Jean-Philippe Gauthier - 28 septembre 2020

Comment l’infrastructure réseau va supporter l’explosion du trafic de données promise par la 5G ?

La 4ème révolution industrielle promet plus de données pour une meilleure productivité, plus d’objets connectés pour une meilleure supervision des flux de production.  Mais l’infrastructure de câblage existante est-elle prête à supporter l’augmentation exponentielle du trafic de données à venir ?

La révolution digitale industrielle (enfin) en marche 

La digitalisation industrielle a récemment connu une accélération extrême. Dans les premières années de l'Industrie 4.0 ou de l'Internet des objets (IoT) au début des années 2010, l'accent était mis sur la "preuve des concepts". Aujourd'hui, la numérisation est largement utilisée dans la chaîne d'approvisionnement et de production pour accroître l'efficacité et la qualité des processus et des services entièrement nouveaux. 

L'usine digitale ou 4.0 (Smart Factory) joue un rôle central à cet égard. Elle se caractérise d'une part par l'utilisation complète et cohérente des données, et d'autre part par l'utilisation de systèmes d'assistance, de nouvelles technologies de fabrication et d'une automatisation flexible. L'intégration horizontale et verticale des divisions R&D, ingénierie, fabrication, gestion de la chaîne d'approvisionnement et des clients illustre les promesses portées par le concept « d’usine du futur ».  Des réseaux mondiaux apparaissent autour de ce qui est désormais appelé « la Smart Factory ». Les outils numériques intégrés et la possibilité de simulation augmentent la transparence de la chaîne d'approvisionnement et améliorent la capacité à réagir à des événements imprévus. 

Un autre aspect important de la digitalisation industrielle est le développement de produits et services intelligents pour permettre et monétiser de nouvelles applications. Grâce à une connectivité intégrée, à la technologie des capteurs et aux capacités de traitement des données, les produits intelligents sont capables d'exécuter des tâches de manière autonome, de se coordonner de manière centralisée et décentralisée via des plates-formes en nuage (cloud) et de s'adapter aux conditions et tâches environnementales changeantes. Les objets intelligents (IoT) constituent donc également la base du développement de services intelligents (smart services) tels que les modèles commerciaux basés sur les données, la ville intelligente (Smart City), l'agriculture intelligente (Smart Agriculture) ou les soins de santé intelligents (Smart Health).    

 

 De nouvelles applications qui nécessitent des flux de données gigantesques  

L'usine numérique sera de plus en plus connectée et sans fil. D'ici 2030, les revenus des machines-outils connectées atteindront 134 milliards de dollars, 78 milliards de dollars pour le monitoring des actifs et 40 milliards de dollars pour les automates connectés (source : ABI Research, cabinet d’étude de marché spécialisé dans les nouvelles technologies de l’information)(1).  

Le réseau LTE (Long Term Evolution) 4G peut à ce jour déjà supporter la majorité (85%) des applications industrielles, comme la réalité augmentée (RA), les capteurs pour la surveillance de l'environnement et la communication entre machines. À l'avenir, la 5G permettra le déploiement massif d’applications à base d’intelligence artificielle (IA), tels que l'analyse vidéo en temps réel 4K et 8K, le Multi-Access Edge Computing (MEC), qui permet de déplacer le trafic informatique et les services depuis un cloud centralisé vers un réseau périphérique, plus proche du client. Les communications ultra-fiables à faible latence (URLLC) pour les arrêts d'urgence critiques notamment, et les robots télécommandés par vidéo avec retour haptique pourraient également être amenés à être développés à grande échelle. D'ici 2030, ABI Research prévoit que la 5G deviendra la solution de connectivité cellulaire dominante, avec 344 millions de connexions à l'usine numérique. 

 

Les applications de l’industrie digitale apportées par la 4G (à gauche) et les nouveaux usages introduits par la 5G (droite) - Source : Nokia & ABI Research: Enterprise Digital Transformation Through Industry 4.0 (2020) 

 

Toutes ces applications sont amenées à augmenter significativement le trafic de données sur l’ensemble des réseaux : radio, fibre, cloud etc. Selon Ericsson, le trafic mobile devrait augmenter de quasiment 50% par an sur les années à venir. Une hausse de 30% supplémentaire a même été observée en 2020 en raison de la pandémie et de l’augmentation de la consommation des services numériques (streaming, visioconférence, etc.) 

