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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 optique pour transmettre des données de façon ultra-rapide sur les réseaux. La fibre optique offre un débit très supérieur à celui du câble coaxial.

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 données entre l’antenne et le téléphone portable ou l’ordinateur.

Par exemple, suivant le tableau ci-dessous, pour transférer un fichier vidéo de 1 GBytes, il faudrait 4,7 heures pour la 2G, environ 3 minutes en 3G, 44 secondes en 4G, 44 secondes en 5G light et environ 1.6 en 5G.

Génération de téléphonie mobile 2G (Edge) 3G (HSPA+) 4G (LTE) 5G "Light" 5G (standard futur)
Débit théorique des données 474 kb/s 42 Mb/s 180 Mb/s 180 Mb/s 5 Gb/s

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 (voir figure ci-dessous) on assiste à une augmentation exponentielle de la consommation des données mobiles dans le monde. 

Source : Ericsson mobility report 2020 (EB Exabyte = 1.000.000 Terabyte)

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.

Source : https://www.etsi.org/technologies/mobile/5g

  1. Vitesse de transfert de données de pic, c’est-à-dire de débit maximum
  2. Vitesse de transfert de données à l’utilisateur
  3. Efficacité spectrale
  4. Connectivité sur des objets en déplacement
  5. Temps de latence, c’est-à-dire délai de réponse
  6. Capacité de densité de connections par nombre d’appareils au km²
  7. Efficacité énergétique du réseau 
  8. Capacité de trafic par surface

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

Le codage d’émission

La 5G émettra avec un codage TDD au lieu du codage actuel FDD.

Avec le FDD  Les communications descendantes, de l’antenne vers le téléphone, et montantes, du téléphone vers l’antenne, se font sur des bandes de fréquences différentes.
Avec le TDD  Les communications descendantes, de l’antenne vers le téléphone, et montantes, du téléphone vers l’antenne, se font sur les mêmes bandes de fréquences. 
Cette approche permet de maximiser l’utilisation de la bande de fréquence.

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 passives actuelles Elles émettent dans une direction prédéfinie et « arrosent » plus ou moins fort un secteur en fonction de la demande des utilisateurs dans ce secteur. Elles transmettent dans une direction fixe et en continu.
Les nouvelles antennes actives

Elles n’arrosent pas les alentours, mais concentrent un rayonnement spécifique ciblé vers les utilisateurs. Elles permettent ainsi de personnaliser leur rayonnement parce qu’elles peuvent modifier et diriger la forme de celui-ci sur demande. 

Elles sont constituées d’un panneau composé d’un ensemble d’éléments rayonnants qui pourront interagir pour diriger le rayonnement dans une direction en particulier, mais aussi pour créer différents rayonnements simultanés.

Plus on s’éloigne d’une antenne dynamique, plus le rayonnement sera diffus et la surface de rayonnement plus importante. En d’autres termes, le diagramme de rayonnement de l’antenne couvre des zones de plus en plus larges au fur et à mesure que la distance à l’antenne augmente et la concentration devient moins efficace.
Prenons  par exemple, plusieurs utilisateurs proches de 20 m les uns des autres et éloignés de l’antenne d’environ 100m, si un des utilisateurs appelle le rayonnement les autres seront aussi exposés à ce rayonnement. 

La précision du rayon dépendra de la densité d’antennes actives à proximité. Plus il y aura d’antennes dynamiques, plus les surfaces desservies par ces antennes seront petites.

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 : 

800 MHz 4G
900 MHz 2G, 3G
1800 MHz 2G, 4G
2100 MHz 3G, 4G, 5G « Light »
2600 MHz 4G

Par exemple, la 2G a été déployée sur la bande 900MHz. 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 800MHz, 900MHz, 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 900MHz et la bande 1800MHz. 
    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 passante 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 2100MHz et les mêmes antennes que les technologies actuelles. 

  • La bande de fréquence de 2100MHz est donc maintenant exploitée pour émettre dans les technologies 3G, 4G et 5G.
    Un bémol : l’utilisation de la bande 2100MHz 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 » :

  5G « light » 5G « standard »
Fréquences 2100 MHz 3600 MHz
Antennes Classiques Beamforming
Protocole FDD (Frequency Division Duplex) TDD (Time Division Duplex)

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 5 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 3400-3800MHz 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 1ier 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’ICNIRP 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.

Date de mise à jour: 16/10/2020