Lorsque des brouillages et/ou des perturbations sont rencontrés par des opérateurs, ils peuvent demander l’ouverture d’une enquête auprès de l’ANFR. Des agents se déplacent alors sur place, et l’Agence nationale des fréquences en profite parfois pour raconter ces histoires (qui se terminent bien). Il y a quelques mois, l’ANFR expliquait par exemple comment des étiquettes RFID (passives) arrivaient à perturber des antennes 3G/4G.

Aujourd’hui, il est de nouveau question de téléphonie mobile, mais en 5G, avec une antenne dysfonctionnelle à Alençon (61) à cause d’un brouillage. Pourquoi seulement la 5G ? À cause du TDD (time division duplexing) bien évidemment.

TDD vs FDD : de la 2G à la 5G les technologies ont évolué

Pour rappel, de la 2G à la 4G en France, la séparation entre l’envoi et la réception des données reposait sur un découpage en fréquences appelé FDD, pour frequency domain duplexing. Sur la bande allouée à l’opérateur, une partie est utilisée pour le téléchargement, une autre pour l’upload, avec une « bande centrale » pour assurer la séparation et éviter les perturbations.

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Pour des appels audio, c'est très efficace comme partage puisque les échanges sont à peu prés les mêmes dans les deux sens. Par contre pour accéder à Internet, c'est différent : le gros du trafic est généralement dans le sens descendant. « Or, il est impossible de modifier le sens affecté à chaque voie sans réallouer les fréquences attribuées aux opérateurs ; d’où un usage moins efficace du spectre disponible à mesure que l’usage descendant s’intensifie », explique l’ANFR.

En 5G, le découpage change : on passe du FDD au TDD. Cette fois-ci la fréquence est la même dans les deux sens, la séparation se fait avec une division temporelle : « À intervalles réguliers, après une pause très brève, le sens s’inverse », entre download et upload.

Un besoin de précision de l’ordre de la microseconde

L’utilisation du spectre est donc améliorée avec la possibilité de « jouer » sur les intervalles temporels, mais il y a une contrepartie : « le fonctionnement du TDD nécessite néanmoins une gestion du temps très rigoureuse ». Le temps de trajet d’une trame (c’est elle qui contient les données) est de « quelques microsecondes, mais il faut pouvoir les décompter avec précision ».

Maintenant, imaginez que plusieurs antennes fonctionnent dans la même zone : « étant donné le volume de trafic intense dans les sens montant puis descendant qui circule constamment sur des bandes de fréquences proches, il est important que les antennes soient synchronisées ». Si une antenne envoie des signaux vers les smartphones pendant qu’une voisine est en mode upload, « elle ne pourrait plus entendre ses terminaux, car rendue sourde par la puissance rayonnée par la première antenne ».

La synchronisation est donc primordiale, y compris quand les antennes « sont exploitées par des opérateurs concurrents ». Pour donner quelques chiffres, l’ANFR explique que le mode TDD nécessite une synchronisation précise de tous les réseaux mobiles, « avec une tolérance inférieure à 1,5 µs (microseconde) ».

Les horloges atomiques des satellites « GPS » à la rescousse

Les antennes relais disposent évidemment d’une horloge interne, mais la précision n’est pas suffisante et elle dépasse rapidement les 1,5 µs. Il faut donc trouver une source capable de proposer une excellente précision, partout sur le territoire. Il n’y a pas à chercher bien loin : levez les yeux au ciel et la solution apparait : les satellites Global Navigation Satellite System (GNSS). Deux exemples : le GPS américain et Galileo européen.

Vous ne le saviez peut-être pas, mais tous les satellites GNSS embarquent des horloges atomiques de très haute précision… qui ont d’ailleurs donné quelques sueurs froides à l’Agence spatiale européenne sur Galileo) On parle de données PNT pour « position, navigation et temps ». Pour fonctionner correctement avec ses petits camarades, chaque station de base 5G en TDD est équipée d’un récepteur GNSS.

Un brouillage de 8 h à 00 h

Revenons au brouillage du jour sur une antenne 5G : « entre 8 heures et minuit, presque tous les jours, le nombre de satellites vus par ce récepteur passait brusquement d’une dizaine à zéro, provoquant ainsi la perte de la synchronisation ». Un comble pour une antenne immobile.

L’enquête commence. Avant de se rendre sur place, les agents vérifient qu’il n’y a pas de brouillage de grande envergure (même si on peut se douter qu’en pareille situation les alertes auraient été plus nombreuses). Sur une station à 18 kilomètres de l’antenne, rien à signaler sur la réception des signaux GNSS.

Sur place, au pied du site de l’opérateur, les agents de l’ANFR font de nouveau chou blanc : aucun brouillage n’est détecté. Alors qu’ils sont au pied du pylône, ils demandent confirmation : au même instant, il y a sans aucun doute possible une perturbation en cours sur le récepteur.

Le récepteur était saturé par les antennes relais

La solution est finalement trouvée : le récepteur GPS de l’opérateur n’est pas brouillé, mais saturé. L’antenne du récepteur se trouve « dans une zone de champs forts dûs aux multiples opérateurs colocalisés sur le même pylône. Or, un récepteur GPS n’apprécie guère ce type d’environnement, car il se doit d’être très sensible. Et pour cause : il doit extraire du bruit ambiant des signaux GPS qui arrivent de l’espace avec un niveau très faible, environ un million de fois plus faible que le signal qui sort d’un téléphone mobile ».

Cela colle aux observations : le signal est coupé aux heures d’utilisation maximales de la téléphonie mobile (du matin au soir), il s’atténuait certains jours fériés et le brouillage ne cessait finalement que la nuit.

La densification des sites radioélectriques

Une observation rapide confirme : le récepteur GNSS est « au faîte de l’antenne, dangereusement entouré de plusieurs émetteurs ». La résolution du problème était des plus simples : le récepteur a été repositionné plus bas sur le pylône. Tout est alors rentré dans l’ordre.

« Cette enquête montre que la densification des sites radioélectriques peut provoquer des interactions entre les différents équipements radio qui y sont installés », explique l’Agence nationale des fréquences en guise de conclusion.