La téléphonie mobile 5G et le réseau 5G en toute simplicité
Publié le : 27.10.2020 | Durée de lecture : 9 minutes
Depuis le lancement de la norme de téléphonie de cinquième génération (5G), les opérateurs télécoms et les exploitants de réseaux, comme Deutsche Telekom ou Swisscom, redoublent d'efforts pour promouvoir cette technologie. Ils nous présentent un nouvel univers numérique fascinant, accessible partout et à tout moment grâce à la 5G ultra-rapide.
L'époque où les utilisateurs de téléphones portables devaient encore faire face à d'énormes problèmes de réseau est définitivement révolue. D'après les arguments publicitaires des opérateurs, cette nouvelle technologie offre des possibilités apparemment illimitées en matière d'accès mobile à Internet en temps réel. Elle permet ainsi à des millions de personnes de regarder simultanément des films ou des événements en direct sans aucun décalage.
Le gaming mobile et la réalité augmentée vont entrer dans une toute nouvelle dimension au cours des prochaines années. Le monde réel et les éléments virtuels vont se fondre de manière fluide et harmonieuse. La réalité virtuelle va également transformer en profondeur notre façon d'apprendre et la redéfinir complètement.
Dans notre guide, nous vous expliquons ce qui se cache derrière la norme de téléphonie mobile 5G, ainsi que toutes les possibilités qu'elle offre aujourd'hui et qu'elle offrira dans les années à venir.
Pour transmettre des signaux tels que la voix, la musique ou encore des données sur de longues distances, il faut un support de transmission. Dans le domaine des communications mobiles, on utilise pour cela des oscillations à haute fréquence (HF) comme fréquence porteuse.
Ces signaux sont ensuite transmis par voie hertzienne, d'antenne à antenne. Les spécialistes parlent de modulation lorsqu'un signal utile à basse fréquence (BF), comme la voix ou la musique, est combiné à une fréquence porteuse à haute fréquence.
Les types de modulation les plus courants dans la transmission analogique de la radio et de la télévision sont la modulation d'amplitude (AM) et la modulation de fréquence (FM). Dans la téléphonie mobile, en revanche, les informations numériques sont transmises sous forme de zéros et de uns.
C'est pourquoi on utilise ici la modulation de phase (PSK, pour Phase Shift Keying). Lorsque l'onde de la fréquence porteuse monte, un « 1 » est transmis.
Lorsque l'onde descend, un « 0 » est transmis.
La fréquence porteuse fonctionne dans un spectre de fréquences donné, défini par les fréquences limites inférieure et supérieure. Cette plage est également appelée largeur de bande. Plus la largeur de bande est élevée, plus la quantité d'informations pouvant être transmise est importante.
Du côté du récepteur, le signal utile à basse fréquence, c'est-à-dire les données, est récupéré par démodulation. Cela ne fonctionne toutefois que si le récepteur et l'émetteur sont parfaitement synchronisés et utilisent les mêmes fréquences ainsi que le même procédé de transmission.
Dans le cadre de la norme de téléphonie mobile, la structure des signaux radio et le déroulement de la transmission de données, entre autres, sont définis avec précision à l'échelle mondiale. Les fabricants de smartphones disposent ainsi de documents de planification concrets et les utilisateurs de smartphones peuvent par la suite utiliser leurs appareils partout dans le monde.
L'évolution des normes de téléphonie mobile est toujours étroitement liée à l'évolution des comportements des utilisateurs. En d'autres termes, ces normes ont toujours cherché à répondre à la demande sans cesse croissante en termes de volume de données et de débit. Alors que la première génération de normes de téléphonie mobile était encore axée sur la téléphonie mobile, les attentes des utilisateurs et les performances des smartphones modernes ont considérablement évolué. L'évolution des différentes normes de téléphonie mobile permet de se rendre compte de la rapidité et de l'ampleur de ces changements.
