Les Grands défis du CRC

Les projets Grands défis du Centre de recherches sur les communications visent à s'attaquer aux problèmes fondamentaux qui menacent l'avenir du sans fil. Les activités de R-D du CRC visent en grande partie à relever ces trois grands défis : maîtriser l'environnement des radiofréquences; favoriser une meilleure utilisation du spectre; et briser la barrière fréquentielle.

L'innovation au service de notre monde sans fil

Bien que le spectre des radiofréquences (RF) soit invisible, ces ondes invisibles jouent un rôle essentiel dans notre quotidien et dans la prospérité du Canada. Que ce soit pour envoyer un message texte à un ami, naviguer à l'aide du système GPS, atterrir à bord d'un aéronef commercial ou attendre l'arrivée d'une ambulance à la suite d'un appel 911, nous dépendons des communications sans fil acheminées par des ondes du spectre des RF.

Qui gère le spectre?

Au Canada, c'est le ministère de l'Innovation, des Sciences et du Développement économique qui gère le spectre. Certaines bandes sont utilisées en vertu d'une licence. Votre fournisseur de services de téléphonie cellulaire, par exemple, possède une licence qui lui donne le droit exclusif d'utiliser une bande donnée du spectre. D'autres bandes sont exemptes de licence, donc toute personne équipée du bon équipement peut y accéder. Les moniteurs pour bébé, les ouvre-portes de garage, les jouets téléguidés et votre réseau Wi-Fi résidentiel utilisent tous des bandes de fréquences sans licence.

La pénurie de spectre

Au cours des 10 prochaines années, le nombre de dispositifs nécessitant une connectivité à un réseau sans fil — qu'il s'agisse de réfrigérateurs ou de voitures automatisés — devrait connaître une croissance exponentielle. Non seulement il y aura davantage de dispositifs reliés à l'Internet des objets (IdO), mais les consommateurs exigent que leurs dispositifs fournissent plus de renseignements, plus rapidement, ce qui sollicite encore plus le spectre. Or, le spectre des RF est une ressource limitée. Une bande donnée peut transmettre une quantité limitée de renseignements, et les bandes ne peuvent pas toutes être utilisées pour les communications mobiles commerciales qui connaissent une expansion très rapide.

Pour éviter une crise du spectre, nous devons : mieux comprendre l'utilisation actuelle du spectre, trouver de nouvelles façons de gérer le spectre, et mettre au point des technologies novatrices qui ouvriront de nouvelles bandes de fréquences pour les communications mobiles commerciales.

Les projets Grands défis du Centre de recherches sur les communications visent à s'attaquer à ces problèmes fondamentaux qui menacent l'avenir du sans-fil.

Centre d'analyse des mégadonnées

D'ici 2021, l'Union internationale des télécommunications prévoit qu'il y aura plus d'un milliard de dispositifs qui communiqueront à l'aide du spectre des RF. Le nouveau Centre d'analyse des mégadonnées du CRC donne, pour la première fois, au gouvernement et aux chercheurs la possibilité de visualiser de volumineux ensembles de données sur l'utilisation du spectre en temps quasi réel. Cette façon novatrice de fournir des données procure aux chercheurs un outil à la fine pointe de la technologie pour comprendre comment le spectre est utilisé et déterminer les aspects à améliorer.

Les trois grands défis du CRC

Maîtriser l'environnement des radiofréquences

Comment utilise-t-on actuellement le spectre? En vérité, nous ne le savons pas. Les chercheurs du CRC mettent actuellement au point un prototype qui surveillera et analysera l'utilisation du spectre en temps réel, une première étape nécessaire en vue d'assurer une meilleure gestion de cette ressource.

Pénurie de spectre

En raison de l'explosion de la demande pour les services sans fil, de nombreux experts prédisent que nous serons confrontés à une pénurie de spectre d'ici cinq à dix ans. Pour trouver des solutions au nombre de plus en plus restreint de bandes de fréquences disponibles, la première étape essentielle consiste à comprendre l'utilisation que nous faisons actuellement des bandes de fréquences : quelles bandes utilise-t-on? Quand les utilise-t-on? Où les utilise-t-on? Et est-ce que les réseaux fonctionnent efficacement?

Prototype pour MER

Pour répondre à ces questions très simples en apparence, il faut un système extrêmement complexe qui permet de surveiller, puis d'analyser des milliards de signaux envoyés sur de nombreuses fréquences dans un secteur géographique ayant la superficie du Canada. De plus, pour être vraiment utile, ce système doit transmettre rapidement l'information à l'utilisateur, en assurant un suivi de l'évolution de l'utilisation de minute en minute, et lui fournir des réponses sous une forme facile à interpréter.

