Une onde, c'est quoi?

Comment ça marche?

Les antennes permettent aux utilisateurs d’un GSM de se connecter au réseau pour appeler un autre appareil, envoyer un message ou consulter des données.

Pour transporter cette information (images, sons, données) vers les appareils récepteurs, les antennes émettrices génèrent un rayonnement : l’énergie se propage alors sous forme d’ondes.

L’onde : une "vague" qui propage l’information

Les ondes sont invisibles, mais vous pouvez vous les représenter comme les vagues formées à la surface de l’eau lorsqu’on y jette un caillou. A partir du point d’impact, là où le caillou tombe, des vagues plus ou moins hautes et espacées se forment, qui se propagent régulièrement à la surface de l’eau. Les ondes sont comme ces vagues : elles oscillent un certain nombre de fois par seconde - c’est leur fréquence, et respectent un certain intervalle entre deux crêtes ou creux de la vague – c’est la longueur d’onde.

La fréquence, exprimée en Hertz (Hz), et la longueur d’onde, exprimée en mètres, sont indissociables : plus la fréquence est élevée, plus courte sera la longueur d’ondes. Prenons une simple analogie pour visualiser ce rapport: imaginez que vous attachez une longue corde à un poteau et que vous tenez en main son extrémité libre. Si vous lui imprimez un mouvement lent de haut en bas, la corde formera un seul long arc, une onde de grande longueur. Mais si vous accélérez, vous verrez apparaître toute une série d’ondes plus brèves. Comme la longueur de la corde ne varie pas, plus il y a d’ondes (fréquence plus élevée), plus elles sont rapprochées (longueur d’onde plus courte).

Les ondes de notre quotidien

On peut classer les différentes ondes dans le spectre électromagnétique en fonction de leur fréquence. Les ondes de très haute fréquence sont souvent appelées "rayons" (ex. : rayon ultra-violets, rayons X, rayons gamma), car le flux d’énergie dans l’espace est important. Pour les fréquences moins élevées, quand le transfert d’énergie est insignifiant, on parle plutôt de rayonnements électromagnétiques.

Quel genre d’ondes émettent les antennes ?

Les ondes qui servent à la téléphonie mobile sont des ondes radio, du même type que celles qui servent aux signaux TV et aux programmes radio, aux radars et, de façon générale, aux télécommunications. Il s’agit de fréquences comprises entre 100 kHz et 300 GHz.

Dans la vie courante, nous connaissons de nombreux équipements qui fonctionnent avec cette gamme d’ondes. Certains sont de simples récepteurs, c’est-à-dire qu’ils n’émettent pas d’ondes, comme le GPS, le poste de radio ou l’antenne de télé. D’autres, par contre, reçoivent mais émettent également des ondes, comme le GSM, le baby-phone, le bluetooth ou le wifi.

Plusieurs fréquences pour les GSM

Les antennes de téléphonie mobile émettent le plus fréquemment à des fréquences de 900 MHz et 1800 MHz pour la 2G ; à 900 MHz et 2100 MHz pour la 3G ; à 800 MHz, 1800 MHz et 2600 MHz pour la 4G. La plupart des GSM actuels sont multi-bandes : ils fonctionnent sur différentes fréquences, en fonction du réseau et du service utilisé. Ils émettent et reçoivent des signaux à ces fréquences, pour établir une liaison avec l’antenne relais la plus proche.

Dans la gamme de fréquence de ces ondes radio, l’énergie est insuffisante pour modifier la structure d’une cellule. C’est pourquoi on les appelle des rayonnements non-ionisants : ils ne peuvent pas arracher un ion à la matière, au contraire des rayons X par exemple, qui ont une fréquence nettement plus haute et font partie des rayonnements ionisants.

