Finalement, qu’apporte vraiment la 5G par rapport à la 4G ?
Les architectures des réseaux 5G et 4G sont très différentes. Tout devrait être meilleur et plus rapide. La 5G est également disponible depuis un certain temps. Mais que parvient-elle vraiment à offrir en 2024 ?
Dans un monde parfait, chaque génération d’infrastructure dans les télécommunications mobiles améliore les caractéristiques des précédentes et, même, résout les problèmes des générations précédentes. Dans le cas des quatrième et cinquième générations de téléphonie mobile, la 5G vise à dépasser les objectifs de la 4G en matière de vitesse, de temps de latence et de densité cellulaire. Mais dans quelles mesures y parvient-elle vraiment ?
Arrivée dans les années 2010, la 4G est devenue omniprésente en l’espace d’une décennie. Ses promesses techniques comprenaient une meilleure densité cellulaire, des fonctions VoIP et une bande passante plus large. Pendant l’âge d’or de la 4G, est arrivé le LTE. Il s’agit d’une extension de la 4G pour gérer différents types de trafic, notamment l’IoT et les flux de données professionnels. La 5G est arrivée à la toute fin des années 2010 avec des vitesses de réseau nettement plus élevées et la possibilité de communiquer des données en temps réel.
La 5G introduit de nouvelles techniques qui visent à mieux concrétiser les promesses précédentes : la segmentation du réseau, le multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence (OFDM), ou encore le Massive Multiple Input, Multiple Output (MU-MIMO). Elle s’accompagne aussi d’une nouvelle norme appelée 5G New Radio (5G NR), destinée à remplacer le LTE. La 5G NR permet notamment de réaliser des économies d’énergie plus importantes pour les appareils connectés, en sollicitant leurs émissions de manière plus optimale.
Des fréquences plus ou moins nouvelles
Même s’il s’agit d’un choix technique qui ne dépend pas intrinsèquement de son fonctionnement, la 5G utilise éventuellement des bandes de fréquences plus denses pour ses communications. Plus la fréquence est élevée, plus le nombre de données transportées en une fraction de temps est physiquement élevé. En revanche, utiliser une fréquence plus élevée réduit le périmètre d’une antenne et suscite l’inquiétude des utilisateurs qui redoutent que les ondes plus énergiques finissent par poser un problème de santé.
En France, la 5G utilise de préférence la nouvelle bande de fréquence qui s’étend de 3 490 à 3 790 MHz. Sur les sites industriels, elle pourra à terme utiliser des fréquences aux alentours de 26 000 MHz (26 GHz). La 5G peut aussi être utilisée sur plusieurs bandes de fréquences comprises entre 700 et 2 690 MHz qui étaient déjà utilisées par les générations précédentes. La 5G peut toutefois y avoir des bandes passantes un peu meilleures – c’est-à-dire y communiquer des données plus rapidement – grâce à ses nouvelles technologies. C’est notamment le cas de la bande No 38, qui va de 2 570 à 2 620 MHz, que l’Arcep, le gendarme des télécoms, attribue aux réseaux 5G privés.
Accessoirement, le choix des spectres de fréquences peine à se standardiser en Europe. Dans chaque pays, les bandes de fréquences étaient précédemment accordées à telle ou telle institution qui mettent plus ou moins de temps à pouvoir s’en séparer. Et tel ou tel opérateur local veut avoir la mainmise sur tel ou tel spectre selon des critères territoriaux, qui vont de la nature de ses équipements en place à l’opportunité de diffuser sur des ondes moins sujettes aux interférences.
Une latence meilleure, mais pas encore totalement
La plus grande différence entre la 4G et la 5G est la latence. La 5G promet une faible latence, inférieure à une milliseconde, alors que la 4G présente une latence de 60 ms à 98 ms. En outre, une latence plus faible entraîne également des progrès dans d’autres domaines, par exemple des vitesses de téléchargement plus élevées.
La majorité des réseaux déployés jusqu’à présent sont des réseaux 5G non autonomes (5G NSA). Mais seule l’architecture 5G autonome (5G SA) permet réellement d’atteindre une latence extrêmement faible. Pour l’instant, elle est probablement plus proche de dix millisecondes, dans le meilleur des cas, que de la milliseconde promise.
Des vitesses de téléchargement qui attendent l’arrivée de la 5G SA
Alors que la 4G a introduit différentes fonctions VoIP, la 5G répond à la promesse de vitesses de téléchargement potentiellement plus rapides. Les vitesses de téléchargement de la 4G peuvent grimper, dans les meilleures conditions, jusqu’à 1 Gbit/s. L’objectif initial de la 5G était de décupler cette vitesse pour atteindre un plafond de 10 Gbit/s.
