Quelles fréquences pour la 5e génération de systèmes de communication mobile ?

07/05/2017
Auteurs : Heykel Houas
Publication REE REE 2017-2
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2017-2:19253

Résumé

Quelles fréquences pour la 5e génération de systèmes de communication mobile ?

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18 Z REE N°2/2017 l’échelon planétaire. On a perdu de vue que ces objets ont des orbites approximatives et difficilement contrôlables ; ils deviennent en fin de vie pour la plupart des débris dange- reux et à trajectoire imprévisible et inobservable en raison de leur taille. La législation internationale, même si elle reste diversement respectée, prévoit une désorbitation des satel- lites conventionnels en fin de mission vers l’espace lointain. Les limitations technologiques des microsatellites ne per- mettent pas cette manœuvre. Quoi qu’il en soit, les microsatellites sont promis à un bel avenir car ils ouvrent la voie de l’accessibilité de l’espace aux utilisateurs aux moyens modestes. Q André Deschamps ACTUALITÉS Quelles fréquences pour la 5e génération de systèmes de communication mobile ? La 5G a pour ambition d’offrir aux utilisateurs un très haut débit de données minimum garanti (100 Mbit/s en liaison descendante1 ), d’une part en exploitant, pour les hautes fré- quences, la diversité spatiale par l’utilisation de réseaux à grand nombre de petites antennes (massive MIMO), d’autre part en favorisant les liaisons simultanées entre le terminal et plusieurs nœuds de connexion – station de base, point d’accès – (dual connectivity). Elle vise également à répondre aux besoins de l’Internet des objets, en étant par exemple capable de gérer les communications avec un nombre massif d’objets connectés (jusqu’à 1 million au km2 pour l’IMT-20201 ). L’augmentation du débit et du nombre d’utilisateurs (ma- chines) va accroître le spectre nécessaire. Mais le besoin de garantir certains paramètres comme la latence et la fiabilité vont avoir comme conséquence de s’intéresser à la fois à la qualité et à la quantité de ce spectre. Une bataille sur les fréquences pour le très haut débit dans les bandes millimétriques… Les travaux normatifs sur la 5G pour les applications à très haut débit (20 Gbit/s en débit crête pour une liaison descen- dante en environnement dense urbain1 ) ont commencé dès 2014 au sein du 3GPP, structure normative de partenariat entre organismes de normalisation régionaux2 et de l’UIT-R3 . La résolution 238 de la Conférence mondiale des ra- diocommunications CMR-15 a répertorié les gammes de fréquences à l’étude pour une possible utilisation de la 5G très haut débit (IMT-20204 eMBB5 ) : 24,25-27,5 GHz, 31,8- 33,4 GHz, 37-40,5 GHz, 40,5-43,5 GHz, 45,5-47,2 GHz, 47,2- 1 Recommandation UIT-R M.2083, http://www.itu.int/dms_pubrec/ itu-r/rec/m/R-REC-M.2083-0-201509-I!!PDF-F.pdf. IMT-2020 désigne l’ensemble des normes afférente à la 5G en cours d’élaboration au sein de l’UIT. 2 L’ETSI pour l’Europe. 3 Union Internationale des Télécommunications (Radiocommunications). 4 International Mobile Telecommunications. 5 Enhanced Mobile BroadBand. 50,2 GHz, 50,4-52,6 GHz, 66-76 GHz et 81-86 GHz. Cela n’a cependant pas empêché les industriels du secteur mobile de développer des premiers équipements dits “5G ready” à 28 GHz en réponse aux sollicitations des opérateurs mondiaux les plus ambitieux, par exemple Verizon (USA), Korean Tele- com (Corée du Sud), NTT Docomo6 (Japon). La 5G s’inscrit ainsi d’ores et déjà au cœur d’une bataille de normes et de fréquences où une approche reposant sur un cadre normatif ouvert, s’appuyant sur des bandes de fréquences identifiées dans un cadre multilatéral, s’oppose à une démarche où la 5G serait définie par quelques industriels pour les bandes de fréquences choisies par les États-Unis et la Corée. La réaction européenne au forcing américain ne s’est pas fait attendre et sous la pression de la Commission, un « ma- nifeste7 » commun sur l’introduction de la 5G visant un lan- cement commercial dans au moins une ville de chaque pays de l’UE en 