Cependant, même si ces ondes ne peuvent pas modifier directement les cellules, elles peuvent produire un effet sur le corps. Le plus connu est l’effet thermique : vous avez certainement remarqué la chaleur qui se dégage si vous téléphonez longtemps avec un GSM. A l’heure actuelle, la science ne peut pas encore déterminer avec certitude s’il y a d’autres effets à long terme sur la santé. C’est pourquoi les autorités restent prudentes en fixant des normes.

Les champs électromagnétiques

Même s’ils sont invisibles, il y a des champs électromagnétiques partout dans notre environnement. Certains sont naturels, comme le champ électrique qui peut se former quand il y a de l’orage, ou le champ magnétique autour de la Terre, qui dirige l’aiguille des boussoles. D’autres sont créés artificiellement par l’activité humaine.

Comme son nom l’indique, un champ électromagnétique résulte de la combinaison d’un champ électrique et d’un champ magnétique. 

Le champ électrique naît de la présence de charges électriques. Si une lampe est branchée à une prise de courant, qu’elle est sous tension, un champ électrique existe dans son voisinage, même si la lampe est éteinte. Plus vous vous éloignez de la lampe et moins intense est ce champ, surtout s’il y a des obstacles, comme des murs par exemple. L’intensité d’un champ électrique se mesure en volts par mètre.

Le champ magnétique, lui, résulte du déplacement des charges électriques, autrement dit du courant. Si vous allumez la lampe, le courant circule dans le fil, et un champ magnétique apparaît. Comme pour le champ électrique, il s’atténue avec la distance. Par contre, les matériaux ordinaires ne constituent pas des obstacles à son passage. Le champ magnétique se mesure en prenant en compte le milieu ambiant. On parle alors d'induction magnétique dont l'intensité se mesure en tesla ou microtesla.

Le champ électrique et le champ magnétique étant tous deux liés à la charge électrique, ils interagissent entre eux et varient tous deux au cours du temps. A hautes fréquences, la variation des deux champs est liée et ils sont alors indissociables. C’est pourquoi on les nomme "champ électromagnétique".

Les champs électromagnétiques se propagent sous forme d’ondes. Cette propagation est appelée rayonnement.

Les champs électromagnétiques près des antennes

Les ondes propagent le champ électromagnétique à partir de la source, c’est-à-dire de l’antenne.

L’intensité du champ électromagnétique diminue très rapidement à mesure qu’on s’éloigne de l’antenne, tout comme l’intensité de la chaleur diminue quand on s’éloigne d’un feu.

Et comme les ondes sont émises à partir d’une antenne placée en hauteur, en un faisceau presque horizontal et dans une direction choisie, l’intensité du champ électromagnétique dans les lieux de vie situés en dessous de l’antenne est assez faible. De plus, l’intensité est inversement proportionnelle à la distance : en doublant la distance vous séparant de l’antenne, vous obtenez un champ deux fois moins important. Et si vous décuplez la distance, le champ diminuera de dix fois. 

                                 Source illustration: www.astel.be

Antennes et réseau

Le réseau : un ensemble d’antennes

Un réseau de téléphonie mobile est divisé en zones hexagonales, qu’on appelle des cellules, d’où le nom de réseau cellulaire. En ville, les cellules font quelques dizaines voire centaines de mètres carrés, tandis qu’en milieu rural, elles peuvent couvrir plusieurs kilomètres carrés.

Au milieu de chaque cellule, une antenne émet et reçoit des signaux de façon à couvrir toute la cellule. Les différents types d’antennes se distinguent par l’étendue de la cellule qu’elles couvrent.

Grâce aux antennes, votre GSM peut se connecter au réseau, et vous pouvez passer des appels. Les barres verticales généralement affichées sur votre écran, à côté du nom de votre opérateur, indiquent la qualité de la connexion au réseau, c’est-à-dire la qualité de réception des signaux.

S’il vous arrive de vous trouver dans un endroit ‘où il n’y a pas de réseau’, c’est qu’il n’y a pas d’antenne relais à proximité ou que le signal n’arrive pas à vous atteindre, par exemple si vous êtes dans votre cave ou dans un ascenseur.

