Fréquences téléphonie mobile : comment ça marche ?

Le 5 avril dernier a eu lieu le passage de la TNT en haute définition. Cela a été l'occasion de libérer des fréquences pour la téléphonie mobile dans la bande des 700 MHz. Ces dernières ont été concédées par l’État aux opérateurs mobiles pour 2,8 milliards d'euros.

Les fréquences, c'est le nerf de la guerre dans la téléphonie mobile. Sans fréquences, pas de couverture donc pas de réseau et pas de clients.

Plus un opérateur possède de fréquences, plus il peut varier les configurations de déploiements et proposer une bonne qualité de service en fonction des besoins
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Une fréquence est une onde qui se propage et permet de diffuser des informations.

Les fréquences sont des ondes électromagnétiques utilisées dans divers domaines comme la radio, la télévision, les satellites et bien entendu la téléphonie mobile. L'unité utilisée est le mégahertz, noté « MHz ».

En France, pour la technologie GSM, appelée 2G, deux bandes de fréquences ont été attribuées aux opérateurs : le 900 MHz et le 1 800 MHz.

Pour la technologie UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), appelée 3G, la première bande utilisée fut le 2 100 MHz. Puis dans un deuxième temps, les opérateurs ont eu l'autorisation de réutiliser le 900 MHz, prévu à l'origine uniquement pour la 2G.

Pour le LTE (Long Term Evolution), appelée 4G, deux nouvelles bandes de fréquences ont été délivrées : le 2 600 MHz et le 800 MHz.

Les opérateurs ont également été autorisés à réutiliser le 1 800 MHz. L'Europe a récemment mis en place la neutralité technologique des fréquences, c'est-à-dire que l'opérateur est libre d'utiliser la technologie réseau qu'il souhaite (GSM, UMTS ou LTE) avec les fréquences qu'il souhaite. Ce qui a, notamment, permis à Bouygues Telecom de réutiliser son réseau 2G en 2013.

Enfin, la bande 700 MHz est donc venue s'ajouter aux autres. Elle est issue du dividende numérique, utilisée jusqu'au 5 avril par les chaînes de télévision.

Si les opérateurs ont autant de bandes de fréquences, c'est qu'elles ont leurs propres caractéristiques.

Le principe de base est le suivant : plus une bande de fréquences est haute, moins elle porte loin. Plus une bande de fréquences est basse, plus elle se diffuse.

On peut faire le parallèle avec la musique. Si vous êtes loin de la source qui diffuse la musique, alors vous n'entendrez que les basses. Plus vous vous rapprocherez, plus vous entendrez la mélodie, les aigus.

Les fréquences basses sont donc un avantage, notamment pour couvrir l'intérieur des bâtiments. Mais alors pourquoi utiliser des fréquences hautes ?

Ce type de fréquences permet d'absorber une grande quantité de trafic à un point donné. Ainsi ces fréquences hautes sont principalement déployées dans les zones à forte densité de population comme les grandes villes et les centre-villes et ne couvrent parfois que quelques centaines de mètres. On les retrouve également dans des stades, des parcs d'attractions, des infrastructures de transports, etc.

On considère qu'une bande de fréquence est haute au-delà de 1 000 MHz.

Les bandes de fréquences basses permettent de compléter la couverture, et notamment dans les lieux d'habitation car elles traversent mieux les obstacles comme les murs. C'est pourquoi, en fonction des lieux, les opérateurs associent une ou plusieurs bandes de fréquences sur la même antenne.

Dans les zones denses et très denses en population, les opérateurs déploient des bandes de fréquences hautes pour absorber le trafic et les bandes de fréquences basses pour couvrir l'intérieur des bâtiments.

Dans les zones moyennement et faiblement denses, on retrouve plutôt des bandes de fréquences basses et ponctuellement des bandes de fréquences hautes. Typiquement des centre-villes.

C'est le deuxième aspect d'une fréquence. Outre la plage, il y a aussi la largeur de fréquence, exprimée elle aussi en mégahertz, noté « MHz ».

La largeur d'une fréquence peut se comparer à un tuyau, plus un tuyau est large, plus il peut faire transiter d'eau. Une bande de fréquence fonctionne de la même façon : plus elle est large, plus elle peut apporter de débit et donc supporter d'utilisateurs.

Or, les fréquences sont une ressource rare. Comme on l'a vu, de nombreux services utilisent les fréquences radios que ce soit pour la société civile ou pour les activités militaires. Il se trouve qu'il y a plus de places disponibles sur les hautes fréquences que sur les basses fréquences.

Ces dernières ont, comme on l'a vu, l'avantage de porter loin, donc de réduire le nombre d'antennes et assurer un déploiement plus économique des réseaux mobiles.

Maintenant que nous savons ce qu'est une bande de fréquences, que nous connaissons les caractéristiques de sa hauteur et que veut dire sa largeur, traduisons ça en débit.

Prenons le cas de la dernière génération commerciale de réseau mobile : la 4G.

Par exemple, sur la bande des 800 MHz (une fréquence basse), Orange, SFR et Bouygues Telecom possèdent 10 MHz de largeur de bande chacun, ce qui correspond à un débit théorique de 75 Mb/s maximum.

Sur la bande des 2 600 MHz, Orange et Free ont 20 MHz de largeur de bande, ils peuvent donc proposer jusqu'à 150 Mb/s chacun.

