Alors que les enchères pour l’attribution des fréquences ont été lancées (et remportées pour cette première partie par Orange) fin septembre en France, les débats et polémiques autour de la 5G agitent les hommes et femmes politiques de ce pays.
Certains souhaitent l’instauration d’un moratoire portant sur le déploiement de la technologie au nom du principe de précaution et en attendant la réalisation d’études fiables sur les conséquences sanitaires et environnementales. D’autres, à l’image du Président Macron, appelle à une adoption rapide de cette technologie pour éviter d’aggraver l’écart entre la France et les autres grandes puissances mondiales.
Ce dossier revient sur la rupture technologique que constitue la 5G (partie 1) en regard des générations passées de télécommunication, pour en présenter les grands enjeux (partie 2). Enfin, sans prendre position, nous détaillerons les arguments pour et contre l’adoption rapide de cette nouvelle technologie (partie 3).
C’est quoi la 5G ?
Comme son nom l’indique, la 5G est la cinquième génération de standards en matière de télécommunication mobile succédant à la 4G. Contrairement aux générations précédentes de technologies mobiles, la 5G est présentée comme étant révolutionnaire, voire disruptive. La 4G, grâce à l’augmentation des débits, a permis une généralisation des usages des smartphones en mobilité ainsi que le développement des services à forte valeur ajoutée; la 5G promet bien plus que cela. Deux caractéristiques principales – que nous détaillerons plus tard – permettent de qualifier la 5G de technologie de rupture : le très haut débit garanti (contrairement à la 4G qui ne garantit qu’un débit potentiel) et une très faible latence (elle désigne le temps nécessaire à un paquet de données pour passer de la source à la destination à travers un réseau). Elles permettront notamment de répondre à la très grande croissance de production et de consommation des données et aux besoins en connectivité de la société moderne.
Schématiquement, la 5G permettra un monde plus rapide, plus connecté, plus réactif et plus écologique (nous aborderons cette question controversée dans la 3ème partie de cet article). Elle devrait répondre à un ensemble de besoins correspondant aux usages modernes des technologies numériques :
- Un accès très haut débit (>50 Mbit/s) partout (Broadband access everyhere)
- Une connexion haut débit lors de déplacement à grande vitesse (Higher User Mobility)
- Une capacité à gérer des millions d’objets connectés (Massive Internet of Things)
- Une communication en temps réel qui nécessite une faible latence afin d’assurer une réponse rapide (Extreme Real-Time Communication)
- Une connexion très fiable pour assurer des échanges sensibles (Ultra Reliable Communications)
- Un réseau de qualité afin de permettre une augmentation des services de diffusion (Broadcast like Services)
Les spécialistes recensent trois grandes familles d’usage qui seront directement impactées par le déploiement de la 5G :
- L’eMBB pour enhanced Mobile Broad Band, qui garantit des communications mobiles ultra haut débit. Cet usage, dans la continuité des précédentes générations de téléphonie mobile, permet de répondre à l’augmentation de l’utilisation des données mobiles. L’objectif est donc de pouvoir répondre à une demande toujours plus grande en termes de quantité de données et de vitesse de transfert. Les applications de cette catégorie sont typiquement des flux vidéo de qualité de plus en plus grande et aussi des applications de réalité virtuelle et augmentée.
- Le mMTC pour massive Machine Time Communication concerne les communications entre objets. Il s’agit de pouvoir gérer un nombre très important de connexions (jusqu’à un million par kilomètre carré !). Typiquement, la smartcity, avec ses réseaux de capteurs et ses échanges massifs de données, sera concernée par les performances de la 5G.
- L’uRLLC pour ultra Reliable Low latency Communication. Il s’agit ici d’offrir des communications très fiables qui peuvent répondre à des situations critiques. Dans ce domaine, on retrouve des usages liés à la voiture autonome ou à la santé, qui ne doivent en aucun cas être confrontés à des dégradations voire à des coupures de connexions, ni à des vitesses de transmission trop lentes.
Pour bien comprendre la rupture technique occasionnée par la 5G, on peut s’appuyer sur un ensemble d’indicateurs permettant de comparer les performances de la 4G et de la 5G. Parmi les différences notables, le débit maximal sera multiplié par 20, la latence divisée par 10, le nombre d’objets connectés au kilomètre carré multiplié par 10 ou encore l’efficacité énergétique multipliée par 100 (nous reviendrons sur ce point dans la partie 3).
Certains parlent même de véritable révolution industrielle : la 5G permettra de connecter plusieurs technologies (le cloud, l’intelligence artificielle, l’IoT-Internet des objets et la réalité virtuelle/augmentée) qui se nourriront les unes des autres pour mieux répondre aux nouvelles attentes des clients et aux défis des marchés de demain.
En outre, pour la première fois, une norme internationale a été établie entre les principaux opérateurs de télécommunications par le monde. En effet, en 2018, ces grands opérateurs ont proposé à l’Organisation internationale de normalisation (ISO) leurs projets de normes sur la 5G, et tous les pays se sont engagés à développer les technologie 5G conformément à une norme mondiale unique.