Norme de téléphonie mobile 1G
La norme de la première génération de téléphonie mobile (1G) fonctionnait en 1958 avec une transmission vocale analogique via ce qu'on appelait le réseau A.
Les appels étaient encore commutés manuellement par une « standardiste ».
Il existait des émetteurs radio avec des zones de couverture fixes, qu'il ne fallait pas quitter sous peine de voir la communication interrompue. Les appareils, parfois assez encombrants, étaient en outre très coûteux.
En 1972, le réseau B a fait son apparition, premier réseau à numérotation directe de la téléphonie mobile, suivi en 1984 par le réseau C, basé sur des cellules radio.
Au fil des ans, les téléphones sont également devenus nettement plus petits pour devenir de véritables téléphones portables.
Norme de téléphonie mobile 2G
C'est sous le nom de « Global System for Mobile Communication », ou réseau GSM, que la deuxième génération de réseau mobile a été mise en place à partir de 1992. Le passage à la technologie numérique a permis, sur le réseau D puis sur le réseau E, de transmettre par téléphonie mobile non seulement la voix, mais aussi des données telles que les SMS. La numérisation a en outre considérablement amélioré la qualité vocale et permis à un nombre bien plus important de personnes de téléphoner ou de transmettre des données simultanément. Deux bandes de fréquences étaient utilisées sur le réseau GSM.
Le GSM 900 utilise les bandes de fréquences 890 – 915 MHz et 935 – 960 MHz.
Le GSM 1800 (anciennement Personal Communications Network 1800) utilise les bandes de fréquences 1 710 – 1 785 MHz et 1 805 – 1 880 MHz.
Grâce à des procédés de modulation efficaces (technologie GPRS), des débits de données pouvaient atteindre 150 kbit/s.
Norme de téléphonie mobile 3G
La norme de téléphonie mobile de troisième génération, également appelée « Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) », a été introduite en Allemagne en 2004.
Cette norme a jeté les bases d'une transmission mobile et rapide de grands volumes de données.
Elle a permis de naviguer facilement sur Internet depuis un appareil mobile, ainsi que d'écouter et de partager de la musique et des vidéos.
UMTS utilise les fréquences 1.920 – 1.980 MHz et 2.110 – 2.170 MHz.
Grâce à des avancées techniques telles que le HSPA+ (High Speed Packet Access), des débits pouvant atteindre 42 Mbit/s étaient possibles.
Norme de téléphonie mobile 4G
Afin de répondre à l'augmentation constante du volume de données transférées depuis plusieurs années, la norme de téléphonie mobile LTE (Long Term Evolution) a été mise au point.
Il ne s'agissait toutefois pas uniquement d'augmenter les débits de transmission.
L'objectif était plutôt de développer une norme uniforme à l'échelle mondiale, qui a ensuite été lancée à Stockholm en 2009. En mai 2010, la norme LTE a également été introduite en Allemagne.
La technologie LTE utilise les bandes de fréquences 800 MHz, 1 800 MHz et 2 600 MHz. Depuis juin 2015, d'autres fréquences dans la bande des 700 MHz, auparavant utilisées par la télévision numérique (DVB-T), sont également venues s'y ajouter. Grâce à une technologie innovante à antennes multiples, à une meilleure répartition des cellules radio et à une réduction des délais (latences), des débits de transmission de données pouvant atteindre 300 Mbit/s sont possibles. L'agrégation des bandes de fréquences (LTE-Advanced Pro) permet d'atteindre une vitesse théorique pouvant aller jusqu'à 500 Mbit/s.
Norme de téléphonie mobile 5G
Alors que le déploiement de la LTE battait encore son plein, on développait déjà la 5G, successeur de la LTE, c'est-à-dire la norme de cinquième génération de téléphonie mobile.
Pour autant, l'arrivée de la 5G n'a pas signifié la fin de la LTE ou de la 4G. La 5G est plutôt une extension de la LTE.