Si un opérateur possédait 20 MHz de largeur de bande sur la fréquence 800 MHz, il pourrait également proposer jusqu'à 150 Mb/s de débit et une couverture large. Mais comme nous le disions, les fréquences basses sont rares et il en faut pour tous les opérateurs.

Sur la bande 800 MHz, il n'y a que 30 MHz de largeur de bande disponible. Parmi les quatre opérateurs candidats, seuls Orange, SFR et Bouygues Telecom ont répondu à l'ensemble des critères exigés (techniques et financiers) par l'ARCEP pour obtenir une licence.

Le patrimoine fréquentiel des opérateurs est le suivant

Grâce à ce tableau, on observe bien que les largeurs des bandes de fréquences basses sont plus réduites, deux fois plus petites que les bandes de fréquences hautes.

On s'aperçoit également que Orange possède le patrimoine fréquentiel le plus important avec 90 MHz de largeur de bande au total, suivi de SFR avec 80 MHz, Bouygues Telecom avec 75 MHz et Free avec 55 MHz.

Bien entendu le patrimoine fréquentiel ne s'additionne que pour connaître le rapport de force entre les opérateurs. Dans la réalité aucun opérateur n'utilise l'entièreté de son patrimoine pour une seule technologie.

Outre leur caractéristiques intrinsèques, les fréquences peuvent porter plus ou moins loin en fonction de la puissance de l'émission de l'antenne. Ainsi l'opérateur peut augmenter la puissance pour couvrir un rayon plus ou moins grand, appelé cellule.

Dans les zones à forte densité, les opérateurs privilégient des petites cellules et donc un nombre plus important d'antennes pour apporter un débit plus important par personne et donc une meilleure qualité de service. Une antenne est limitée par un certain nombre de connexions simultanées, même si l'opérateur peut augmenter sa capacité.

Ainsi la cellule pour une même fréquence ne sera pas la même en fonction de l'endroit où elle est déployée. Pour la fréquence 4G 800 MHz par exemple, en zone urbaine, elle peut porter seulement 950 mètres quand en campagne, elle peut couvrir une zone jusqu'à 30 km.

En 2 600 MHz, la fréquence la plus haute utilisée actuellement de façon commerciale, en zone urbaine, elle couvre une surface de 290 mètres. Alors qu'à la campagne, on peut espérer la capter jusqu'à 8,85 km

Ces données sont indiquées à titre indicatif, elles peuvent différer d'un pays à l'autre en fonction des législations en vigueur qui sont plus ou moins restrictives en terme de puissance d'émission.

Les opérateurs sont donc limités en nombre de fréquences et en largeur de bandes dans leur patrimoine fréquentiel. Pour augmenter les débits et suivre la consommation exponentielle, les équipementiers mobiles ont mis en place une technologie permettant d'agréger les fréquences entre elles. Qu'est-ce que cela veut dire ?

Grâce à l'agrégation de fréquences, les opérateurs peuvent additionner plusieurs bandes de fréquences afin de cumuler les débits.

Ainsi, dans les endroits où les opérateurs ont installé des antennes avec plusieurs fréquences et où les changements logiciels auront été réalisés, les clients équipés d'un mobile compatible pourront capter deux, voire trois, fréquences en même temps. Cette technologie est commercialement appelée 4G+ en France.

Prenons le cas d'un client Bouygues Telecom équipé d'un smartphone 4G+. Il se situe près d'une antenne où son opérateur a installé des équipements 4G sur les fréquences 800 MHz, 1 800 MHz et 2 600 MHz. Son smartphone va donc capter ses trois fréquences et agréger les débits que chacune d'elle propose.

Bouygues Telecom dispose de 10 MHz de largeur de bande sur le 800 MHz, 20 MHz sur le 1 800 MHz et 15 MHz sur le 2 600 MHz. Soit 75 Mb/s + 150 Mb/s + 112,5 Mb/s  = 337,5 Mb/s. Le client pourra donc profiter d'un débit allant jusqu'à 337,5 Mb/s !

Bien entendu c'est un maximum théorique. Le réseau n'est jamais vide et il est probable que d'autres utilisateurs utilisent l'antenne. Néanmoins, cette technologie permet d'apporter plus de débits que la simple 4G. Surtout, c'est une réponse au manque de fréquence disponible
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L'ARCEP propose aux opérateurs d'en tester des nouvelles afin de pouvoir à l'avenir proposer encore plus de débits. Pour quelles nécessités ? Apporter le très haut débit dans les zones difficiles d'accès comme en montagne ou dans les endroits reculés mais aussi pour préparer les technologies d'avenir comme les voitures sans chauffeur connectées qui auront besoin d'un débit garanti et d'une très faible latence.

La 5G, qui est annoncée pour la décennie 2020, promet des débits jusqu'à 10 Gb/s et une latence inférieure à 1 milliseconde. Parmi les pistes pour cette cinquième génération de réseau, on trouve des ondes millimétriques. Des fréquences hautes, plus hautes encore que celles que nous utilisons aujourd'hui, avec un maillage plus serré d'antennes pour être au plus près de l'utilisateur.

D'autres technologies sont actuellement en cours de tests pour la 5G, des consortiums internationaux vont harmoniser leur choix afin d'accélérer le déploiement dans toutes les régions du monde.