Les piliers technologiques de la 5G
Les Ondes millimétriques
Pour être opérationnelle, la 5G nécessite de recourir à de nouvelles fréquences, en particulier dans les bandes hautes du spectre radioélectrique, afin d’accroître la capacité et les débits des réseaux mobiles. Il s’agit d’ondes millimétriques dont la fréquence est comprise entre 30 et 300 GHz. Cette notion de « millimétrique » fait référence à la longueur des ondes qui s’étalent entre 1 et 10 mm.
Dans un premier temps, la 5G va utiliser une seule bande de fréquences, celle des 3,5 GHz. À plus long terme, utilisera au minimum deux autres bandes de fréquences, celles des 700 MHz et celle des 26 GHz. Ces trois bandes de fréquences ont des propriétés différentes. La bande des 700 MHz va assurer la meilleure couverture mobile. La bande des 26 GHz offrira les meilleurs débits. Enfin, la bande des 3,5 GHz est celle qui offre le meilleur compromis entre débit et portée du signal. C’est certainement la clé de voûte de la 5G. Aujourd’hui, la 4G et ses prédécesseurs utilisent des fréquences en dessous de 6GHz. Or la grande majorité des appareils connectés utilisent la même zone de fréquence, elle est donc surchargée. C’est pourquoi les chercheurs envisagent d’utiliser des fréquences de plus de 6GHz, plus précisément entre 30 et 300 GHz. Ainsi, les dernières expériences ont montré que l’utilisation de fréquences moins chargées (au-delà de 6GHZ) permet des vitesses de connexion nettement plus rapides.
En revanche, la 5G est également confrontée à quelques inconvénients inhérents à ces technologies. Comme l’explique l’association SEE (Société de l’Electricité, de l’Electronique et des TIC), les ondes millimétriques doivent « composer avec la forte atténuation par les murs, les feuillages et les gaz de l’atmosphère. En particulier, les signaux aux alentours de 60 GHz correspondent à une fréquence de résonance de la molécule O2 et sont sévèrement atténués ».
La SEE ajoute que la vapeur d’eau présente également des pics d’absorption, mais plutôt pour les fréquences entre 20 et 30 GHz. L’association conclut donc que « les ondes millimétriques sont donc a priori limitées aux transmissions à courte distance, typiquement sur des distances inférieures à 1 km ».
Les ondes millimétriques offrent donc une connexion plus puissante mais très légère en termes de portée. C’est pourquoi, l’ARCEP précise que le déploiement de la 5G se fera tout d’abord sur des bandes comprises entre 3,4 et 3,6 GHz. Cette question autour des ondes suscite des inquiétudes et des débats que nous aborderons plus loin.
Le Massive MiMo
Le massive MiMo (Multiple-in Multiple-out) est une technique qui permet d’augmenter la vitesse des transmissions en multipliant les connexions des antennes relais. Cette technique utilise des centaines de petites antennes qui vont démultiplier les entrées et sorties et renforcer le signal tout en réduisant les interférences. Le massive MiMo permet alors aux antennes de transmettre et de recevoir plusieurs signaux de façon simultanée. Ceci aurait pour conséquence d’améliorer le débit et de réduire la latence. De plus, le massive MiMo sera plus sensible aux appareils envoyant des signaux à hautes fréquences ce qui permet d’améliorer la couverture réseau. Ainsi, la capacité d’un signal à traverser des objets devrait être également amélioré.
Le massive MiMo apparaît donc comme une technique idéale pour combler les problèmes de portée des ondes millimétriques. Cependant, elle aussi est confrontée à des limites technologiques : la plus importante est sans doute celle de la gestion des différentes connexions. En effet, un trop grand trafic peut venir créer des interférences et ainsi altérer la qualité du signal. Pour pallier ce problème, on évoque la solution du Beamforming : elle consiste à focaliser un signal sans fil vers un dispositif de réception spécifique, au lieu de le diffuser dans toutes les directions à partir d’une antenne radio, comme c’est habituellement le cas. La connexion, plus directe, est plus rapide et plus fiable qu’elle ne le serait sans formation de faisceau.
Le Network Slicing
La promesse de débit assuré pour chaque utilisateur du réseau 5G suppose la capacité à fournir un accès performant, constant et sans coupure. Pour cela, la technologie 5G possède un mécanisme permettant de scinder le réseau en différentes tranches virtuelles (dites slices). Chacune de ces tranches va être “composée” en fonction des cas d’usage qui leur seront adressées, en vue de délivrer un niveau de performance adapté en termes de latence, de fiabilité, de couverture ou de capacité de bande passante. Il est ainsi possible d’ajuster le réseau en fonction des besoins particuliers des différents clients et de leurs usages. Ce mécanisme permet d’adapter la 5G aux cas d’usage vus précédemment à savoir l’eMBB, l’uRLLC et le mMTC.
Le network slicing permettra de traiter différemment les secteurs d’activité en fonction des besoins spécifiques exprimés. C’est ce que nous allons voir dans la deuxième partie de cet article.
