Beam Forming, massive MIMO, ondes millimétriques, latence en baisse, explosion des débits, Internet des objets... Voici quelques exemples de termes que l'on associe à la 5G. Afin de vous aider à comprendre ce qui se cache derrière, nous avons décidé de faire le point sur cette technologie qui arrivera en 2020 chez les opérateurs.

Au MWC de Barcelone, la 5G sera certainement l'une des stars du salon. Les annonces de partenariats et de solutions maison se sont multipliées à l'approche de l'ouverture, tandis que sur le salon les équipementiers et opérateurs vont effectuer de nombreuses démonstrations. Pour autant, cette technologie n'arrivera pas tout de suite pour le grand public. Il faudra encore attendre plusieurs années. 

Pendant ce temps, le travail continue et l'ITU (Union internationale des télécommunications) vient de publier un brouillon de son document IMT-2020 (International Mobile Telecommunication) qui définira les normes qui seront utilisées pour la 5G. Celui-ci devrait être approuvé lors de la prochaine réunion du groupe de travail qui se déroulera en novembre 2017.

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La 5G c'est quoi ?

Pour commencer, la 5G correspond à la prochaine génération de réseaux de téléphonie mobile. Elle prendra le relais de la 4G(+) (LTE et LTE Advanced) et sera progressivement déployée par les opérateurs, en parallèle des réseaux déjà en place. Par rapport à la 4G et la 4G+ (qui permet d'agréger plusieurs bandes de fréquences), il est notamment question de débits largement plus élevés et d'une latence en baisse, mais nous y reviendrons plus en détail un peu plus tard.

Alors que la 4G vise essentiellement les terminaux mobiles, la 5G voit bien plus large et s'intéresse aux milliards d'objets connectés que l'on nous promet pour les années à venir. Elle sera également spécialement pensée pour remplacer un accès à Internet fixe, ce qui est déjà possible avec de la 4G, comme le propose par exemple Bouygues Telecom dans certaines zones avec sa 4G Box. 

La 5G est donc non seulement là pour absorber de grosses quantités de données (les moyennes explosent année après année), mais aussi pour supporter un nombre très important de connexions et multiplier les cas d'usages. Elle sera polyvalente, afin de s'adapter aux besoins de chacun : performances, économies d'énergie, usages critiques (voitures autonomes ou chirurgie à distance), etc.

Cette technologie est aussi l'un des grands objectifs industriels de la Commission européenne ces prochaines années. L'UE affirme ainsi que les groupes européens doivent mener la standardisation de cette technologie, après avoir manqué le train de la 4G, ce qui aurait créé une dépendance aux fournisseurs étrangers. Le monde des télécoms l'a bien compris, et utilise l'argument de la 5G pour justifier son opposition à certaines régulations, par exemple sur la neutralité du Net l'été dernier.

Quand arrivera-t-elle ?

Les promesses de la 5G sont intéressantes sur le papier, mais il faudra encore être patient avant de pouvoir en profiter. En effet, si les premières expérimentations se déroulent sans encombre, la norme n'est même pas encore finalisée. Cela ne devrait être le cas que fin 2019 selon le calendrier de l'ITU :

Dans tous les cas, les différents acteurs s'accordent pour dire qu'il faudra attendre 2020 (d’où le nom IMT-2020) pour un lancement commercial.

D'ici là, les expérimentations vont se multiplier et il faudra attendre mi-2018 pour une première version de la norme vraiment complète selon les acteurs du secteur. Dans tous les cas, un test grandeur nature aura lieu durant les Jeux olympiques d'hiver de 2018 qui se dérouleront en Corée du Sud.

La mise en place de la 5G se fera de manière progressive, exactement comme ce qui s'est passé avec le passage de la 3G à la 4G. D'ici 2020, la 4G devrait être disponible pour quasiment toute la population chez les opérateurs, tandis que la 5G sera au début de son exploitation, avant de prendre de l'importance et de couvrir progressivement le territoire. Il sera alors temps de penser à la 6G et de répéter l'opération, mais c'est une autre histoire.

Où en sont les opérateurs français ?

Si la France n'est pas à la pointe côté expérimentations, les choses sont en train de bouger. Alors que, fin 2015, l'ARCEP accordait à Orange une autorisation pour expérimenter la 5G à Belfort jusqu'à fin 2016, il a fallu attendre début 2017 pour que l'opérateur passe la seconde avec un démonstration dans un de ses laboratoires.

À l'occasion de la publication de ses résultats pour l'année 2016 (voir notre analyse), Bouygues Telecom annonce qu'il se prépare à « devenir un référent de la 5G en France »... sans donner vraiment de détails. L'opérateur affirme ainsi qu'il est « le premier opérateur à avoir atteint plus de 1 Gb/s »... mais c'était avec de la 4G en mai dernier.

Il ajoute qu'en 2017 il réalisera des « tests d’équipement réseau 5G ». Pour le moment, il s'agit surtout de répondre à la démonstration d'Orange et il faudra attendre encore pour avoir du concret.

Bouygues Telecom comme Orange prévoient de lancer leur réseau 5G commercial en 2020, finalement comme tous les opérateurs à travers le monde. Pour le moment, Free Mobile et SFR n'ont pas fait d'annonces particulières.