Toutefois, ici aussi, seule la 5G SA dispose de suffisamment de fonctions de manipulation du signal pour faire transiter autant de Gbit/s via les antennes. La 5G NSA est physiquement limitée à des taux de transfert maximums de 1, voire un peu moins de 2 Gbit/s. Et, ce, uniquement dans la bande de fréquences qui va de 3 490 à 3 790 MHz.
À cela s’ajoute le fait que les offres 5G « bon marché » des opérateurs limitent la bande passante des utilisateurs à 100 Mbit/s, voire moins. Une autre raison de cette limite est que, dans de nombreux cas, c’est-à-dire à proximité de la majorité des antennes, les appareils 5G doivent partager des fréquences inférieures à 2 690 MHz, sur lesquelles communiquent encore des appareils 4G moins puissants.
Et puisque l’on en parle : en pratique, les connexions 4G n’atteignent quasiment jamais leur plafond de 1 Gbit/s. Les vitesses généralement constatées sont comprises entre 7 et 43 Mbit/s. En fait, il faut s’attendre en téléphonie mobile à des vitesses de téléchargement réelles qui sont entre 20 et 100 fois inférieures à celles annoncées.
En zone rurale, où les opérateurs favorisent des émissions en 700 MHz pour couvrir un grand territoire avec un minimum d’antennes, les abonnés ne pourront bénéficier que d’une bande passante de 200 Mbit/s au très grand maximum théorique, c’est-à-dire y compris en souscrivant aux offres les plus chères.
Des essais réalisés par différents opérateurs montrent toutefois qu’il est bel et bien possible d’atteindre un taux de transfert de 11 Gbit/s, en 5G NSA, sur une bande de fréquences se situant aux alentours de 6 GHz.
Stations de base : des antennes plus petites, plus répandues
Une autre différence importante entre la 4G et la 5G concerne les stations de base – les antennes – utilisées pour la transmission des signaux. Les générations précédentes transmettent leurs signaux à partir de tours de téléphonie mobile. C’est toujours le cas pour la 5G lorsqu’elle utilise des bandes de fréquences basses.
Pour autant, plus les fréquences sont élevées, plus des petites cellules sont possibles pour diffuser des signaux. En effet, avec l’élévation de la fréquence, les ondes sont physiquement plus courtes – quelques millimètres, voire moins, entre deux crêtes – et la surface de réception ou d’émission l’est d’autant. De fait, les stations de base qui émettent entre 3 490 à 3 790 MHz sont généralement trois fois moins grandes que celles utilisées en ville pour la 4G. Lorsque des fréquences de l’ordre de 6 GHz pourront être utilisées, les antennes 5G pourront s’apparenter à des boîtes à pizza intégrées à l’éclairage public.
La réduction de la taille des stations de base est en cours chez les équipementiers télécoms. Huawei a déjà des modèles fonctionnels qu’il peut difficilement vendre en France, du fait de la réglementation sur les équipementiers chinois, tandis que Nokia et Ericsson s’efforcent de rattraper leur retard en termes de design. Les opérateurs font aussi face à un problème économique : la zone couverte étant moins large aux fréquences élevées, il faut déployer plus d’antennes quand elles sont plus petites.
Cela dit, il s’agit ici uniquement d’une problématique radio. En zone rurale, les antennes qui émettent aux alentours de 700 MHz ont toujours la même taille, qu’elles communiquent en 5G comme en 4 G.
Fin 2023, l’Arcep avait recensé une flotte d’un peu plus de 28 000 antennes capables d’émettre entre 3 490 à 3 790 MHz. Ainsi qu’un peu plus de 37 000 stations de base 4G mises à jour pour communiquer en 5G. Parmi ces dernières, on dénombre près de 18 600 grosses antennes 5G qui émettent en 700 MHz.
Plus d’utilisateurs ? Pas encore
Sur le papier, un réseau 5G devrait être techniquement capable de gérer plus d’utilisateurs et d’appareils connectés par antenne. En pratique, les opérateurs européens n’y sont pas encore parvenus. Ils réclament plus de temps pour surmonter les échecs techniques inhérents à la complexité de la 5G.
En attendant, les opérateurs peuvent se prévaloir de connecter plus d’utilisateurs par zone… quand ils installent plus de petites antennes dans cette zone.
Encodage OFDM : des canaux de communication plus larges
L’OFDM est utilisé pour diviser différents signaux en canaux distincts afin d’éviter les interférences, ce qui permet également de fournir une plus grande bande passante. Puisque l’OFDM encode les données sur différentes fréquences, cela peut augmenter les vitesses de téléchargement 4G et 5G, car ces réseaux ont leurs propres canaux de signaux et non un canal commun. La 4G fonctionne avec des canaux larges de 20 MHz, tandis que la 5G utilise des canaux larges de 100 à 800 MHz.