2020 a été élaboré par les industriels et opéra- teurs de réseaux mobiles européens. Par la suite, un premier avis du RSPG8 a été publié fin 2016 par les états membres de l’Union européenne et a déterminé que la bande pion- nière pour la 5G au-dessus de 24 GHz serait la bande 24,25- 27,5 GHz (dite « bande 26 GHz »). Dans un mandat confié en mars 2017 à la CEPT9 , la Commission lui demande de définir les conditions techniques harmonisées pour l’utilisation des systèmes 5G dans cette bande, avec pour calendrier une li- vraison des travaux au cours du premier semestre 2018. Ces conditions techniques nécessitent d’aborder : - blématiques de protection (contre les risques de brouillage 6 Ces deux derniers opérateurs ont l’ambition de mettre en service la 5G respectivement pour les J.O d’hiver 2018 à Pyeongchang (Corée du Sud) et d’été 2020 à Tokyo. 7 https://ec.europa.eu/digital-single-market/en/news/commissioner- oettinger-welcomes-5g-manifesto 8 RSPG : Radio Spectrum Policy Group voir http://rspg-spectrum.eu/wp- content/uploads/2013/05/RPSG16-032-Opinion_5G.pdf 9 Conférence Européenne des Postes et Télécommunications : elle re- groupe l’ensemble des pays européens. REE N°2/2017 Z 19 causés par les émetteurs 5G) de quelques stations ter- riennes existantes ou futures pour l’exploration de la Terre exploitées par des services météo ou scientifiques dans la bande 25,5-27 GHz. Dans un contexte où se mêlent inté- rêts commerciaux et gouvernementaux, les conséquences d’une telle approche de partage10 font l’objet de discussions au niveau national et européen ; - ployées pour les besoins de backhauling (connexion des stations de base au cœur de réseau) pour les réseaux mobiles existants qui devrait se résoudre par une migra- tion progressive de ces liaisons au fur et à mesure des dé- ploiements de la 5G. En effet, les déploiements 5G initiaux dans ces bandes de fréquences seront concentrés dans quelques zones urbaines et l’importance du spectre identi- fié (3 GHz) apporte de la flexibilité dans le choix du spectre à utiliser localement. Les défis de la 5G dans les bandes de fréquences déjà identifiées La bande 3 400-3 800 MHz sera la première bande pour la 5G en Europe : elle présente en effet un excellent compro- mis en termes de disponibilité de spectre (et donc de débit) et de couverture radio. Un cadre européen harmonisé exis- tant déjà pour les systèmes mobiles terrestres11 , par le biais du même mandat de la Commission, la CEPT étudie son adaptation aux caractéristiques de la 5G notamment pour prendre en compte le niveau de rayonnement hors bande des antennes de type massive MIMO et assurer la coexis- tence avec d’autres services. Plus généralement, l’ensemble des bandes de fréquences déjà utilisées pour les réseaux mobiles cellulaires devraient pouvoir accueillir des réseaux 5G et les conditions régle- mentaires seront adaptées en fonction des besoins. Cela est notamment indispensable pour offrir la couverture sur l’ensemble du territoire, nécessaire au succès de nombreux services 5G, en particulier l’Internet des objets. Un des défis auquel devront faire face la normalisation et la réglementa- tion est le fait que ces bandes sont en mode « FDD12 » – sta- tions de base et terminaux émettent à des fréquences dis- tinctes – pour les fréquences inférieures à 3GHz alors que les premières spécifications 5G prévoient le mode TDD13 – sta- tions de base et terminaux émettent aux mêmes fréquences. En effet, ce mode, du fait de la réciprocité du canal de pro- 10 ex. impact sur les autorisations 5G, solutions techniques permettant de continuer à fournir des services 5G dans la zone d’implantation. 11 Décision 2014/276/UE http://eur-lex.europa.eu/legal-content/FR/ TXT/PDF/?uri=CELEX:32014D0276&from=EN 12 FDD : Frequency Division Duplexing : duplexage par répartition en fréquences. 