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Faut-il synchroniser les réseaux mobiles 5G ?

02/07/2018

Les premières générations de réseaux mobiles (2G, 3G, 4G) se sont déployées en Europe en utilisant deux sous-bandes de fréquences appariées deux à deux. Une sous-bande est ainsi exploitée pour la communication du réseau vers le terminal (sens descendant) et l’autre pour la communication du terminal vers le réseau (sens montant). Les réseaux mobiles commerciaux exploités en France exploitent tous des fréquences appariées (cf. figure ci-dessous). Les experts parlent dans ce cas de duplexage fréquentiel  ou « mode FDD ». 

Autorisations pour les opérateurs mobiles en France - Source Arcep

Il existe pourtant une exception, la bande 1900-1920 MHz, dans laquelle des autorisations d’utilisation d’un bloc de 5 MHz ont été accordées au début des années 2000 à chacun des 3 opérateurs mobiles. Toutefois, malgré de multiples expérimentations, les opérateurs autorisés n’y ont jamais déployé de réseaux commerciaux.

Comment exploiter un bloc de fréquences « non apparié » ?

Les couples de sous-bandes sont comparables à des chaussées à deux voies de circulation, où les voitures circulent librement dans chaque sens. En revanche, un bloc de fréquences unique s’apparente à un pont à une seule voie : pour l’utiliser, il faut faire varier le sens de circulation en fonction du temps. Dans un bloc unique, il faut donc faire alterner le sens de communication station de base/terminaux en fonction du temps. Le lien radio est ainsi exploité pour les communications du réseau vers le terminal utilisateur (sens descendant) pendant une période donnée, puis du terminal vers le réseau (sens montant) pendant la suivante, et ainsi de suite. Les experts parlent alors de duplex temporel ou « mode TDD ». 

Ce réglage entre sens descendant/montant doit normalement dépendre du réseau de l’opérateur, qui peut ajuster la capacité en jouant sur la durée dédiée à chaque sens de transmission. Il peut la faire évoluer en fonction de sa stratégie de services : par exemple, réserver plus de temps (et de débit) au sens descendant. Un court laps de temps (temps de garde) doit aussi être prévu pour éviter le risque de brouillage entre les deux sens. Il faut aussi souligner que la durée entre chaque bascule montant/ descendant limite directement la latence des communications. Cependant, en France et en Europe, les opérateurs évoluent désormais dans un environnement concurrentiel où de 3 à 4 opérateurs sont autorisés selon les bandes (cf figure 1 en France). Que se passe-t-il si les opérateurs choisissent des cadencements différents ?

En cas de désynchronisation : des risques de brouillages

En cas de désynchronisation avec les cellules voisines ou les canaux des réseaux voisins, il existe un risque important de brouillage, une station de base pouvant émettre à proximité d’une autre station en écoute. Il est donc utile, pour éviter cette situation, de synchroniser à la fois les stations de base du même réseau pour protéger les cellules voisines et celles de réseaux d’opérateurs utilisant des canaux adjacents. Cela demande une coordination technique entre opérateurs. Cette approche limite aussi la flexibilité pour un opérateur d’ajuster sa capacité dans le sens montant et descendant, sauf si des conditions favorables (séparation géographique par exemple) permettent un découplage suffisant entre stations de base.

L’enjeu de la bande 3,4-3,8 GHz

La première bande pour l’introduction de la 5G en Europe, la bande 3,4-3,8 GHz, sera constituée de blocs non appariés à exploiter en mode TDD. Des blocs contigus faciliteront l’utilisation de canaux d’une largeur d’au moins 50 MHz permettant des communications mobiles très haut débit (enhanced-MBB). Cependant, cette exploitation, pour la première fois en France, de réseaux en mode TDD en environnement concurrentiel constitue l’un des défis de la 5G, en particulier dans cette bande. Le mode TDD, également retenu dans la première bande pionnière au-dessus de 24 GHz (26 GHz), soulèvera sans doute moins de difficultés compte tenu du type de déploiement envisagé (couverture de zones ciblées dites « hotspots ») et des caractéristiques de la bande (pertes plus élevées de propagation). 

La CEPT a déjà étudié les solutions techniques pour la synchronisation des réseaux concurrents en mode TDD, deux à deux, dans un environnement multi-opérateurs dans la bande 3,5 GHz  (rapport ECC 216). Les opérateurs doivent ainsi s’accorder sur une horloge de référence, sur sa fiabilité et sa performance (par exemple variation de, au plus, +/- 1.5 μs) et sur des structures de trame compatibles incluant les périodes dans les sens montant et descendant. Ces solutions n’ont jamais été mises en pratique en Europe du fait des déploiements limités de réseaux 4G en mode TDD. Les conditions techniques harmonisées pour la bande 3,5 GHz, proposées par la CEPT, prévoient, en l’absence de tels accords entre opérateurs, des contraintes dans le déploiement des stations de base, nécessaires pour la protection des réseaux entre eux et suffisamment dissuasives pour éviter ce cas de figure. Les négociations pour la synchronisation de réseaux 5G auront, dès la phase de planification des réseaux, des conséquences sur le choix des services que les opérateurs pourront offrir, et, éventuellement, en matière de concurrence.

Le futur cadre harmonisé européen 5G dans la bande 3,4-3,8 GHz prévoit la possibilité de relâcher les contraintes de synchronisation afin de tenir compte de déploiements spécifiques (petites cellules, usages localisés) qui permettraient un fonctionnement sans synchronisation, ou, plus probablement, dans un mode « semi-synchronisé » où uniquement les trames portant les messages de signalisation sont protégés par la synchronisation, laissant ainsi la possibilité à chaque opérateur d’optimiser sa capacité dans les sens montant et descendant. Il s’agira alors pour les opérateurs eux-mêmes, l’administration ou le régulateur de définir les conditions de ce relâchement. L’Agence contribue aux travaux européens (CEPT) afin qu’une boîte à outils soit disponible avant la délivrance des premières autorisations 5G. Des expérimentations 5G nationales dans un environnement multi opérateurs permettraient d’approfondir rapidement cette problématique et les solutions à y apporter. 

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