Quels seront les débits de la 5G (download et upload) ?

Nous savions déjà que la 5G permettra d'atteindre des débits de plusieurs Gb/s et les dernières expérimentations dépassent même les 15 Gb/s. C'était notamment le cas d'Ericsson au CES de Las Vegas et d'Orange dans son laboratoire parisien. Avec son brouillon de règles, l'ITU veut imposer certaines valeurs aux stations chargées d'émettre de la 5G.

Premier point abordé : le débit crête, qui correspond au maximum réalisable par une seule station « dans des conditions idéales ». Il est de 20 Gb/s en download et de 10 Gb/s en upload. Cela ne signifie évidemment pas qu'un utilisateur pourra atteindre de telles vitesses, mais cela donne des indications sur la bande passante qui sera disponible et partagée entre les différentes machines connectées sur une même base.

Dans son document, l'ITU souhaite également imposer une efficacité minimum de 30 bits/s/Hz en téléchargement et de 15 bits/s/Hz dans le sens contraire. Sur un bloc de 20 MHz (2,6 GHz), cela permettrait théoriquement des débits de 600 Mb/s, contre 150 Mb/s au mieux actuellement en pratique.

Chez Orange, on nous explique qu'en pratique il sera « question d'un débit garanti partout et à tout moment entre 50 et 100 Mb/s avec la 5G », alors qu'en 4G cela varie entre 5/10 Mb/s et jusqu'à 30 Mb/s pour les zones denses ajoute l'opérateur.

Quid de la latence ?

Comme nous l'expliquions en introduction, les améliorations ne concernent pas que les débits : la latence est revue à la baisse. Pour rappel, il s'agit du temps nécessaire pour qu'une information passe de la station 5G à un terminal (dans un sens ou dans l'autre). 

Deux cas de figure sont à prendre en considération pour l'ITU : 4 ms pour l'eMBB (Enhanced Mobile Broadband) et 1 ms pour l'URLLC (Ultra-reliable and low-latency communications). Le second sera utile pour des services critiques qui nécessitent une réactivité de haut vol. La modularité de la 5G commence à apparaitre dans cette situation.

Les opérateurs européens ont d'ailleurs demandé aux régulateurs européens de la flexibilité vis-à-vis de la neutralité du Net, pour différencier les services et gérer finement la latence nécessaire à chacun d'eux... Même s'il semble techniquement possible de différencier cette qualité de service sans atteinte directe au principe de non-discrimination.

Remplacera-t-elle les réseaux bas débit (LoRa, Sigfox, etc.) ?

Dans son brouillon de règle, l'ITU veut également imposer un minimum concernant « la densité de connexion ». Dans le cadre d'une utilisation mMTC (massive machine type communication) pour des objets connectés, il est pour le moment question d'un million de machines par km².

Se pose alors la question de savoir si la 5G prendra la place des réseaux bas débit qui ont le vent en poupe ces derniers temps... Y compris chez les opérateurs de téléphonie mobile, qui déploient leur propre solution exploitant la technologie LoRa. C'est notamment le cas d'Orange et de Bouygues Telecom avec sa filiale Objenious (Altice/SFR s'appuie sur Sigfox).

Interrogé par nos soins, Orange nous précise que non, « il n'y a pas de plan d'arrêter LoRa » pour passer tout le monde sur de la 5G. Les solutions sont complémentaires et ont donc pour le moment vocation à rester en place. La plateforme sera par contre commune, ce qui permettra aux clients de choisir facilement la technologie qu'ils veulent.

Nous avons également profité de l'occasion pour savoir si l'arrivée de la 5G allait donner le coup de grâce de la 2G (encore largement utilisée pour le Machine to Machine). Là encore la réponse de l'opérateur était négative. Orange nous précise qu'il a de toute façon des obligations jusqu'en 2021 et ajoute qu'il faudra à ce moment-là voir ce qu'en dit le régulateur, mais qu'il faudra tenir compte du parc de machines existant.

De la 5G en mobilité jusqu'à 500 Km/h et une sécurité renforcée ?

Si la 4G peut être utilisée en mobilité, y compris dans les TGV (de nouvelles lignes sont ouvertes régulièrement), la 5G veut aller plus loin. Dans son brouillon de règles, l'ITU compte imposer une qualité de service minimale lorsque le récepteur est en mouvement, cela en fonction de différents scénarios qui sont repris dans le tableau ci-dessous :

Ainsi, pour un piéton à l'intérieur d'un bâtiment, le débit devra être au minimum de 1,5 bit/s/Hz, tandis que pour un train à grande vitesse (jusqu'à 500 km/h) cela baisse à 0,45 bit/s/Hz. 

Mais la 5G intéresse également les opérateurs car elle permettra de renforcer la sécurité des réseaux grâce à la virtualisation des fonctions réseau (NFV) et de l'infrastructure (SDN), ce qui nous a été confirmé par plusieurs sociétés travaillant sur cette nouvelle technologie. Kaspersky va même jusqu'à annoncer que « la sécurité constitue l’une des pierres angulaires de la 5G ». 

