La gestion des fréquences à l’épreuve de la 5G

22/12/2018
Auteurs : Gilles Brégant
Publication REE REE 2018-5
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2018-5:24883
DOI :

Résumé

La gestion des fréquences à l’épreuve de la 5G

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REE N°5/2018 Z 1 D epuis les années 1990, les réseaux mobiles scandent leur progression par des étapes décennales qua- lifiées de « générations » : après la 2G, la 3G, puis la 4G, c’est au tour de la 5G d’entrer dans l’Histoire. Il est vrai qu’elle figurait depuis 2016 en bonne place au rang des priorités de l’Union européenne. Mais, début 2018, elle s’est invitée, encore incomplète, aux Jeux Olympiques d’hiver de Pyeongchang. Et le 16 juillet, le gouver- nement a présenté une feuille de route qui orga- nise un déploiement à partir de 2020 dans toute la France. Dans toute l’Europe, les fréquences vont ainsi dans quelques mois s’ouvrir à la 5G, concréti- sant l’aboutissement d’un effort inédit dans la ges- tion du spectre. La « 5G », nom éminemment prévisible dans la longue séquence des héritiers la 2G, invite a priori à la continuité. Au-delà de l’emphase convenue des annonces commerciales, ses promesses ne semblent résulter que d’un patient approfondissement des traits marquants des générations antérieures. Puisque la 4G offre un débit comparable à celui de l’ADSL (quelques dizaines de Mbits/s), la 5G se mesurera à la fibre, entre 100 Mbits/s et quelques Gbit/s. L’Internet des objets, préfiguré par les distributeurs de billets de la 2G, s’épanouit enfin grâce à la 4G ; qu’à cela ne tienne, la 5G gèrera 10 à 100 fois plus d’objets dans un même lieu ! Enfin, là où les généra- tions précédentes, des SMS au « tout IP », ont inter- connecté les machines, la 5G promet, en offrant une « latence » ultra-courte, de parachever l’ouvrage. Liai- sons de données plus rapides, plus nombreuses ou plus réactives : la 5G, ou l’avènement attendu d’un nuage d’engins divers, interagissant (parfois) avec les humains – et (surtout) entre eux ? Pour prévisibles qu’elles paraissent, ces perfor- mances ne sont pourtant pas toutes issues de pro- grès continus : des ruptures ont été requises pour franchir certains obstacles technologiques qui s’éle- vaient sur le chemin. C’est, en particulier, le cas du domaine du spectre. En effet, jusqu’alors, l’accès aux réseaux mobiles se faisait en tirant parti des fameuses « fréquences en or », bandes présentant le double avantage d’antennes compactes et d’une propagation favorable. De 700 MHz à 2 600 MHz, domaine aujourd’hui occupé par les réseaux mobiles en Europe, les longueurs d’onde permettent ainsi de concevoir des antennes internes aux terminaux. Des fréquences plus hautes auraient certes permis de miniaturiser plus encore ces dispositifs, mais au prix d’une rapide réduction de la portée : les fréquences au-dessus de 1 GHz s’atténuent vite dans les es- paces bâtis ! C’est ainsi qu’a été privilégié l’intervalle de 0,5 et 3 GHz, offrant à la fois équipements por- tatifs et antennes-relais en nombre raisonnable ; c’est dans cette confortable « cuvette fréquentielle » qu’oscillent les réseaux mobiles depuis 30 ans. Mais la 5G s’apprête à quitter ce berceau originel. Pour transmettre des données à plus d’un Gbit/s, les blocs de fréquences de quelques dizaines de MHz ne suffisent plus : il faut désormais compter en centaines, voire en milliers de MHz. Dans le monde entier, les régulateurs pressent ainsi les ges- tionnaires de fréquences d’isoler des espaces conti- gus beaucoup plus larges que pour la 4G. D’autant qu’il s’agit d’y loger non seulement les opérateurs préexistants, mais aussi de futurs émules servant de nouveaux secteurs industriels, les « verticaux ». Certes, entre 0,5 et 3 GHz, l’espace disponible aurait pu permettre de satisfaire ces exigences, s’il avait été entièrement libéré. Mais dans cette bande spectrale, La gestion des fréquences à l’épreuve de la 5G EDITORIAL Gilles Brégant Directeur général de l'ANFR 2 ZREE N°5/2018 fort occupée, coexistent des services essentiels à l’organisation de la société qui ont également besoin des propriétés précieuses de ces fréquences ! Il faut donc, pour permettre à la 5G de déployer tous ses atouts, envisager de plus hautes fréquences : ces espaces moins densément occupés, plus spacieux, sont la