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Des ondes millimétriques pour le haut débit mobile

La 5G passera inévitablement par l’ouverture de nouvelles bandes de fréquence pour permettre aux opérateurs d’augmenter leur débit. Les ondes millimétriques sont parmi les favorites, car elles rassemblent de nombreuses qualités : grande largeur de bande, portée adéquate, petites antennes. Leur ouverture sera conditionnée par la preuve qu’elles sont à la hauteur des attentes qu’elles suscitent. Un point que le projet européen H2020 TWEETHER cherche à démontrer.

 

En télécommunications, plus une bande de fréquences est large, plus le volume maximal de données qu’elle peut transporter — autrement dit le débit maximum — est important. Une règle héritée des travaux de Claude Shannon, père de la théorie de la communication. Loin d’être anecdotique, cette loi physique explique en partie la concurrence acharnée que se livrent les opérateurs (voir encadré « Le + » en fin d’article). Ils se disputent en effet les bandes les plus larges pour assurer un meilleur débit de communication, et donc une meilleure qualité de service à leurs utilisateurs. Les fréquences qu’ils exploitent sont cependant fortement régulées, car ils partagent le spectre avec d’autres services : communications navales ou satellites, celles réservées aux forces de l’ordre ou aux unités médicales… Les utilisations sont si nombreuses qu’une partie du spectre de fréquences est à présent saturée.

Il faut donc monter en fréquence, dans des gammes auparavant inexploitées, pour permettre aux opérateurs d’utiliser plus de bandes et d’augmenter leurs débits.  C’est un enjeu primordial dans le développement de la 5G. Parmi les bandes candidates à une utilisation par les opérateurs mobiles, les ondes millimétriques sont scrutées de près par les experts. « Les ondes ont une longueur, dont la valeur est directement reliée à la fréquence » explique Xavier Begaud, chercheur à Télécom ParisTech en télécommunications. « Plus la fréquence est élevée, plus la longueur est petite, poursuit-il. Les ondes millimétriques se situent donc à des fréquences élevées, entre 30 et 300 GHz. »

Outre leur disponibilité sur une grande largeur de bande, elles possèdent plusieurs avantages. D’une portée de quelques centaines de mètres à quelques kilomètres, elles correspondent à la taille des microcellules envisagées pour améliorer la couverture réseau du territoire. Avec la hausse du nombre de smartphones et d’appareils mobiles, les cellules actuelles mesurant plusieurs dizaines de kilomètres sont saturées. En réduisant la taille des cellules, le débit de chaque antenne serait partagé entre moins d’utilisateurs. Chacun disposerait alors d’une meilleure qualité de service. Sans compter que les communications au sein d’une cellule sont moins efficaces lorsque l’utilisateur est éloigné de l’antenne. Des cellules plus petites signifient donc une plus grande proximité avec les antennes.

Autre atout : la taille des antennes est corrélée à la longueur des ondes qu’elles émettent et reçoivent. Pour les ondes millimétriques, les stations de base et autres objets permettant leur émission et leur relais mesureraient donc quelques centimètres au maximum. Au-delà de l’argument esthétique, la discrétion des dispositifs millimétriques serait appréciée dans un contexte de méfiance envers les ondes électromagnétiques et les grandes antennes des opérateurs. De plus, le déploiement de petites stations de base nécessiterait peu d’opérations d’aménagement et serait ainsi plus rapide et moins coûteux.

Souvent mis en avant, le défaut de ces ondes serait l’atténuation qu’elles subissent par l’atmosphère. Le dioxyègne de l’air absorbe en effet à 60 GHz, et d’autres molécules absorbent les ondes au-dessous et au-dessus de cette fréquence. Certes, cela représente une limite inévitable. Mais pour Xavier Begaud, il est possible de voir cette caractéristique comme un atout. Leur atténuation naturelle permettrait de les confiner à de petites zones. « En limitant leur propagation, on minimise l’interférence avec les autres systèmes à 60 GHz » souligne le chercheur.

