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5G : Fonctionnement, usages, déploiement… Le point sur le réseau de demain

Attendue dans le courant de cette année 2020 en France, la 5G s’annonce comme une véritable révolution dans l’univers de la téléphonie mobile, mais pas seulement. Le divertissement, l’automobile ou encore la santé sont autant de domaines auxquels pourra également profiter le déploiement de la 5G. On vous explique tout.

Nokia réseau 5G

© Nokia

En expérimentation depuis plusieurs années, la 5G fait de plus en plus parler à mesure qu’elle est déployée aux quatre coins du monde. États-Unis, Corée du Sud, Royaume-Uni, Suisse, Espagne, Finlande… Nombreux sont les pays à lui avoir déjà ouvert les bras, et la France est prochaine sur la liste. Les opérateurs français se préparent en effet à lancer de premières offres commerciales en cette année 2020. C’est donc le moment de faire le point sur le fonctionnement et les enjeux de ce réseau mobile de 5e génération qui suscite l’engouement de nombreuses industries.

La 5G, c’est quoi ?

Nous venons de le dire. La 5G, c’est donc la 5e génération de réseau mobile. Elle fait suite à la 1G, la 2G, la 3G et la 4G, qu’elle ne devrait toutefois pas forcément remplacer. Si la première génération appartient déjà au passé, les autres devraient pour l’heure perdurer, et la 5G fonctionnera même de pair avec la 4G pour ses débuts. C’est ce que l’on appelle la 5G NSA, pour non standalone, en opposition à la 5G SA, pour standalone et fonctionnant donc seule et sans l’appui d’une connexion 4G. Dans les deux cas, mais plus encore dans le second, cette nouvelle génération de réseau mobile devrait apporter trois améliorations majeures. La première concerne les débits, qui pourraient atteindre jusqu’à 20 Gbps. Une latence – soit le temps que met une donnée pour être envoyée et reçue – nettement réduite, voire inexistante, puisque l’on parle d’1 ms (contre 10 à 40 ms en 4G), est également à attendre, et la 5G devrait en outre permettre la connexion simultanée d’un plus grand nombre d’appareils, jusqu’à un million au km2.

Infographie sur la 5G

Infographie sur la 5G © 3GPP

Les usages

Si les bénéfices de la 5G sont assez clairs, reste la question des usages. Après tout, la 4G, qui continue de surcroît à évoluer en parallèle, répond à la majorité des besoins actuels. Les services de streaming audio comme vidéo sont par exemple déjà disponibles sur nos smartphones, et ils fonctionnent très bien avec une connexion 4G. Il faut donc voir plus loin, et surtout plus large. L’Autorité de régulation des communications électroniques et des Postes (Arcep) présente ainsi la 5G comme “une génération de rupture, celle qui ne s’intéresse plus uniquement au monde des opérateurs mobiles grand public, mais qui ouvre de nouvelles perspectives et permet la cohabitation d’applications et usages extrêmement diversifiés, unifiés au sein d’une même technologie.”

Des téléchargements encore plus rapides sur mobile, et du cloud-gaming

Bien sûr, il serait faux de dire que les utilisateurs de smartphones n’auront rien à tirer de la 5G. Avec ses débits très élevés, elle réduira de manière significative les temps de téléchargement de contenus lourds. Alors certes, il n’y a pas réellement d’intérêt à télécharger des vidéos 8K ou même 4K sur un smartphone dont l’écran est généralement trop petit pour faire apparaître un réel gain par rapport à une image Full HD, mais l’inverse fait un cas d’usage déjà plus intéressant. De nombreux smartphones permettent de filmer en 4K quand d’autres, comme les nouveaux Galaxy S20 de Samsung, sont même déjà passés à la 8K, et la 5G permettra de partager plus rapidement ces contenus en ligne pour les retrouver sur des écrans plus grands.

L’arrivée de la 5G devrait également ravir les amateurs de jeux vidéo. La puissance sans cesse accrue des smartphones a permis aux studios d’y proposer des titres de plus en plus avancés graphiquement, et donc de plus en plus lourds et longs à télécharger. La 5G devrait donc réduire les temps de téléchargement, et permettre même de s’en passer. Car avec la promesse d’une latence presque inexistante, et donc la transmission immédiate des commandes de jeu, les services de cloud gaming devrait aussi débarquer sur nos smartphones. Des démonstrations avaient d’ailleurs déjà été proposées au MWC 2019.