Le projet Maîtriser l'environnement des radiofréquences (MER) des Grands défis du CRC vise à mettre au point le tout premier système conçu pour fournir pratiquement en temps réel de l'information sur l'utilisation du spectre aux gestionnaires et aux chercheurs du spectre. L'objectif initial est d'élaborer un prototype qui fournira des renseignements détaillés sur l'utilisation du spectre dans la Région de la capitale nationale. L'équipe étendra ensuite la portée de cette initiative à d'autres régions urbaines du Canada, comme Toronto, Montréal ou Vancouver. Après une démonstration de faisabilité viable, le système MER pourra ensuite servir de modèle pour la mise au point, par des gouvernements ou des entreprises du secteur privé, de systèmes à grande échelle de surveillance du spectre.

MER de capteurs

D'un côté, le système MER compte sur un réseau de capteurs — certains sont mobiles et d'autres, stationnaires — qui recueille des données sur l'utilisation du spectre. Il s'agit notamment d'applications spéciales installées dans des téléphones cellulaires et sur des tours de télécommunications stationnaires existantes, ainsi que des capteurs mobiles à bord de véhicules en déplacement comme des voitures, des autobus ou des camions.

À l'autre côté du système se trouve l'utilisateur — par exemple un gestionnaire du spectre — qui doit obtenir rapidement des données sur l'utilisation du spectre dans un secteur en particulier. Entre les deux, il y a un ensemble d'outils logiciels qui gèrent les interactions entre l'utilisateur et les capteurs : il faut d'abord interpréter la requête de l'utilisateur, la transposer en instructions pour le réseau de capteurs, et ensuite recueillir les données des capteurs, les analyser et les fournir à l'utilisateur dans un format qu'il est en mesure de comprendre.

Fonctionnement de MER

Si, par exemple, un gestionnaire du spectre reçoit des plaintes de brouillage de la réception GPS au centre-ville de Vancouver entre 9 h et 10 h, il doit envoyer une requête au système MER. Celui-ci transpose la requête en instructions simples pour le réseau de capteurs pour lui indiquer d'activer tous les capteurs qui se trouvent dans ce secteur et qui enregistrent des données dans la gamme de fréquences appropriée entre 9 h et 10 h. Les capteurs acheminent ensuite les données aux outils logiciels du système MER, qui les compilent et les analysent. Pour terminer, le système MER convertit les données en représentations visuelles que l'utilisateur peut rapidement interpréter.

Lorsqu'il sera terminé, le prototype du système MER sera le premier système au monde à assurer la surveillance du spectre, plaçant ainsi le Canada à l'avant-scène des technologies de surveillance du spectre.

Favoriser une meilleure utilisation du spectre

Pouvons-nous utiliser notre spectre de manière plus efficace? Les chercheurs du CRC mettent au point des techniques et des technologies novatrices afin de mieux utiliser le spectre par le biais, par exemple, du partage de réseaux et de bandes de fréquences.

En 2017, les Canadiens ont envoyé plus de 43 pétaoctets de données mobiles chaque mois. D'ici 2020, les expertsNote de bas de page 1 prévoient que ce volume dépassera les 186 pétaoctets : 46 millions de DVD de données mobiles par mois.

Les chercheurs du CRC étudient de nouvelles façons d'intégrer davantage de réseaux, de services et de dispositifs à notre spectre des RF actuel en relevant un Grand défi : Favoriser une meilleure utilisation du spectre (FMUS). Les chercheurs affectés à ce projet examinent plus particulièrement la façon dont de nouvelles technologies (par exemple les nouveaux téléphones mobiles), conçues pour déceler et exploiter les bandes de fréquences inutilisées, pourraient être intégrées à notre combinaison actuelle appareils mobiles-technologies sans perturber les systèmes existants. Ils se concentrent sur les aspects suivants :

  • trouver de nouvelles façons de mesurer le partage du spectre;
  • définir les règles qu'il faut adopter pour réduire au minimum le brouillage;
  • déterminer la meilleure façon d'attribuer des bandes de fréquences pour permettre le partage du spectre.

Phase 1 : Les réseaux Wi-Fi et cellulaires

Les réseaux Wi-Fi et cellulaires

Au cours de la première phase du projet FMUS, les chercheurs utilisent des modèles informatiques complexes pour simuler des réseaux Wi-Fi et cellulaires dans une multitude de scénarios où ces réseaux partagent des fréquencesNote de bas de page 2. Par exemple, ils modélisent le comportement des réseaux Wi-Fi et cellulaires à l'intérieur d'une aérogare achalandée et examinent comment, quand et où le brouillage se produit. Ils manipulent le modèle afin de simuler différentes solutions qui permettent d'atténuer le brouillage, puis ils examinent attentivement les résultats obtenus. Ces solutions peuvent comprendre, par exemple, l'imposition de nouvelles règles d'« étiquette » sur les réseaux pour accorder aux dispositifs « à transmission hors trafic » plus de temps pour transmettre leurs données sur le réseau. Un exemple de dispositif « à transmission hors trafic » serait un téléphone mobile conçu pour abaisser son niveau de puissance afin d'éviter tout brouillage avec d'autres dispositifs à proximité.

