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Technologie

5G: comment ça marche?

02-04-2020

Image: Shutterstock

La 5G reposera sur divers outils et fréquences. Voici un petit guide pour mieux vous y retrouver.

La 5G est une sorte de boîte à outils regroupant plusieurs avancées techniques. « La 5G devra répondre à des utilisations hétérogènes. Regarder une vidéo sur YouTube ne demande pas la même qualité de service que les communications de la police par exemple », explique Georges Kaddoum.

Pour y voir clair, il faut d’abord revenir sur les notions d’ondes et de spectre. Les réseaux sans fil transmettent les données grâce à des ondes électromagnétiques, qui sont caractérisées par leur fréquence (en hertz), c’est-à-dire le nombre d’oscillations qu’elles effectuent en une seconde.

Le « spectre » est simplement un classement des ondes électromagnétiques par fréquences, allant des basses fréquences (les ondes radioélectriques qui sont utilisées en radio et télévision entre autres) jusqu’aux rayons X en passant par les micro-ondes et la lumière visible.

Pour faire court, dans votre téléphone, le texto, la voix ou les données sont codés en une combinaison de 0 et de 1 transposés sur une onde électromagnétique émise par l’antenne. Le signal est capté par une antenne « relais », puis acheminé sur de longues distances par câble ou fibre optique (sous forme de signal électrique) jusqu’à une autre antenne proche du destinataire qui réémet le tout sous forme d’ondes.

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Pour éviter la cacophonie, chaque type de communication repose sur une bande du spectre prédéfinie : ainsi, la radio FM utilise une bande entre 87,5 et 108 mégahertz (MHz). La 4G, quant à elle, recourt à plusieurs gammes de fréquences, autour notamment de 700 MHz, 1 700 MHz et 2 100 MHz en Amérique du Nord.

En réalité, autour de chaque gamme de fréquences, on utilise des intervalles de plusieurs mégahertz contigus. De la sorte, la gamme des 700 MHz couvre un bloc allant de 699 MHz à 806 MHz, pour une largeur de bande totale de 107 MHz.

Or, en télécommunications, la règle est très simple : plus la bande est large, plus le volume de données qu’elle peut transporter est important. Les opérateurs se battent donc − dans des ventes aux enchères − pour acquérir les droits d’usage sur des « blocs » du spectre les plus larges possible. Sauf que le spectre est saturé ! Pour lancer la 5G, les opérateurs n’avaient donc que deux options : libérer des bandes de spectre déjà allouées ou en conquérir d’autres.

Finalement, la 5G opérera sur au moins trois zones du spectre : des fréquences basses, des fréquences hautes (au-delà de 1 000 MHz, on parle plutôt de la gamme des gigahertz ou GHz) et, pour la première fois dans des réseaux grand public, des fréquences très hautes dites « millimétriques » (vers 30 GHz).

« Le spectre utilisé actuellement est congestionné, mais les ondes millimétriques sont un terrain encore inexploité, ce qui va nous donner accès à de très larges bandes », souligne Georges Kaddoum. De quoi satisfaire l’appétit des fournisseurs de services. « Autour de 700 MHz, les blocs vendus font environ 5 MHz de large. Autour de 24 GHz, on parle de tranches de 400 MHz », détaille Kris Joseph, auteur d’un rapport sur les enchères du spectre au Canada en 2018.

Image: Adaptée de Shutterstock et de l’ANFR

Les termes dont vous entendrez parler

ONDES MILLIMÉTRIQUES

Jusqu’à maintenant, les ondes millimétriques (de 24 à 86 GHz) étaient réservées aux communications satellites ou radar. Leur utilisation en téléphonie mobile est une nouveauté, qui vient avec son lot de défis. D’abord, en raison de leur très courte lon- gueur d’onde (de l’ordre du millimètre contre quelques centimètres pour les ondes radio), les ondes millimétriques voyagent très mal. Un rien les arrête ou les perturbe : un mur, un arbre et même une averse. Selon les premiers tests, le débit de la 5G millimétrique peut être divisé par deux en cas de fortes pluies.

Conséquence ? Il faut multiplier le nombre d’antennes, car celles-ci ne peuvent couvrir qu’un territoire restreint, appelé « petite cellule». Il faudra prévoir des antennes tous les 200 m environ. «La faible portée des ondes millimétriques a aussi des avan- tages, nuance Tareq Djerafi, spécialisé dans le sujet à l’Institut national de la recherche scientifique. Cela nous donne une forme de sécurité et de confidentialité, car on ne peut pas les capter à distance et cela minimise les interférences.»

MIMO MASSIF

Plus les ondes sont courtes (millimétriques, en l’occurrence), plus les antennes sont petites. Cette miniaturisation permet de compacter de nombreuses antennes au sein d’une même «station», dans ce qu’on appelle des «MIMO massifs» (multiple-input multiple-output). «Le MIMO consiste à utiliser plusieurs antennes émettrices-réceptrices au lieu d’une seule. Pour la 4G et le Wi-Fi, on recourt déjà à deux ou quatre antennes. Avec le MIMO massif, on parle plutôt de dizaines d’antennes qui transmettront des signaux à plusieurs usagers en même temps», explique Paul Fortier, spécialiste de cette technologie à l’Université Laval. On peut donc cibler plus d’utilisateurs et, du même coup, augmenter la fiabilité de la communication.

FILTRAGE SPATIAL

Ces antennes formeront des faisceaux plutôt que d’émettre des ondes dans toutes les directions. C’est le beamforming ou filtrage spatial. «On pourra estimer la position d’un utilisateur et le suivre quand il se déplace dans la cellule», ajoute Paul Fortier, qui travaille sur des algorithmes d’intelligence artificielle pour aider à localiser les usagers.

D’autres astuces, comme le découpage et la «virtualisation» des réseaux, permettront de rendre l’architecture de la 5G très malléable. «Le découpage en tranches des réseaux permet aux fournisseurs de services de créer des réseaux virtuels adaptés aux besoins. Chaque tranche servira à un service donné : les opérateurs n’alloueront pas la même tranche aux téléphones intelligents qu’à l’Internet des objets », indique Georges Kaddoum. L’allocation des « tranches » se fera de façon dynamique, en reconfigurant le réseau selon les besoins (on parle de réseaux programmés par logiciels ou software-defined networks).

Illustrations : Michel Rouleau. Source : adapté de l’Institute of Electrical and Electronics Engineers

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