Des retransmissions immersives en réalité virtuelle

Suivre des événements sportifs comme si vous y étiez, ce devrait être possible grâce à la 5G. Des démonstrations avaient d’ailleurs déjà été proposées dans le cadre des jeux olympiques d’hiver qui se tenaient à Pyeongchang, en Corée du Sud, en 2018. Un opérateur local avait alors décidé de monter des caméras 360° sur des bobsleighs afin de retransmettre en direct les descentes dans des casques de réalité virtuelle. Une expérience qui n’aurait pas pu être menée sans la 5G, qui permet à la fois le maintien de la connexion en mouvement et des débits suffisamment élevés pour la transmission en direct de flux vidéo de qualité sur 360°, et qui pourrait donc bien être répétée à l’avenir.

Les usages de la 5G

Les usages de la 5G © Orange

Un pas de plus vers les voitures autonomes

Nous l’avons dit, la 5G dépasse de loin l’univers de la téléphonie mobile, et jouera notamment une part importante dans le développement des voitures autonomes. Car pour circuler en toute sécurité, de telles voitures auront besoin d’échanger d’importantes quantités de données en temps réel sur les routes, et elles augmenteront au passage le nombre de connexions simultanées. La 5G est donc une technologie-clé dans leur développement, même si la 4G a déjà permis quelques avancées.

Des villes plus intelligentes

Nous évoquions les voitures autonomes et les nombreuses données qu’elles auront besoin d’échanger pour circuler en sécurité, et les villes devraient en fournir une partie. Avec sa capacité à gérer de nombreuses connexions simultanées, la 5G pourrait en effet permettre de connecter de nombreux équipements de voirie, comme les feux de circulation pour donner ou non la commande de passer à ces véhicules autonomes, ou encore les parkings pour leur indiquer les places disponibles. Bien sûr, les conducteurs pourront aussi profiter de ces “villes intelligentes”, dont l’intérêt dépasse d’ailleurs de loin la circulation.

On peut imaginer des lampadaires connectés qui ne s’allument qu’en cas de passage pour les piétons, des systèmes d’arrosage automatique associés à des tas de capteurs, ou encore des poubelles et conteneurs capables de donner l’alerte aux services de récupération des déchets lorsqu’ils doivent être vidés. Les smart cities devraient non seulement changer notre quotidien, mais permettre aussi de réduire notre empreinte écologique. Tout ça, grâce à la 5G, donc.

Des chirurgiens qui opèrent à distance

Autre secteur auquel devrait profiter la 5G, la santé et surtout la médecine chirurgicale pourrait même connaître une véritable révolution. La nouvelle génération de réseau mobile, avec sa promesse d’une latence quasi-inexistante, ouvre la voie aux opérations à distance. Les chirurgiens pourraient en effet contrôler avec précision des bras robotisés qui opéreraient donc à leur place, et leur éviteraient ainsi d’avoir à se déplacer pour des patients traités dans des hôpitaux autres que le leur ou de les faire transférer. On peut d’ailleurs facilement transposer ce cas d’usage dans d’autres industries, plus généralement toutes celles qui produisent des biens et demandent une grande précision.

Il est à noter que les quelques cas d’usage cités ci-dessus ne constituent en aucun cas une liste exhaustive. Il serait d’ailleurs impossible d’en dresser une dans la mesure où la 5G ouvrira certainement la voie à des cas d’usage que l’on imagine pas encore aujourd’hui.

Comment ça marche ?

Pleine de promesses, la 5G n’est toutefois pas une technologie à proprement parler. C’est avant toute chose un ensemble de spécifications définies par la 3rd Generation Partnership Project (3GPP). Créée pour donner naissance à la 3G, elle a réuni des acteurs des télécoms du monde entier qui ont finalement poursuivi leur collaboration pour la 4G puis pour la 5G, qu’ils continuent d’ailleurs de façonner à chaque nouvelle release, ou publication de spécifications. Les bases ont ainsi été posées avec la release 15 de 2018, et la 3GPP n’a depuis cessé d’ajouter de nouvelles spécifications afin d’encadrer les usages de demain, dans la release 16 aujourd’hui en cours de finalisation puis dans la release 17 tout juste entamée. À noter que les plus curieux peuvent y accéder librement sur le site officiel de la 3GPP.