Une vision partagé par Orange Business Services et le ministère de la Défense dans leur étude sécurité Internet 2030 : « Le SDN (Software-Defined Networking) a pour objectif de simplifier et d’automatiser la mise en œuvre et la gestion opérationnelle des réseaux pour les rendre plus dynamiques et évolutifs, notamment dans la gestion de la qualité de service. SDN sera notamment une pierre angulaire des futurs réseaux 5G ».

Pourquoi les fréquences sont-elles si importantes ?

Dans les coulisses des instances en charge de définir les normes de la 5G, c'est le branle-bas de combat pour arriver à un consensus au niveau mondial sur un élément en « or » : les fréquences. Sans fréquences, pas de 5G, sans spectre suffisamment large, pas de débits élevés. Bref, l'enjeu est important.

Par exemple, lors de sa démonstration à plus de 15 Gb/s, Orange utilisait une largeur de bande de... 800 MHz. Pour rappel, le plus gros bloc disponible pour les opérateurs est 20 MHz sur les 2 600 MHz pour Free Mobile et Orange. Il faut donc trouver de larges bandes disponibles de manière plus ou moins uniforme à travers le monde. Actuellement, les opérateurs utilisent des ondes décimétriques (entre 700 et 2 600 MHz) qui sont déjà très chargées, il n'y a qu'à voir la réorganisation qui a été nécessaire pour libérer les 700 MHz de la TNT à la téléphonie mobile.

Pour la 5G, il sera question d'ondes centimétriques et/ou millimétriques, qui se trouvent donc bien plus haut dans le spectre (les fréquences entre 3,5 - 6 et 20 - 50 GHz reviennent souvent). Plus facile dans de telles conditions de trouver de larges blocs disponibles, le problème étant d'en obtenir au niveau mondial. De manière « locale » (Europe, USA et Asie par exemple) c'est possible, mais la difficulté est d'harmoniser cela au maximum afin de simplifier le développement de la 5G par la suite. Voici un exemple avec les plans de la Commission européenne.

De son côté, Orange explique que « l'utilisation des ondes millimétriques, autorisée à partir de 2019 par la Conférence Mondiale des Radiocommunications de 2015, devrait se généraliser, étant jusqu'à présent exploitées seulement dans le domaine militaire ».

Qu'est-ce que la focalisation et le massive MIMO, comment ça marche ?

La 5G apportera aussi de nouvelles fonctionnalités, et certaines commencent déjà à faire parler d'elles. La première est la focalisation, ou beam tracking. Il s'agit de « faire converger la puissance des ondes radio vers la position du mobile, améliorant l’efficience du système 5G » explique Orange.

Dans cette situation, les fréquences élevées de la 5G sont un avantage, nous affirme Orange : « Quand on monte en fréquence, la taille des antennes diminue. Sur ces sites, on va avoir la capacité de mettre des antennes qui vont être composées de 100 (ou plus en fonction des fréquences) éléments rayonnants ». Cela permet donc d'améliorer l'efficacité sans pour autant augmenter la puissance. Plus ces éléments sont nombreux, plus la focalisation est efficace.

Il est également question du MIMO (Multiple Input Multiple Output), multi utilisateurs. Cette fois-ci, le fait d'augmenter le nombre d’antennes permet de proposer des débits plus importants. « Cette technologie permettra à terme d’accueillir un plus grand nombre d’utilisateurs et d’augmenter la couverture mobile » précise Orange. Dans le cas de la démonstration à 15 Gb/s, « on aurait pu aller sans problème à 30 Gb/s » avec deux utilisateurs grâce à cette technique, ou bien à 45 Gb/s avec trois, etc.

Démonstration du beam tracking avec de la 5G. Sur la gauche le "terminal" est bougé par l'ingénieur et l'émetteur s'adapte automatiquement pic.twitter.com/b4qI3e1U11

— Next INpact L@bs (@Next_Labs) 25 janvier 2017

Quid de la portée avec des fréquences élevées ?

Comme nous avons eu l'occasion de l'évoquer à de nombreuses reprises avec la 4G, plus les fréquences sont basses, plus la portée et la pénétration dans les bâtiments sont bonnes. C'est d'ailleurs pour cela qu'on parle parfois de fréquences en « or » pour les bandes de 700 et 800 MHz. Du coup, se pose la question de savoir ce que l'on peut attendre avec plusieurs GHz.

Nous avons posé la question à l'opérateur historique. En substance, il nous explique qu'il faudra s'attendre à une portée équivalente à celle de la 4G, notamment grâce à la focalisation. Pour faire une analogie, on peut comparer l'émission de données en 4G et en 5G au faisceau lumineux d'une lampe de poche. En 4G, la lampe émettrait un signal diffus éclairant une large surface, mais ne portant pas très loin. En 5G par contre, la lumière serait plus ciblée vers un point précis et porterait donc plus loin, avec la même puissance. C'est justement ce que permet la focalisation.

Conséquence directe, il ne devrait pas y avoir besoin d'installer de nouveaux supports pour les antennes et donc de densifier le réseau existant. C'est du moins ce que prévoit Orange.