligence et d’une organisation ingénieuse 

Les AI/ML se posent comme des outils clé permettant la concrétisation de la 6G, qui améliorent l’efficacité et l’expérience utilisateur. Ensemble, ils peuvent révolutionner les coûts, la consommation énergétique, le niveau de fiabilité et l’efficacité des infrastructures de réseaux. L’IA permet aux réseaux de s’adapter plus vite et plus précisément aux changements de scénario et de demande de trafic, en agissant sur des mécanismes d’organisation prédictive dans les futurs réseaux 6G. L’organisation du réseau devrait répondre à une logique de bout-en-bout dans ses processus de décision, et coordonner des actions entre différents éléments, tels que les fonctions désagrégées du RAN, l’informatique de périphérie, et les espaces de stockage privés et publics. 

A cet effet, le projet Hexa-X a récemment publié une analyse de l’organisation des réseaux et de la gestion des services de 6G intitulé « Lacunes, caractéristiques et catalyseurs de l’organisation et de la gestion des services B5G/6G ». 

D’importants travaux sont en cours pour rechercher, développer et normaliser les techniques d’organisation de services automatisés, notamment la fonction d’analyses de données de réseaux (NWDAF) du 3GPP, mais aussi la gestion et l’organisation (MANO) de l’ETSI, qui vise à utiliser l’IA pour garantir de meilleures performances. 

Hexa-X entend explorer plusieurs aspects de l’organisation améliorée, tels que l’organisation à multipartite ou de bout-en-bout, mais également appliquer les techniques propres aux technologies d’IA/ML, telles que l’interaction des composants de l’intelligence artificielle à l’échelle du réseau et basée sur l’intention entre les couches. Afin d’assurer l’intégration de mécanismes de l’IA, il sera au préalable nécessaire de rendre ces derniers compréhensibles et fiables, de manière à pouvoir identifier et résoudre toute défaillance. En outre, le projet explorera plusieurs aspects de l’introduction de l’organisation du service, tels que le développement de la fonction « cloud native » et l’étude des améliorations possibles de l’interface, qui pourrait permettre l’optimisation conjointe des ressources et l’emploi de techniques d’intégration continue et de développement continu (CI/CD). 

Progrès dans l’évolution et l’extension du réseau 

Les réseaux 6G devraient évoluer jusqu’à se doter de nouveaux réseaux spécifiques tout en garantissant une couverture mondiale complète. Pour répondre à ces objectifs, les réseaux 6G doivent être conçus de manière à pouvoir intégrer en continu tout un panel d’éléments et de sous-réseaux bénéficiant d’une fonctionnalité d’intelligence artificielle intégrée et distribuée. Nous étudierons notamment pour cela la programmabilité des réseaux dédiés et les architectures rationalisées d'accès radio et de réseaux centraux « cloud native », ce qui permettra d’augmenter la flexibilité du déploiement et de l’exploitation de la 6G. Pour s'étendre à de nouveaux domaines d'application spécialisés, les solutions de réseau à usage spécifique doivent être dotées de la 6G. Pour s’étendre au-delà du monde numérique, dans un réseau interconnecté, il faut s’appuyer sur les catalyseurs technologiques propres à l’interaction homme-machine ainsi que sur les jumeaux numériques immersifs. 

Schéma 4. Les cas d’usage de la 6G liés à des fonctionnalités spécifiques proposées par Hexa-X

Le projet Hexa-X a récemment publié une étude des premières exigences requises pour les scenarii verticaux de l’IoT en 6G, intitulée « Analyse des écarts et planification des travaux techniques en vue des fonctionnalités spécifiques ». 

En substance, les exigences pour les scenarii IoT peuvent être classées en deux catégories : la couverture durable, comprenant des cas d’usage comme « Surveillance de la Terre » et « Supply-chain autonome », « Micro-réseaux IoT au cœur des smart cities » et « Smart cities immersives ». Et la fiabilité, comprenant des cas d’usage tels que « Robots collaboratifs », « Jumeaux numérique pour l’industrie » et « Téléprésence ». 

Les exigences en termes de fiabilité peuvent être détaillées comme suit : la disponibilité, pour garantir la distribution des paramètres QoS (Quality of Service) requis ; la stabilité, c’est-à-dire la minimisation du risque de défaillances ; la sécurité, permettant d’éviter les conséquences catastrophiques de bug ou défaillances, l’intégrité, qui garantit que les données ne soient pas corrompues au cours de la communication ; et, enfin, la maintenabilité, indiquant le temps requis pour résoudre toute défaillance ou problème de maintenance. 

Les exigences en termes de couverture durable peuvent être détaillées comme suit : la valeur et le coût des renseignements collectés ; la quantification des bénéfices et des coûts de différentes configurations de couverture, en termes de coûts monétaires mais également environnementaux et énergétiques ; et la flexibilité, c’est-à-dire la capacité des déploiements actuels à s’adapter à différentes tâches. 

En route vers la 6G 

Comme le montrent les études mentionnées, les travaux autour de la 6G se multiplient, les analyses des écarts indiquant les domaines sur lesquels se concentrer. De nouvelles analyses des écarts paraitront cette année, sur la localisation et la détection, la communication axée sur l’AI, la co-conception des systèmes, et les catalyseurs et composants clés de l’architecture de la 6G. En plus de ces études, le projet Hexa-X s’orientera vers la recherche des catalyseurs technologiques, comblant ainsi le manque de recherche à ce sujet, pour permettre de poser les bases des futurs systèmes 6G.  

Découvrez également  

Les études Hexa-X : 

• D1.2 
• D2.1 
• D6.1 
• D7.1  

Consultez le site du projet 

Découvrez notre précédent billet de blog au sujet d’Hexa-X : Hexa-X, l’initiative européenne commune pour façonner la 6G. 

Découvrez nos travaux de recherche sur les infrastructures numériques intelligentes et les futures tendances réseau.