Que se passe-t-il exactement lorsque vous appelez quelqu’un avec votre GSM ?

Une cascade d'opérations se produit :

• votre GSM se connecte à l’antenne la plus proche ;
• l’antenne relie l'appel au réseau général en passant par une station de base de contrôle (BSC) ;
• la station de base de contrôle redirige l’appel vers un centre de commutation appelé MSC "Mobile Switch Center";
• si l'appel concerne un même opérateur, le MSC relie l'appel au GSM de votre interlocuteur, via le même chemin mais dans le sens inverse ;
• si l'appel nécessite de contacter un autre opérateur, les données sont transférées vers un autre réseau via la centrale PSTN, qui fournit aussi divers autres services, comme le voicemail, par exemple.
• Si vous êtes en mouvement et que vous quittez la zone d'émission de l’antenne initiale, votre GSM va chercher une autre antenne, plus proche, afin de se maintenir connecté au réseau.

Types d'antennes

On peut classer les antennes en fonction de l’étendue de la cellule du réseau qu’elles couvrent.

Les antennes de type "macro-cellules" sont placées sur une structure porteuse suffisamment haute pour pouvoir assurer la couverture à l'échelle d'un quartier par exemple. En zone urbaine, on les trouve sur le toit d'un édifice, sur un pylône ou sur une façade. Elles sont généralement en forme de "panneaux". Elles émettent dans une direction donnée, c'est-à-dire qu'elles sont directionnelles. Elles émettent à une puissance de quelques dizaines de Watts.

Les antennes de type "micro-cellules" sont utilisées dans une zone à forte densité d'usagers, par exemple dans une gare, une rue très fréquentée pour augmenter la capacité du réseau (et éviter l'encombrement du réseau macro-cellulaire). Elles sont typiquement placées sur la façade d'un bâtiment et peuvent être de type " omnidirectionnel " ou de type "directionnel". 

Les antennes de type "pico-cellules" couvrent une zone plus restreinte que les microcellules: un étage de bâtiment, une salle ou une station de métro. Elles émettent de manière omnidirectionnelle, à une puissance d'émission très faible (quelques centaines de milliwatts).

La 5G : principes et enjeux

Dans les années à venir, la 5G offrira une nouvelle génération de téléphonie mobile à partir d’une refonte complète des réseaux de télécoms actuels, qui en augmentera nettement la capacité.

La 5G, qu’est-ce que c’est ?

En télécommunication, la 5G est la 5e génération de standards pour la téléphonie mobile. Elle utilise massivement des connexions par fibre optiqueLa fibre optique est un fil dont le centre, très fin, est en verre ou en plastique. Ce fil conduit la lumière et produit un signal lumineux codé qui peut transmettre de grandes quantités de données numériques. pour transmettre des données de façon ultra-rapide sur les réseaux. La fibre optique offre un débit très supérieur à celui du câble coaxialLe câble coaxial transmet des signaux numériques ou analogiques à haute ou basse fréquence. Il se compose d'un conducteur central et d'un conducteur extérieur..

Optimiser ce débit exige, d’un point de vue technique :

• d’améliorer les logiciels existants de traitement des données et 
• d’utiliser une nouvelle génération d’antennes actives, capables de diriger le rayonnement vers les utilisateurs.

Pourquoi la 5G ?

Le but de la technologie 5G est de pousser à son maximum l’efficacité du transfert des donnéesEn jargon technique, on parle d'efficacité spectrale. entre l’antenne et le téléphone portable ou l’ordinateur.

Suivant ces données, pour transférer un fichier vidéo de 1 GBytes, il faudrait environ : 

• 4,7 heures pour la 2G
• 3 minutes en 3G
• 44 secondes en 4G et en 5G light 
• 1,6 seconde en 5G. 

Dans la pratique, les débits dépendent de différents facteurs comme la qualité du réseau et le nombre d’utilisateurs simultanés. Les chiffres de débit de téléchargement réels peuvent être estimés en divisant par 6 environ les débits théoriques.