clef des très hauts débits de « la fibre sans fil » que promet la 5G. La 5G doit ainsi coloniser de nouvelles terres au-delà de 3 GHz, aux propriétés moins favorables que celles des « fréquences en or ». Certes, la 5G, unique des- cendante des trois générations qui l’ont précédée, héritera bientôt en Europe de toutes leurs bandes de fréquences : 700 MHz, 800 MHz, 900 MHz, 1 800 MHz, 2 100 MHz, 2 600 MHz. Elle y trouvera la couverture efficace qui lui permettra demain d’être présente sur tous les territoires. Mais ces bandes trop étroites limiteront inexorablement le débit. Pour que la 5G devienne réellement la 5G, il lui faut do- mestiquer des longueurs d’onde plus courtes, qui s’accommodent mal de la distance, et plus encore des obstacles, qu’ils soient naturels ou artificiels. Première épreuve : la gamme d’onde immédiate- ment supérieure, allant de 3,4 à 3,8 GHz (bande des 3,5 GHz). Puis, simultanément, celle comprise entre 24,25 et 27,5 GHz (bande des 26 GHz). Ces deux bandes sont en effet d’ores et déjà harmonisées en Europe. Ensuite, la future Conférence mondiale des radiocommunications de l’UIT, prévue en novembre 2019, désignera de nouvelles bandes encore plus élevées, parmi ces candidates : 31,8-33,4 GHz, 37-43,5 GHz, 45,5-50,2 GHz, 50,4-52,6 GHz, 66- 76 GHz et même 81-86 GHz ! Ces fréquences, aujourd’hui inédites en utilisation terrestre pour un service destiné au grand public, ne peuvent être utilisées telles quelles dans les réseaux mobiles contemporains. Pour surmonter le « mur de la propagation » qui s’annonce, deux options existent : d’une part, mieux focaliser les émissions, pour don- ner plus « d’allonge » aux liaisons entre relais et ter- minaux ; d’autre part, tout simplement démultiplier les antennes-relais pour les rapprocher des usagers. La focalisation, ce sont les antennes intelligentes qui couplent plusieurs petits émetteurs afin de former des pinceaux directifs, capables de changer instan- tanément de direction pour servir de nombreux abonnés en temps partagé. Appliquée à la bande 3,4- 3,8 GHz, ce procédé permet d’y offrir une couverture proche de celle de la bande 1,8 GHz, effaçant ainsi l’atténuation naturelle entre ces fréquences. La focali- sation permet aussi de dompter la capricieuse bande des 26 GHz pour produire du très haut débit sur des distances de plusieurs centaines de mètres ou le long de corridors urbains, où s’épanouiront bientôt les voitures connectées. Quant à la démultiplication des antennes-relais, elle tire parti du mobilier urbain (réverbères, Abribus® , panneaux d’affichage) ou des façades pour y inscrire de nombreux relais de faible puissance : connectés en fibre optique, gérant l’itiné- rance à grande vitesse, ils reconstitueront la couver- ture à partir très de nombreuses petites cellules. Pour la 5G, ces nouveaux procédés seront pour la première fois mis en œuvre à grande échelle pour des services terrestres. De nouveaux défis inédits en découlent. Tout d’abord, l’extension du domaine d’attention pour l’exposition du public : la plus grande focalisation des relais, les nouvelles gammes d’ondes utilisées, nécessitent en effet d’approfondir les méthodes de mesure et de préciser les limites sanitaires à adopter. En France, l’Agence nationale des fréquences s’y emploie, pour les antennes-relais comme pour les terminaux, en coordination avec l’Agence nationale de sécurité sanitaire de l’alimen- tation, de l’environnement et du travail (ANSES). Ensuite, les méthodes de coordination vont évoluer, qu’il s’agisse de coexistence entre opérateurs natio- naux ou de coordination aux frontières, car ces relais peuvent nécessiter des synchronisations non seu- lement spatiales, mais aussi temporelles. Enfin, la concurrence entre opérateurs, constructeurs et, de plus en plus, entre Etats, s’annonce particulièrement aiguë pour la 5G : elle imprime d’ores et déjà une accélération à tous les processus d’harmonisation, en Europe comme au niveau mondial. Rompant avec la continuité de la gestion du spectre, la 5G, lancée dans cette exploration de bandes de fréquences encore inédites, s’annonce décidément passionnante ! Q Gilles Brégant Directeur général Agence nationale des fréquences (www.anfr.fr) Ancien président du RSPG (Radio spectrum policy group, assemblée des gestionnaires du spectre de l’Union européenne) EDITORIAL