Pour commencer, il est important de noter que la 5G fonctionne sur les bandes basses comme hautes fréquences, de 0,4 à 100 GHz. On distingue toutefois, entre ces deux extrêmes que l’on pourrait qualifier de théoriques, deux catégories de bandes sur lesquelles la 5G est en cours de déploiement. La première est celle des fréquences inférieures à 6 GHz, dites sub-6, et dont une partie est déjà utilisée pour les réseaux mobiles actuels. L’autre est celle des ondes millimétriques, dites mmWave, qui désignent les fréquences supérieures à 30 GHz, bien que l’on étende communément cette catégorie à 24 GHz. Chacune à ses avantages et inconvénients. Les bandes sub-6 ne permettent pas de débits très élevés, mais offrent une meilleure couverture, à l’inverse des bandes mmWave qui permettent des débits très élevés mais n’ont qu’un faible pouvoir de propagation.

Réseau 5G

© Qualcomm

Ces bandes mmWave devraient surtout être utilisées en ville, où les antennes devraient d’ailleurs se multiplier et être associée à du beamforming. Cette technique vise à concentrer et diriger les ondes sur de petites surfaces pour en augmenter l’efficacité. Il sera par ailleurs possible, comme en 4G, d’agréger plusieurs porteuses 5G afin de profiter simultanément des avantages des bandes sub-6 (pour une connexion stable) et mmWave (pour leurs débits élevés), mais aussi de mixer 4G et 5G. On parle dans ce cas de Dual Connectivity. C’est la base de la 5G NSA évoquée plus tôt, qui consiste à se connecter à un réseau 4G puis à agréger des porteuses 5G qui permettront d’augmenter les débits tout en réduisant la latence, sans pour autant permettre d’exploiter le plein potentiel de la 5G. En effet, ce mode non autonome (NSA) n’est pas aussi performant que le mode autonome (SA) et n’en couvre pas non plus tous les usages.

De manière plus générale, la 5G NSA se présente comme une évolution de la 4G, mais présente l’avantage de pouvoir être déployée plus rapidement que la 5G SA qui impose le renouvellement de toutes les infrastructures réseau. Il est toutefois important de noter que, même en mode autonome, la 5G ne pourra honorer toutes ses promesses à la fois. Comprenez qu’il sera, par exemple, impossible de profiter d’un débit de 20 Gbps et d’une latence de 1 ms simultanément. Trois profils de connexion ont par conséquent été définis en vue de permettre à la 5G de s’adapter à différents cas d’usage, en favorisant les paramètres les plus pertinents : Enhanced Mobile Broadband (eMBB) pour nos smartphones, Massive Machine Type Communications (mMTC) pour l’IoT (les objets connectés) et Ultra-reliable and Low Latency Communications (uRLLC) pour les applications nécessitant réactivité et fiabilité, à l’instar des véhicules autonomes.

Le network slicing pour la 5G

Le network slicing pour la 5G © Arcep

C’est le principe du network slicing. Une technique déjà utilisée pour la 4G, mais améliorée pour gérer plus finement et en temps réel le nombre plus important d’objets qui devraient utiliser la 5G SA, et garantir ainsi une expérience optimale à tous les utilisateurs du réseau.

La 5G en France

Si son déploiement a été entamé dans plusieurs pays à travers le monde, et même en Europe, la 5G se fait toujours attendre en France. Les premières offres commerciales devraient toutefois arriver chez les opérateurs français avant la fin d’année 2020, mais avant de nous intéresser au calendrier de déploiement de la 5G, il faut d’abord comprendre que le réseau se construira chez nous sur trois bandes de fréquences : 700 MHz, 3,5 GHz et 26 GHz. La première a été attribuée aux opérateurs en 2015, mais est déjà occupée par d’autres usages. C’est également le cas de la bande 26 GHz (24,25-27,5 GHz), celle des “ondes millimétriques” offrant les débits les plus élevés, mais encore indisponibles. Au lancement de la 5G, il faudra donc se contenter de la bande 3,5 GHz (3,4-3,8 GHz), dont la procédure d’attribution aux opérateurs aboutira d’ici la fin juin 2020. Seul hic : une partie des fréquences est déjà utilisée par d’autres acteurs, dont des réseaux radio, jusqu’en 2026.

