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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. 

@anfr @ITU @uit Entre satellites, 5G, usages scientifiques, transports, les débats sont vifs à Charm El-Cheikh. Mais, désormais, les textes passent en plénière, et cela durera jusqu’au petit matin du jeudi 21 novembre. Le suspense reste entier sur les derniers arbitrages ! https://t.co/PkuVgkJzkn

@anfr @ITU @uit Au cours d’une CMR, tout peut arriver : il suffit que les Etats tombent d’accord pour que le texte s’inscrive dans le RR. L’ordre du jour est donc fixé à l’avance, pour canaliser les débats. Des commissions permettent de décanter les résolutions avant de les proposer en plénière. https://t.co/CtXpmP4j5H

@anfr @ITU @uit Une CMR, ce n’est pas une conférence classique, avec des orateurs sur scène. C’est une assemblée qui crée une nouvelle loi. Tous les Etats se réunissent en un seul lieu pendant 4 semaines, pour tenter de se mettre d’accord sur un nouveau RR. Chaque Etat dispose d’une voix. https://t.co/h8fM11LVRi

@anfr @ITU @uit Mais voilà, les services sans fil sont toujours plus nombreux. TNT, Galileo, 5G… : le RR doit être actualisé. Si c’était une loi, il faudrait l’inscrire à l’ordre du jour du Parlement. Mais aucun Parlement ne siège au niveau mondial ! L’@UIT organise donc une CMR tous les 4 ans. https://t.co/SphUomlKb9

@anfr @ITU Le RR, c’est l’équivalent d’une loi mondiale que se donnent les Etats pour les usages sans fil. Une organisation internationale dont le siège est à Genève, l’@UIT, est chargée de son application. #ITUWRC

@anfr @ITU Pour organiser tout cela, les Etats ont élaboré un accord international, le règlement des radiocommunications (RR). Il donne des règles du jeu partagées par tous les Etats : quelles fréquences utiliser pour quels types de services ? A qui s’adresser en cas de problème ? #ITUWRC

@anfr @ITU Les fréquences ne connaissent pas de frontières. Cela tombe sous le sens pour les satellites, mais cela vaut aussi pour les transports longue distance (avions, navires). Et, pour les terminaux les plus répandus (téléviseurs, téléphones portables), mieux vaut des bandes communes.

Une CMR, à quoi ça sert ?
Ce petit thread pour expliquer ce qui se joue en ce moment en Egypte… #ITUWRC https://t.co/6fLVFCQ6Wz

Plus de 3 300 délégués inscrits à la CMR-19 : record absolu de participation ! Le nombre d'experts rassemblés à Charm El-Cheikh pour amender le Règlement des Radiocommunications reflète la complexité croissante de la gestion internationale des fréquences #ITUWRC @ITU @anfr

Le service régional de l'@ANFR à Villejuif accueille 10 enseignants à la découverte de nos activités dans le cadre de l’opération #ProfsEnEntreprises de #Fond_CGenial https://t.co/xsKld5Zwin

Les télécommunications spatiales : un sujet au cœur de la CMR-19 qui dévoilera ses conclusions dans quelques jours #ITUWRC @anfr @ITU https://t.co/WYCYnu0z0L

Un dimanche après-midi très studieux à la CMR-19 #ITUWRC https://t.co/nxdkD3zI9z

Photo de famille : les coordinateurs européens à la CMR #ITUWRC. Plusieurs membres de la délégation française en font partie. L’unité de notre organisation régionale, la @CEPT_ECC, sera un facteur-clé de succès en ces derniers jours de négociations. https://t.co/sZgpyswPxf

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"We need a coherent solution for space because now we have the new space issues… we need to find firm + stable solutions because space has a very long time constraint so you need to have solutions for years and #ITUWRC is here for that" ~@GillesBregant https://t.co/FVISxOqcE3 https://t.co/5VUMjii3yY

L'une des innombrables discussions informelles qui s'enchaînent en marge des réunions de la CMR pour tenter d'aboutir à des consensus sur les points toujours en débat (remerciements au photographe de l'@UIT) #ITUWRC https://t.co/hDlJqIq2kF

Le service régional de Toulouse de l’@ANFR réalise une inspection de site radioélectrique 📡 à Issus (31) à l’aide d’un drone #innovation #stationsterriennes #satellite 🛰 https://t.co/qbq6xQaMZG

Le saviez-vous : dans les procédures de l’@uit, la langue française est la seule faisant foi en cas de contestation ou de divergence entre les différentes versions linguistiques https://t.co/N4D1NsfHlr

Début de 3e semaine studieux pour la CMR : le compte à rebours est de plus en plus présent à l'esprit de tous. Les positions communes doivent maintenant remonter vers la plénière ! #ITUWRC https://t.co/qYiPxuZVFx

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