 

Plus d’antennes relais, donc plus de fibres 

À première vue, un réseau mobile et un réseau fixe basé sur la fibre optique ont peu de choses en commun. Ils peuvent même être considérés comme des concurrents. Après tout, nous entendons régulièrement des histoires de consommateurs qui "coupent le cordon" et répondent à tous leurs besoins en matière de voix et de données de base avec leurs smartphones. 

En fait, c'est tout le contraire : la croissance des volumes de données qui doivent être transmises rapidement autour du réseau central "mobile" ne peut généralement pas être satisfaite par les technologies sans fil. Dans un environnement industriel, le cœur d'un réseau mobilequ’il soit public ou privé, est constitué de liaisons optiques fixes, déployées sur l’ensemble du campus, et permettant d’agréger les données de l’ensemble des applications numériques. 

Le problème inhérent à la 4G/5G est qu’en règle générale, plus la largeur de bande augmente, plus le débit autorisé est grand, mais plus la surface couverte par une cellule individuelle diminue, ce qui signifie qu'il faut plus de pylônes. Ainsi, étant donné que le trafic collecté par ces antennes ne peut pas être efficacement relayé vers les cellules de destination par la technologie sans fil, il faut une liaison optique.  

Par conséquent, la multiplicité des nouvelles antennes déployées, et l’augmentation du débit promis par la 5G nécessitent une infrastructure fibrée permettant le transport des données entre les switchs d’agrégation et le serveur principal à très haut débit. De plus, à ces nouveaux usages s’ajouteront les services gourmands actuels (vidéo, wifi, etc.).  

 

  Réseau privé industriel intégrant la 5G

Réseau privé industriel intégrant la 5G. Les lignes oranges représentent les liens fibrés dont certains sont multimodes et donc limités en débit 

 

Ceci représente un challenge pour un grand nombre de DSI (Directeurs des Systèmes d’Information), qui devront s’assurer que l’infrastructure de câblage pourra supporter cette hausse de trafic à venir. 

 

AROONA relève le défi de la 5G 

Dans bon nombre de sites industriels, les plus anciennes des fibres optiques déployées sont multimodes et restent limitées à des débits inférieurs au Gb/s, ne répondant pas aux besoins bien supérieurs inhérents à la 5G, et pouvant aller jusqu’à 100 Gb/s. 

Selon l’étude réalisée par NOKIA(1), les participants ont mis en avant le besoin de « digitaliser » et d’améliorer les infrastructures existantes (63%). L’un des principaux leviers pour y parvenir serait de remplacer les infrastructures vieillissantes, selon 43% des participants. 

En transformant les fibres multimodes en fibres monomodes, la solution AROONA de Cailabs modernise les infrastructures obsolètes et rend compatible la technologie 5G avec les fibres d’ancienne génération. AROONA pérennise les réseaux optiques sans nécessité de remplacer les anciennes fibres, accélérant ainsi le déploiement de la 5G en supprimant l’étape de génie civil nécessaire. 

De plus, la principale exigence du réseau 5G est le multiplexage de toutes les longueurs d'onde de service d'une station de base dans le but d'économiser les ressources en fibresLes solutions CWDM, DWDM et LWDM à 25G répondent aux nouvelles exigences en matière de largeur de bande et de capacité de la 5G. La comptabilité d’AROONA avec le multiplexage en longueur d’onde en fait un candidat privilégié pour la mise à niveau des réseaux optiques fibrés multimodes. 

En savoir plus sur la solution AROONA

Sources :  

(1) Nokia & ABI Research: Enterprise Digital Transformation Through Industry 4.0 (2020). Lire l'article

(2) Fiber in 5G reportsTélécharger le livre blanc de Viavi 

Par Jean-Philippe Gauthier

Jean-Philippe Gauthier est titulaire d’un doctorat de physique, obtenu à l’INSA de Rennes en 2011. Après 5 années passées dans l’industrie en tant que chef de projet dans le domaine des objets connectés et de l’usine 4.0, il rejoint Cailabs en 2020 où il assure la fonction d’ingénieur avant-ventes pour la gamme de produit AROONA.