Actuellement, on assiste à une augmentation exponentielle de la consommation des données mobiles dans le monde. A titre d’exemple, le graphique ci-dessous montre l’évolution du trafic de données mobiles en Belgique entre 2012 et 2017. On peut voir que celle-ci a littéralement explosé en Belgique, passant de 3,86 milliards de mégaoctets en 2012 à 127,84 milliards de mégaoctets en 2017. Malgré tout, la consommation mensuelle moyenne de données pour la Belgique reste nettement inférieure à la moyenne de l'OCDE. 

L’utilisation accrue de données a pour conséquence de mettre les réseaux existants sur « pression » (plus il y a d’utilisation, plus le réseau nécessite de la bande passante et de l’énergie) et de pousser les opérateurs de téléphonie mobile à trouver plus de bandes de fréquences et à utiliser des technologies optimisées.
Cette croissance de consommation de données a aussi un impact au niveau de la consommation d’énergie : la visualisation d’un film ou le partage d’une vidéo génère l’activation d’une série d’appareillages, aussi bien au niveau des antennes émettrices que sur l’ensemble des différents blocs structurant internet (activation des serveurs de stockage, énergie nécessaire à l’envoi des données etc.).
Les personnes qui souhaitent limiter leur impact carbone doivent donc éviter la consommation de données en général.
Afin de limiter l’utilisation des réseaux de téléphonie mobile, préférez par exemple l’utilisation des réseaux fixes soit par le wifi à domicile relié au câble téléphone ou télé ; ou même, utilisez les points d’accès fixes à votre domicile ou au travail.
L’utilisation des modes de communication fixes sont d’autant plus fiables, moins énergivores et plus rapides !

Voici, à titre d’illustration, une comparaison entre les performances de la 4G (bleu clair, IMT-Advanced) et les performances plus efficaces de la 5G (bleu foncé, IMT-2020) relevées par l’International Mobile Telecom.

Technologie de la 5G : codage d’émission, antennes actives et bandes de fréquence

Le codage d’émission

La 5G émettra avec un codage <TDDTime Division Duplex au lieu du codage actuel FDDFrequency Division Duplex.

Les antennes actives : comment fonctionnent-elles ?

Les antennes actives - en opposition aux antennes passives - sont une nouvelle génération d’antennes. Elles sont capables de diriger le rayonnement vers les utilisateurs. Elles sont connues aussi sous les dénominations : antennes dynamiques ou beamforming array.

Les antennes actives : des avantages

• Des temps d’expositions très courts : de quelques centaines de millisecondes à quelques secondes en fonction des données émises. 
• Un rayonnement uniformisé : l’exposition deviendra plus uniforme et se rapprochera de l’émission d’une antenne fixe dès que le nombre d’utilisateurs de la 5G augmentera.
  Une fois que l’antenne ne doit plus fournir de données à l’utilisateur, elle n’émet plus qu’une fraction de sa puissance. Elle continue de chercher des utilisateurs en utilisant le minimum d’énergie nécessaire au contraire des technologies précédentes (2G-3G-4G) qui émettent à des puissances plus importantes en continu, même en absence d’utilisateurs.
  Par exemple, on peut imaginer que pendant les heures de bureaux, les antennes auront tendance à alimenter les bâtiments de bureau où se situent les utilisateurs, et le rayonnement changera sa direction de rayonnement lors des pauses pour alimenter plutôt les rues et les HORECA.

Les bandes de fréquence

Les télécommunications utilisent des ondes dites « centimétriques » qui sont des parties spécifiques du spectre électromagnétique. Ces ondes oscillent un certain nombre de fois par seconde : c’est leur fréquence. 

La fréquence exprimée en Hertz (Hz), et la longueur d’onde, exprimée en mètres, sont indissociables. 

Pour en savoir davantage, consultez notre page : Une onde, c'est quoi ?