En effet, ce n'est que grâce au fonctionnement en parallèle de la LTE et de la 5G que les volumes de données et les débits de transmission nécessaires à l'avenir pourront être atteints.
À terme, la communication ne se limitera pas à des échanges entre des millions de personnes. Les machines et les appareils seront eux aussi de plus en plus interconnectés au sein de l'Internet des objets (IoT) et échangeront en permanence des informations entre eux. Une automatisation industrielle complexe (Industrie 4.0) ou la conduite autonome ne seront possibles que grâce à une connexion fiable, capable de gérer des volumes de données extrêmement élevés avec un temps de latence réduit.
Quelles fréquences le réseau 5G utilise-t-il ?
La norme de téléphonie mobile 5G, qui correspond à la cinquième génération de téléphonie mobile, utilise en Allemagne les bandes de fréquences disponibles de 700 MHz (partagée avec la LTE), 2,1 GHz et 3,6 GHz pour la transmission de données.
En Allemagne, la transmission via la 5G s'effectue principalement dans trois bandes :
700 MHz
À l'origine, ces fréquences LTE devaient servir à déployer la technologie LTE dans les zones rurales. Grâce à un système intelligent de partage dynamique du spectre (DSS), la 4G et la 5G peuvent désormais se partager la bande de fréquences, le LTE servant de fréquence d'ancrage et de lien de connexion. Cela évite ainsi de devoir procéder à des travaux de transformation coûteux sur les antennes-relais. La mise à niveau ne nécessite qu'une simple mise à jour logicielle.
2.100 MHz (2,1 GHz)
Lors de la vente aux enchères de fréquences en 2019, outre la bande des 3,6 GHz, des capacités encore disponibles dans la bande des 2 GHz (gigahertz) ont également été mises aux enchères. Lorsque le démantèlement du réseau UMTS s'acheva fin 2020, les fréquences UMTS ainsi libérées furent également disponibles pour la 5G.
3.600 MHz (3,6 GHz)
Lors de la vente aux enchères organisée par l'Agence fédérale des réseaux, la bande de fréquences de 3,6 GHz figurait parmi les plus convoitées pour le déploiement de la 5G. Si la portée est plutôt faible dans cette bande de fréquences, celle-ci permet toutefois de transmettre de très grands volumes de données. Elle est donc parfaitement adaptée aux zones urbaines.
Dans la bande de fréquences comprise entre 700 MHz et 3,6 GHz, les normes de téléphonie mobile les plus diverses, de la 2G à la 5G, coexistent dans une grande confusion. Même si la 3G est en cours de démantèlement en Allemagne, l'espace disponible pour l'avenir est tout simplement insuffisant. D'autant plus que de plus en plus d'utilisateurs doivent se partager l'espace disponible. Cela ralentit de plus en plus la vitesse de transmission des données réellement possible. Ce phénomène est particulièrement visible dans des lieux tels que les stades ou les centres commerciaux, où l'on trouve un très grand nombre d'utilisateurs équipés de leurs smartphones dans un espace restreint. Les limites de capacité de l'opérateur sont alors très vite atteintes.
C'est pourquoi les opérateurs de téléphonie mobile ont été contraints, par le passé, d'utiliser des bandes de fréquences de plus en plus élevées.
Ainsi, la technologie LTE utilise par exemple des fréquences plus élevées que la 3G. Et avec la 5G, les fréquences exploitables ont également été repoussées vers des bandes plus hautes. Afin d’atteindre les bandes passantes nécessaires pour les immenses volumes de données à venir, des opérateurs de réseau tels que Deutsche Telekom s’intéressent aux ondes millimétriques (mmWave), c’est-à-dire à la bande de fréquences comprise entre 24 et 100 GHz. Cela permettrait d’atteindre des débits de données gigantesques, pouvant aller jusqu’à 20 Gbit/s ou plus, pour des millions de personnes et d’appareils.