13 TDD : Time Division Duplexing: duplexage par répartition dans le temps. pagation, permet, dans la mise en œuvre du MIMO massif, de s’appuyer sur la seule estimation de canal réalisée par la station de base pour chacun des éléments du réseau d’an- tennes et donc de réduire les échanges de données entre le terminal et la station de base. Quelle réglementation pour l’Internet des objets ? Un des grands objectifs de la 5G, les objets connectés, fait l’objet de travaux au sein de l’UIT-R pour répondre à un point de l’ordre du jour de la CMR-1914 . D’un point de vue technique, les caractéristiques clefs à l’étude des applications de type “Machine Type Communications” sont la densité de connecti- vité mais également la faible consommation en énergie. Cer- taines familles d’objets connectés imposent, en complément de ces critères, des exigences de fiabilité et de résilience, aussi bien dans les réseaux locaux que dans des réseaux à grande couverture avec pour certains services des objectifs de latence affichés de une1 à quelques millisecondes. D’un point de vue réglementaire, plusieurs solutions de connectivité existent pour les objets connectés : les réseaux cellulaires : un aménagement réglementaire et normatif est à l’étude pour que les bandes actuelles puissent accueillir ces nouvelles technologies comme par exemple NB-IOT et EC-GSM-IoT avec des canalisations res- pectives de 180 kHz et 200 kHz : il s’agit par exemple de permettre d’utiliser des ressources fréquentielles situées dans les bandes de garde, en partage avec les autres appli- cations dans le bloc de fréquences in-band alloué à l’opéra- teur ou enfin dans du spectre dédié ; les bandes de fréquences sous régime d’autorisation géné- rale (« bandes libres ») à la fois pour des réseaux de type Sigfox ou LoRaWAN mais aussi pour de simples communi- cations entre objets (IEEE 802.11ah, ZigBee…) ; les réseaux privés, sous autorisation individuelle, pouvant utiliser les technologies ci-dessus (NB-IoT, LoRa, Sigfox) dans des canaux spécifiques afin de répondre, par exemple, à des besoins industriels (énergie, transport…). La collecte de données de l’IoT via les réseaux à satellites a également fait l’objet de propositions d’industriels dans les bandes à large couverture (800-900 MHz). Le RSPG dans un nouvel avis en cours de rédaction sur la 5G15 a dressé une feuille de route, résumée par la figure 1, sur l’accès au spectre en Europe pour l’IoT. Pour l’IoT, la 5G vise donc tant les réseaux locaux que les réseaux étendus, les services critiques ou non critiques 14 Point 9.1.8 de la CMR-19, basé sur la Résolution UIT-R 958 : https:// www.itu.int/dms_pub/itu-r/oth/0c/0a/R0C0A00000C0024PDFE.pdf 15 https://circabc.europa.eu/sd/a/a0faa1a5-ca41-42c3-83d5- 561b197419b0/RSPG17-006-Final_IoT_Opinion.pdf ACTUALITÉS 20 Z REE N°2/2017 Figure 1 : Feuille de route pour l’accès au spectre en Europe pour l’IOT - Source: RSPG. (latence, pertes de paquets) et au plan spectral l’usage de bandes dédiées comme de bandes partagées avec pour ob- jectif commun une faible consommation énergétique des capteurs. La définition du régime d’autorisation d’accès au spectre – autorisation générale ou individuelle – sera donc à l’ordre du jour de la consultation publique à laquelle sera soumise cette feuille de route fin 2017. Pour répondre au défi que représente la définition des bandes de fréquences utilisables par la 5G, le calendrier des travaux au niveau normatif et réglementaire en Europe est annoncé en deux temps : la première étape pour les bandes 3 400-3 800 MHz et 26 GHz pour 2018, la seconde étape pour les autres bandes (bande L : 1 427-1 518 MHz, bandes millimétriques, …) en 2019-2020, tandis que la CMR-19 fixe les échéances au niveau international pour les fréquences au-dessus de 24,25 GHz. Q Heykel Houas Agence nationale des fréquences (ANFR) Acronyme Signification CEPT Conférence Européenne des Postes et Télécommu- nications EC-GSM IoT Extended Coverage GSM Internet of Things eMBB enhanced Mobile BroadBand ETSI European Telecommunications Standards Institute FDD Frequency Division Duplex IMT International Mobile Telecommunications IoT Internet of Things MIMO Multiple Input Multiple Output NB-IoT Narrow Band IOT RSPG Radio Spectrum Policy Group TDD Time Division Duplex UIT-R Union Internationale des Télécommunications ACTUALITÉS