 

TWEETHER : vers une infrastructure pour les ondes millimétriques

Depuis 2015, Xavier Begaud est par exemple impliqué dans le projet européen TWEETHER, financé par le programme H2020 et porté par le Professeur Claudio Paoloni de l’Université de Lancaster. La recherche menée se concentre sur les ondes millimétriques entre 92 et 95 GHz. Les partenaires rassemblent des acteurs publics (Goethe University of Frankfurt, Universitat Politècnica de València, Telecom ParisTech) et privés (Thales Electron Devices, OMMIC, HFSE GmbH, Bowen, Fibernova Systems SL) travaillant sur l’élaboration d’un démonstrateur d’infrastructure pour 2018. TWEETHER entend franchir une étape en ondes millimétriques avec la réalisation du premier système sans fil en bande W (92-95GHz) pour la distribution de l’internet haut débit partout dans le monde. L’objectif du projet est de réaliser un lien point-multipoint en ondes millimétriques pour enfin relier la fibre optique à la distribution en dessous de 6GHz — ce qui correspond à la distribution finale des signaux, aujourd’hui assurée par le LTE et le WiFi, et demain par la 5G. Ceci permettrait de constituer un réseau hybride complet à trois segments (fibre – système TWEETHER – distribution sub-6GHz), qui est l’architecture la plus économique pour joindre un utilisateur mobile ou fixe. Le système TWEETHER fournira une connectivité large bande économique avec une capacité pouvant atteindre 10 Gbits / km² et une distribution de plusieurs centaines de Mbps vers des dizaines de terminaux. Cela permettra de surmonter les problèmes de capacité et de couverture du backhaul actuel et des solutions d’accès.

Cornet d'antenne millimétrique.
Antenne cornet en ondes millimétriques.

Un tel dispositif n’est rendu possible en ondes millimétriques que par les récents progrès techniques. Puisqu’un certain nombre de dispositifs du système doivent être de taille millimétrique, leur conception repose sur une précision de réalisation au micron près. L’un des éléments essentiels du système TWEETHER est le tube à ondes progressives utilisé dans le hub, permettant d’amplifier la puissance des ondes. En soi, le tube n’est pas une technologie nouvelle, car il est déjà utilisé pour d’autres gammes de fréquence depuis plusieurs décennies. En revanche, pour les ondes millimétriques il demandait un effort de miniaturisation jusqu’alors impossible pour délivrer une puissance voisine de 40W dans le cadre de TWEETHER. L’élaboration des antennes du systèmes, plusieurs cornets et une lentille— supervisée par Xavier Begaud — pour un dispositif de cette dimension a également nécessité un gros travail de recherche.  Ces antennes ont été mesurées à Télécom ParisTech dans une chambre anéchoïque permettant une caractérisation du rayonnement jusqu’à 110 GHz. Les barrières scientifiques et technologiques franchies dans le cadre du projet permettent à présent d’envisager des dispositifs millimétriques à grande échelle.

Le projet TWEETHER est emblématique du potentiel des ondes millimétriques pour amener le haut débit à un très grand nombre d’utilisateurs. Au-delà de la simple communication mobile, elles pourraient également représenter une alternative séduisante au déploiement de la fibre optique jusqu’au domicile (FTTH). Celle-ci demande en effet de nombreuses opérations de génie civil, et un coût de maintenance élevé. Transporter les données jusqu’aux bâtiments des utilisateurs par des canaux haut-débit sans fil plutôt que par la fibre pourrait donc intéresser les opérateurs.

Cet article fait partie de notre dossier 5G : la nouvelle génération mobile est déjà une réalité

Entre opérateurs, une guerre des bandes sous l’œil de l’Arcep

En France, l’allocation des bandes de fréquence est gérée par l’autorité de régulation des communications électroniques et des postes (Arcep). Lorsqu’elle décide d’ouvrir une nouvelle gamme de fréquences aux opérateurs, elle procède à une vente aux enchères. En 2011 par exemple, les bandes à 800 MHz et 2,6 GHz ont été vendues aux quatre opérateurs français pour un montant total de 3,5 milliards d’euros — bénéficiant à l’État, l’Arcep étant une autorité administrative. « Ouvrir la bande à 800 MHz » signifie en réalité vendre des tranches de 10 MHz en duplex (10 MHz sur le débit montant et autant sur le débit descendant) aux opérateurs autour de cette fréquence. SFR a par exemple acheté pour plus d’un milliard d’euros la bande entre 842 et 852 MHz dans le sens montant, et celle entre 801 et 811 MHz dans le sens descendant. De même pour la bande à 2,6 GHz, vendue par tranches de 15 ou de 20 MHz.

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