La licence d’exploitation pour partie de la bande 3,5 GHz aujourd’hui accessible autorisera cependant les premières offres commerciales dès juillet 2020, et les opérateurs ne devraient pas perdre de temps. Il faut dire que l’Arcep les a autorisés à mener des expérimentations sur cette bande et que beaucoup sont déjà en cours dans plusieurs villes. Les installations sont donc déjà partiellement prêtes, ce qui devrait notamment permettre à Orange de couvrir entre dix et quinze villes dès l’été 2020 pour accompagner ses premières offres 5G. Bouygues Telecom, SFR et Free mènent évidemment aussi des expérimentations et, s’ils sont un peu moins bavards que le premier opérateur français sur le lancement de leurs offres commerciales, ils devraient rapidement lui emboîter le pas. L’Arcep précise par ailleurs que, dans l’immédiat, “les opérateurs télécoms prévoient de remplacer les antennes actuelles par des antennes 5G, mais pas de créer massivement de nouveaux sites” , et ajoute que la 5G SA n’est pas à attendre avant 2022.

D’ici là, seule la 5G NSA – soit non-autonome et s’appuyant sur le réseau 4G – sera donc proposée, mais des expérimentations pourront être menées sur la bande des 26 GHz afin de préparer le lancement de la 5G autonome. L’Arcep a déjà autorisé, début octobre 2019, onze projets visant à tester ces ondes millimétriques. Il est en outre intéressant de noter que l’on ne trouve pas que des opérateurs à l’origine de ceux-ci, mais aussi le port du Havre ou Bordeaux Métropole.

Carte des expérimentations 5G en France

Carte des expérimentations 5G en France © Arcep

Faut-il avoir peur de la 5G ?

Les appareils connectés ont envahi notre quotidien et éveillé chez beaucoup des craintes liées aux effets des ondes sur la santé, et cela ne s’arrange évidemment pas avec l’arrivée de la 5G. L’attribution de nouvelles bandes de fréquences, qui s’ajouteront donc à celles déjà utilisées, signifie que nous serons bientôt exposés à des ondes supplémentaires. Mais sont-elles réellement dangereuses ? L’Agence nationale de sécurité sanitaire de l’alimentation, de l’environnement et du travail (Anses) planche sur la question, mais ne devrait rendre son rapport qu’en 2021.

Elle note en attendant que la bande des 3,5 GHz – qui sera donc la première à être exploitée pour la 5G en France – a jusqu’ici fait l’objet de très peu d’études scientifiques visant à pointer les risques sanitaires liés à son utilisation, et que “la spécificité des signaux 5G (modulation, puissance) pourrait influencer les niveaux d’exposition” mesurés pour les bandes de fréquences légèrement plus basses comme le 2,45 GHz utilisé notamment pour les communications Wi-Fi. Impossible donc de tirer des conclusions par simple extrapolation de ces résultats.

Il est en revanche à noter que les ondes millimétriques ont pour leur part fait l’objet de plus d’études et semblent présenter peu de risques. “En raison notamment de leur faible longueur d’onde, celles-ci ne pénètrent pratiquement pas dans l’organisme,” notait d’ailleurs l’Anses dans une étude visant à évaluer les risques sanitaires liés à l’utilisation d’un scanner corporel à ondes millimétriques publiée en 2010. Néanmoins, la peau et les yeux sont exposés, et des études supplémentaires seront menées.

Dans tous les cas, il est bon de rappeler que l’Agence nationale des fréquences (ANFR) étudie l’exposition aux ondes électromagnétiques causée aussi bien par les antennes que par les appareils qui les utilisent, et que la 5G ne pourra être déployée sans son aval. Les équipements 5G ne pourront donc pas dépasser les plafonds déjà définis pour les technologies que l’on utilise déjà au quotidien, comme Wi-Fi mais aussi les micro-ondes, lesquels s’étalent de 28 V/m à 87 V/m selon les fréquences utilisées.

On remarque enfin que la 5G pourrait avoir un effet bénéfique sur l’environnement en raison de son efficacité énergétique supérieure à celle de la 4G, mais que l’explosion des usages risque bien de contredire cette hypothèse…

Mathieu Freitas

Mathieu Freitas

Journaliste

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