Bandes de fréquence et télécoms

Les télécommunications utilisent des bandes de fréquence qui peuvent accueillir plusieurs technologies : 

Par exemple, la 2G a été déployée sur la bande 900 MHz. Au fur et à mesure que les technologies se sont développées, d’autres parties du spectre électromagnétique ont été utilisées. Les bandes les plus communément utilisées sont les bandes 800 MHz, 900 MHz, 1800 MHz, 2100 MHz, 2600 MHz.

L’IBPT : quel est son rôle ?

L’IBPT est l’Institut Belge des Postes et Télécoms.

• Il détermine la largeur d’une bande de fréquence. Plus les bandes de fréquences sont larges, plus il existe de possibilités de transmettre des données via ces bandes. On peut comparer ces bandes à une autoroute : plus il y a de bandes plus de véhicules pourront circuler.
• Il régule les bandes de fréquence. Il met en place un « plan des fréquences ». Ce plan détermine quelles utilisations peuvent être faites sur chaque fréquence et s’assure de limiter d’éventuelles interférences lors de l’utilisation de ces fréquences.
  Cela explique par exemple les hiatus d’utilisation des bandes entre la bande 90 0MHz et la bande 1800 MHz. 
  Vous pouvez consulter le plan des fréquences de l’IBPT.

Quelle bande de fréquence pour la 5G ?

La 5G « standard » utilisera d’abord les nouvelles bandes de fréquences à 700 MHz et à 3600 MHz. À terme, dans plusieurs années, des bandes de fréquences dites « millimétriques » permettront d’augmenter les débits. Par exemple, la bande  
26.000 MHz ou 26 GHz.

La bande 3600 MHz intéresse particulièrement les opérateurs de téléphonies car comparativement aux autres bandes de fréquences, elle est relativement large (400 Mhz) et permet donc de faire circuler beaucoup de données. 

D’une certaine manière, l’utilisation de ces bandes permet d’élargir le tuyau par lequel passent les données. Actuellement la bande passanteLa bande passante désigne la quantité maximale de données numériques transmises en un temps donné pour une voie de transmission. pour la 2G-3G-4G comprend environ 270 MHz. Avec l’utilisation des nouvelles bandes de fréquences, cette bande passante sera large d’environ 640 MHz, soit plus du double !

Et la 5G « light » ?

Une mise à jour pour optimiser le codage de la  transmission des données

Au printemps 2020, un opérateur a annoncé avoir réalisé le déploiement de la technologie 5G « light » en Flandre et en Wallonie. 

Cette technologie déployée est seulement une mise à jour logicielle des systèmes d’émission, c’est-à-dire les stations de base et les antennes, qui sont déjà présents actuellement. 

Ce qui ne change pas

La puissance et les caractéristiques des antennes ne changent pas avec la 5G « light ». 
Le champ électromagnétique issu de l’antenne et émis dans l’environnement ne s’intensifie pas. 

La 5G « light » : sur quelle fréquence ?

L’opérateur utilise la bande de fréquence 2100 MHz et les mêmes antennes que les technologies actuelles. 

• La bande de fréquence de 2100 MHz est donc maintenant exploitée pour émettre dans les technologies 3G, 4G et 5G.
  Un bémol : l’utilisation de la bande 2100 MHz diminue l’efficacité promise de la technologie 5G : la bande n’est pas très grande et permet donc peu de débit ; le tuyau de l’entonnoir est petit.
• Au niveau des antennes, on a encore un rayonnement fixe et continu qui ne permet pas d’aller chercher les appareils des particuliers.    

 Pour résumer

La technologie proposée aujourd’hui par cet opérateur n’est donc pas de la 5G « standard » :

La 5G « light » n’est pas encore déployée sur la Région de Bruxelles-Capitale. Si elle est amenée à être développée, à réglementation constante,  la contribution de tous les champs électriques sera prise en compte et le respect de la norme en vigueur (6 V/m, équivalent 900 MHz) sera garanti par la simulation et par des mesures sur le terrain. Il n’y aura donc pas d’augmentation d’exposition de la population.