Cependant, les propriétés physiques de ces ondes semblent, à première vue, aller à l'encontre d'une utilisation pratique. En effet, plus la fréquence est élevée, plus la portée est réduite. De plus, dans cette gamme de fréquences, la pénétration des murs ou des bâtiments est très difficile, voire impossible. Comme les ondes sont facilement bloquées, la connexion n'est pratiquement possible qu'en vue dégagée.
Cependant, si l'on utilise non pas un grand pylône radio, mais de nombreuses petites cellules intelligentes (smart cells) réparties sur différents sites de téléphonie mobile, ces problèmes peuvent être facilement résolus. À l'instar des routeurs Wi-Fi, ces appareils pourraient alors être installés à l'intérieur des bâtiments ou à l'extérieur, sur des lampadaires.
D'autres concepts innovants tels que le beamforming (modulation du diagramme de rayonnement) et les techniques MIMO (utilisation de plusieurs antennes d'émission et de réception dans un système de transmission) contribuent également à réduire les inconvénients des ondes millimétriques. Autre avantage : comme les Smart Cells se trouvent toujours à proximité immédiate de l'utilisateur, la puissance d'émission du téléphone est réduite, et donc la consommation d'énergie.
Préparation de la mise en service des ondes millimétriques
Pour l'instant, la technologie mmWave n'est toutefois pas encore d'actualité pour la téléphonie mobile en Allemagne. En effet, l'Agence fédérale des réseaux n'a pas encore pris de décision concernant l'attribution des fréquences. De plus, les antennes-relais doivent impérativement être raccordées par fibre optique afin de permettre une transmission rapide des données, par exemple depuis Internet. Mais ce n'est qu'une question de temps avant que la technologie mmWave ne soit également introduite chez nous.
Comme nous l'avons déjà mentionné, la norme de téléphonie mobile 5G s'appuie sur une grande variété de bandes de fréquences. Le choix des fréquences utilisées et de leur emplacement dépend en fin de compte des attentes des utilisateurs.
Milieu rural
Dans les zones rurales peu peuplées, les opérateurs de réseau accordent une attention particulière à la couverture. La bande de fréquences de 700 MHz est ici idéale, car elle permet d'atteindre des portées de plusieurs kilomètres.
Petite ville ou zone industrielle
Pour une zone géographiquement délimitée, on utilise des bandes de fréquences de 2,1 GHz et 3,6 GHz. La combinaison d'une grande portée (fréquence de 2,1 GHz) et d'un débit élevé (fréquence de 3,6 GHz) permet une couverture parfaite.
Grande ville
Dans les grandes villes, on utilise de préférence la bande de fréquences de 3,6 GHz. La portée plus courte est compensée par un nombre élevé de cellules. En contrepartie, une large bande passante est mise à la disposition d'un grand nombre d'utilisateurs.
Centres commerciaux, stades, industries
Quand de nombreux utilisateurs se connectent à l'Internet haut débit en même temps, la bande de fréquences des ondes millimétriques est la solution idéale. Une bonne disposition des cellules radio et des faisceaux permettent d'obtenir une couverture optimale et des débits élevés.
Ce ne sont là que quelques exemples parmi les nombreux domaines d'application. En fonction des besoins, les gammes de fréquences utilisées peuvent varier ou être combinées de manière complémentaire.
Même si l'avenir radieux que la publicité nous promet dès à présent n'est pas encore tout à fait aussi rose pour l'instant, la norme de téléphonie mobile 5G recèle un énorme potentiel. C'est pourquoi tous les opérateurs de téléphonie mobile travaillent d'arrache-pied pour équiper leurs réseaux de cette nouvelle technologie. La conversion relativement simple des installations LTE 700 MHz a notamment contribué à permettre rapidement une couverture étendue et un service de base en 5G. L'évolution actuelle est en tout cas passionnante et le restera à l'avenir grâce à l'introduction de la technologie des ondes millimétriques.