Peu de technologies civiles ont été aussi controversées que la 5G. Entre la menace que représenterait la suprématie des équipementiers décriés en Occident comme Huawei, l’impact écologique de la fabrication de millions de nouveaux terminaux et les éventuels impacts des ondes sur la santé, il est difficile de trancher sur la nécessité ou non d’avoir une nouvelle génération de réseau mobile. Au sein même d’OCTO le sujet divise. Nous adopterons une posture neutre et nous tenterons de partager avec vous notre compréhension de cette technologie. Notre devoir de consultant nous impose de la comprendre d’abord pour en faire le meilleur usage et conseiller ensuite. Le meilleur étant bien subjectif.
Dans cet article introductif, nous apporterons un bref éclairage sur la chronologie des réseaux mobiles, ensuite nous dresserons un état des lieux des performances du réseau 4G pour enfin voir si la 4G peut encore répondre à nos usages d’aujourd’hui et de demain.
Chronologie des usages
Nul doute que les opérateurs de téléphonie mobile ont osé employer cette citation à chaque lancement d’une nouvelle génération de réseau mobile ! Evidemment, les réseaux mobiles ont contribué aux transformations de nos modes de vie, notre manière de communiquer et de consommer. Si l’on devait résumer les usages de chaque génération, on pourrait dire ceci :
Cette évolution fut permise par l’amélioration des performances des réseaux, passant du Global System for Mobile Communication (GSM) pour la 2G, à Universal Mobile Telecommunication System (UMTS) pour la 3G puis au Long Term Evolution (LTE) pour la 4G. Justement, que veut dire performance et quelles sont celles de la 4G ?
Quelles sont les performances du réseau mobile 4G ?
Le consortium 3GPP, pour Third Generation Partnership project et l’ITU (International Telecommunication Union), définissent les spécifications techniques et normalisent les réseaux mobiles, entre autres. Lorsque l’on parle de performance des réseaux mobiles, celle-ci est définie par 9 principaux indicateurs. Les performances visées par la 4G sont illustrées dans le radar ci-dessous, accompagnées des définitions des 9 indicateurs :
Débit utilisateur perçu (Mbit/s): le nombre de bits correctement reçus par le destinataire pendant une durée donnée et en condition moyenne de réception
Débit de crête (Gbit/s) : le débit utilisateur perçu maximum théorique
Densité de connexion (devices/km²) : le nombre total d’équipements simultanément connectés au réseau par unité de surface
Mobilité (km/h) : la vitesse maximale de déplacement garantissant une connexion fiable au réseau
Fiabilité (%) : probabilité de transmettre les données dans une échelle de temps
Latence (ms) : durée d’envoi d’un paquet de l'émetteur au destinataire
Efficacité spectrale (bit/s/Hz/station) : rapport entre le débit binaire et la bande passante par station de base (antenne)
Capacité du réseau (Mbit/s/m²) : capacité des antennes à correctement transmettre les données par unité de surface
Efficacité énergétique du réseau (x) : capacité du réseau à consommer moins d’énergie tout en atteignant les performances visées
Pourquoi les performances du réseau 4G seraient-elles limitées ?
Les principales raisons pour lesquelles les performances en 4G atteignent leurs limites sont les suivantes :
Le trafic de données consommées sur le réseau 4G français augmente constamment. C’est en tout cas la tendance observée dans le rapport T1 2020 de l’ARCEP, l’autorité chargée de réguler les communications électroniques : D’ailleurs, depuis 2019, cette croissance sature la capacité du réseau. En effet, la performance de la 4G est divisée par 2 entre l'heure où le réseau est le plus disponible et celle où il est le plus congestionné (étude 5G Opportunity). Cette saturation dégrade ainsi la qualité de service en matière de débits perçus par les utilisateurs.
De la même manière, la croissance du marché des objets connectés pose problème au réseau 4G : la The Shift Project, nous disposerons en moyenne 3,6 terminaux par personne en 2023. Avec une densité plus importante d’équipements connectés au km², le réseau 4G, qui est limité à 100 000 objets connectés au km² (ITU spécification UIT–R M.2083), ne sera plus en mesure d’acheminer les messages de tous les objets. Une certitude dans les villes denses comme Paris, moins pour les zones à faible densité de population.
Certains usages dans l’industrie, l’énergie, l’automobile, les transports publics, la santé ou l’aéronautique, ont besoin d’avoir une transmission de données à très faible latence et avec une haute fiabilité. Ces cas d’usage imaginés ne sont pas implémentables aujourd’hui car leur mise en œuvre technique d’un point de vue réseau reste limitée par le temps de transmission des paquets d’information en 4G (au mieux de 10 ms) et par la probabilité de perte de paquet (au mieux de 0,1%). Prenons l’exemple du V2X (Vehicule to everything) dans les Smart Cities. Un des cas d’usage envisagé est de réduire les temps de trajet des véhicules d’urgence (ex. SAMU, pompiers…) en zone urbaine : enjeu crucial pour assurer la bonne prise en charge des victimes. Les feux de circulation s’adapteraient automatiquement au trajet d’une ambulance et passeraient au rouge ou au vert au bon moment… ce genre d’automatisme nécessiterait que la position GPS du véhicule et son trajet soient transmis avec une grande fiabilité.
L’efficacité énergétique des réseaux mobiles est un indicateur qui date de l’époque de la 2G puisque la consommation électrique d’un réseau mobile est un poste important de coût pour les opérateurs. Ces derniers n’ont eu de cesse depuis la 2G de mettre en place des modalités (comme la mise en veille des antennes) pour réduire ce coût. Toutefois, cette optimisation plafonne à cause de deux facteurs limitants de la topologie du réseau 4G (spécifié dans ces prérequis techniques de l’ITU, partie 4.9) :
L’efficacité spectrale des antennes 4G ne permet pas de transmettre un grand volume de données sans augmenter la consommation d’énergie des antennes
Le réseau cœur 4G n’est pas une infrastructure élastique qui permettrait aux opérateurs de l’autodimensionner en fonction de la charge.
La performance énergétique du réseau est difficilement mesurable et divise au sein même des opérateurs. L’étude de 451 Research menée en 2019 auprès d’opérateurs mondiaux met en lumière la confiance des opérateurs à propos des nouvelles technologies comme l’intelligence artificielle qui permettront de réduire la consommation énergétique, mais 94% des répondants pensent qu'au-delà du réseau, la consommation énergétique augmentera indéniablement.
Pour conclure
Si nos pratiques de consommation ne se raisonnent pas, continuer d’utiliser la 4G ne fera que dégrader notre expérience utilisateur puisque ses limites sont déjà atteintes. Au-delà de nos habitudes consommatrices, de nouveaux usages (même si on peut débattre de leurs utilités) n’attendent que la 5G pour se matérialiser. En effet, les performances visées par la 5G seraient 10 à 100 fois plus importantes que celles de la 4G, comme illustrées par le graphique ci-dessous (l’ordre de grandeur du graphique est fixé par les performances visées en 5G) :
4G (bleu)5G(rouge)
La 5G permettrait de désengorger le réseau et d'asseoir une infrastructure de nouvelle génération répondant aux usages d’aujourd’hui et de demain avec à la clé une promesse de réduire la facture énergétique à isodébit. Cependant, l’impact écologique de la 5G mérite d’être exploré délibérément en confrontant les études des protagonistes et des antagonistes. Dans le prochain article, nous verrons comment la 5G peut atteindre de telles performances.