La 5G standard : c’est pour quand ?

L’IBPT a lancé début 2020 une consultation publique pour l’octroi de droits d’utilisation des bandes de fréquence de 3600-3800MHz provisoires à cinq opérateurs. 

A l’issue de la consultation publique, l’IBPT a publié les décisions octroyant des droits d’utilisation provisoires dans la bande de fréquences 3600–3800 MHz à cinq opérateurs : Cegeka, Entropia, Orange, Proximus et Telenet. Ces droits d’utilisation temporaires permettent à ces opérateurs de rendre possible les premiers développements de la 5G dans cette bande de fréquence en Belgique. A noter que les opérateurs doivent continuer à se conformer aux règles en vigueur pour le placement des antennes, ainsi qu’aux normes de rayonnement existantes.  

Et ensuite ?

Les droits d’utilisation provisoires des bandes de fréquence 3400-3800 MHz seront valables jusqu’au 6 mai 2025 au plus tard ou une fois que l’entrée en vigueur des droits d’utilisation définitifs seront notifiés par l’IBPT à la suite de la mise aux enchères de ces fréquences.

Dans la bande de fréquence de 3600 à 3800MHz, 40MHz pourraient être attribués à chaque opérateur.

En ce qui concerne la bande des 26 GHz l’IBPT n’a actuellement aucun projet pour l’autoriser à court ou moyen terme, sauf pour d’éventuelles licences tests.

Que vont devenir les anciennes technologies ?

Selon nos informations, la 5G sera déployée progressivement en parallèle avec la 4G existante et sera intégrée à celle-ci.

Les réseaux 4G et 5G vont cohabiter ensemble pendant au moins 5 ans :

• la 4G pour maintenir une couverture du territoire et ainsi permettre la localisation et le suivi des appareils ;
• la 5G pour fournir du débit. 

Il semblerait que les anciennes technologies seront progressivement éteintes, d’abord la 3G et probablement ensuite la 2G.

La 5G à Bruxelles ?

Si une 5G « standard » venait à être développée, elle émettrait vraisemblablement des rayonnements que BE n’est pas encore en mesure de mesurer. 

Il s’agirait de champs électromagnétiques d’ondes émises à des fréquences supérieures à 6 GHz, pour lesquels aucune licence ne sera octroyée avant plusieurs années.  Ou, émises par des antennes actives ou modulées en TDD quelle que soit leur fréquence d’émission. Par contre, la mesure de la 5G « light » est possible.

Bruxelles Environnement travaille activement au développement du protocole de mesure et de simulation. En attendant que ce protocole de mesure soit validé, Bruxelles Environnement ne peut pas autoriser d’émissions 5G au départ d’antennes dynamiques ; en d’autres termes, aucun permis d’environnement ne sera délivré pour ces antennes. 
Les approches pour calculer et mesurer les nouvelles technologies doivent être intégrées dans la législation actuelle afin de cadrer activement le déploiement de la 5G sur le territoire de la région.

Une ordonnance pour limiter l’exposition du public au rayonnement

L’Ordonnance bruxelloise du 1^er mars 2007 relative à la protection de l’environnement contre les éventuels effets nocifs et nuisances provoqués par les radiations non ionisantes est 45 fois plus stricte, en puissance, que :

• les lignes directrices de l’ICNIRPInternational Commission on Non-Ionizing Radiation Protection de 2020 qui prévoient une protection contre tous les effets négatifs sur la santé, par les fréquences électromagnétiques comprises entre 100 KHz et 300 GHz et
• la Recommandation européenne du 12 Juillet 1999 qui limite l’exposition du public aux champs électromagnétiques, aux fréquences supérieures à 2000 MHz.

Les fréquences de la 5G à 3600 MHz étant très proches des fréquences des autres technologies déployées depuis 20 ans, la même protection du public sera garantie. 

Consultez notre page pour plus d’infos sur les effets sur la santé des ondes et antennes.