Dans leur étude du brouillage entre les réseaux Wi-Fi et cellulaires dans le cadre de la première phase du projet FMUS, les chercheurs mettent également au point les outils dont ils auront besoin pour analyser l'incidence des nouvelles technologies de partage de fréquences sur les réseaux actuels, la prochaine étape du projet FMUS.

Partage dynamique des fréquences

Au cours des phases 2 et 3 du projet FMUS, les chercheurs se pencheront sur le « partage dynamique des fréquences ». En d'autres mots, ils examineront les technologies et les règles que nous devons mettre en œuvre pour passer de notre modèle traditionnel d'attribution des bandes de fréquences avec ou sans permis, à un modèle vraiment dynamique où les réseaux et les dispositifs intelligents détectent, sélectionnent et utilisent en tout temps n'importe quelle bande de fréquences libre. L'un des aspects essentiels de cette recherche consiste à s'assurer qu'au moment où nous passerons à un partage plus ouvert des bandes de fréquences, les entreprises ou les groupes qui détiennent une licence pour des bandes de fréquences soient protégés contre le brouillage causé par des dispositifs de partage de fréquences.

En trouvant de nouvelles façons d'utiliser plus efficacement nos bandes de fréquences actuelles, les chercheurs du CRC mettent au point les outils dont le Canada aura besoin pour exploiter à fond l'avenir de nos technologies sans fil.

Briser la barrière fréquentielle

Pouvons-nous ouvrir de nouvelles bandes de fréquences pour les communications mobiles commerciales? Les chercheurs du CRC étudient des technologies de pointe, comme de nouvelles antennes et des surfaces usinées, qui nous permettront d'ouvrir de nouvelles gammes de fréquences pour les futures communications mobiles commerciales.

La technologie des communications sans fil touche aujourd'hui beaucoup plus d'aspects de notre vie que nous aurions pu l'imaginer il y a seulement dix ans. Nous naviguons sur Internet pendant que nous marchons dans la rue d'un village, téléphonons à des amis pendant que nous revenons à la maison en autobus, envoyons des photographies sur les médias sociaux tout en étant assis dans un canot au milieu d'un lac : ce ne sont là que quelques-unes des percées modernes qui font appel aux communications sans fil.

Faire face à la pénurie de spectre

En raison de l'expansion des services de communications mobiles et de l'énorme afflux de dispositifs sans fil sur le marché, nous épuisons rapidement le spectre de communications mobiles ayant la capacité (bande passante) de transmettre la quantité faramineuse de données numériques prévues dans un avenir rapproché. Alors, où la prochaine génération de réseaux 5G trouvera-t-elle la bande passante nécessaire dans un monde sans fil en constante expansion?

Les chercheurs qui travaillent sur le Grand défi Briser la barrière fréquentielle (BBF) du CRC adoptent une approche inédite à l'égard de la prochaine génération de services à large bande mobile. Au lieu de concentrer leurs efforts de recherche sur les bandes de radiofréquences (RF) utilisées actuellement pour les communications mobiles, ils étudient la possibilité d'exploiter des fréquences beaucoup plus élevées pour acheminer nos données numériques.

Une nouvelle façon d'établir un réseau

Puisque ces ondes à hautes fréquences n'ont jamais été utilisées pour les services à large bande mobile, les défis sont considérables, tout comme les retombées potentielles. Ces bandes à hautes fréquences possèdent la bande passante nécessaire pour faire face au futur torrent de données numériques, mais, surtout, elles représentent une « toile vierge », un domaine où les chercheurs peuvent mettre au point des technologies novatrices et des spécifications pour la prochaine génération de réseaux 5G qui seront :

  • Intelligents : En mesure de détecter l'utilisation du spectre, de prendre des décisions sur la façon de transmettre les données de la manière la plus efficace, puis d'établir les connexions pour le faire.
  • Souples : Pour que les dispositifs des utilisateurs « connaissent » l'emplacement des tours stationnaires et puissent, tout en étant en mouvement, y avoir accès directement ou par l'entremise d'autres dispositifs d'utilisateurs. Le réseau pourrait ainsi modifier la configuration, déterminer les fréquences à utiliser sans intervention humaine et prendre ces décisions sans aucune incidence sur la qualité du service.

Site d'essai mobile des hautes fréquences

Les scientifiques du CRC affectés au projet BBF étudient des bandes à hautes fréquences pour bien comprendre la façon de les exploiter pour les services mobiles à large bande. La portée de leurs travaux va de l'analyse de l'interaction des ondes à hautes fréquences avec l'environnement physique, à la mise au point des systèmes spécialisés nécessaires à l'émission et à la réception des données dans ces hautes fréquences, en passant par la mise sur pied d'un site d'essai dans un environnement intérieur et extérieur. L'objectif est de développer les technologies et les connaissances fondamentales dont le gouvernement et l'industrie ont besoin pour exploiter ces bandes à hautes fréquences pour les communications mobiles.

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