Du réseau 4G à la 5G

Le réseau mobile et les innovations de la 5G (quelques éléments techniques)

La structure du réseau 5G repart de l’architecture des réseaux de téléphonie mobile existants. Un usager a un smartphone. C’est son terminal d’accès, et une carte SIM (Subscriber Identity Mobile, Uniersel Subscriber Identity Mobile pour la 3G et la 4G) à l’intérieur transmet au réseau son identité d’abonné. Ce terminal partout où il se trouve cherche les stations de base les plus proches, ensemble d’émetteurs-récepteurs qui quadrillent le territoire1Le site https://www.cartoradio.fr/index.html vous donne la localistion des antennes/station de base. Cette cartographie une obligation légale pour les opérateurs. Si vous avez mal à la tête, régulièrement, il y en a peut-être une sur le toit de votre immeuble.
Les stations de base sont à terme reliées aux infrastructures plus massives de l’internet qui n’a de sans fil que le nom des réseaux proposés aux usagers. Des cables en grand nombre traversent les fonds océans entre les grands continents du monde. Ce site en propose une carte interactive: http://www.surfacing.in/
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Chaque station de base est munie d’antennes. Les terminaux (les téléphones) autour de la station de base communiquent par voie radio vers les antennes.
Les antennes transforment le courant électrique en onde électromagnétique, ou réciproquement. S’il y a parfois des petits dispositifs sur les poteaux, l’ensemble des fonctions de traitement des signaux reçus par les antennes est souvent dans un autre équipement que la partie visible. À côté des antennes, il y a notamment des boitiers qui s’occupent du relais par fibre optique, et s’occupent de la transmission vers le réseau internet.

À chaque étape du réseau, le téléphone ne perd pas son identité, il est toujours identifié comme relevant de tel abonné au réseau. La puissance de connexion d’un téléphone mobile 4G est d’environ 200mWatts. Les antennes relais (stations de base) doivent être à quelques kilomètres à la ronde maximum pour assurer une connexion. Le travail des opérateurs mobile est de couvrir le territoire afin qu’un terminal soit donc toujours à moins de quelques kilomètres d’une antenne. Sur l’ensemble du territoire français, tout opérateurs confondus, il y a environ 10 000 stations de base, qui couvrent quelques centaines de mètres chacune.

Depuis les années 70, aux États-Unis d’abord, puis dans les pays d’Europe du Nord dans les années 80, le réseau est structuré par un découpage en cellules, et chacune est desservie par une station de base. Le schéma2Il est emprunté à ce site: https://tpetelephonesante.wordpress.com/partie-1-definition-dune-onde-electromagnetique-et-fonctionnement-des-reseaux-cellulaires/les-differents-types-de-reseau/. ci-dessous représente ce découpage en alvéoles :

Idéalement, l’usager d’un téléphone ne perçoit pas son passage d’une cellule à l’autre (le réseau fonctionne s’il est imperceptible). En zone urbaine, densément peuplée, les stations de base sont déployées pour répondre à une forte demande, la capacité en Mbits/s par km2 doit être supérieure au trafic engrendré par les clients. En Zone rurale, moins dense, les stations de base doivent avant tout couvrir l’ensemble du territoire, pour que partout un usager puisse se connecter. Il est moins nécessaire d’avoir une forte capacité dans chaque cellule.

De tels réseaux impliquent une multiplicité d’interfaces et de protocoles, et des manières de faire communiquer les équipements entre eux par certains types de canaux. Entre chaque élément du réseau, différents canaux font transiter différents types d’informations. Chaque étape met en place des mécanismes pour éviter que n’importe qui accède aux échanges ou au réseau lui-même. Des maintiens de connexion sont mis en place pour gérer la sporadicité des échanges, les arrêts soudain de transmission. Chaque échange est doublé de mécanismes de chiffrement, pour contrôler l’intégrité des messages et les possibles pertes dues aux interférences ou échecs de transmission.

On n’appelle pas sans raisons un ordinateur un « poste fixe ». Le réseau internet classique ne sait pas gérer la mobilité des terminaux d’accès. Tout paquet est destiné à une adresse IP, liée à une localisation physique. 3C’est avec le protocole TCP/IP que fut construit l’internet au départ, et désormais l’infrastructure est trop installée et utilisée pour que cela vaille la peine, le coût, de tout modifier, ou que cela soit même possible.

Les paquets de données doivent être guidés, routés, vers une porte d’entrée unique (avant d’accéder aux terminaux): le PGW, Packet GateWay. Pour la 4G, il y a donc deux réseaux, celui constitué par l’ensemble des stations de base, en dialogue les unes avec les autres sur un même réseau IP, puis le réseau dit « réseau coeur » qui s’occupe une fois passé le PGW de l’accès à internet. On fait donc converger les paquets de données, qui circulent entre les stations de base, vers une entrée commune à tout le réseau. Le PGW sert d’interface entre ces deux réseaux, il achemine les données vers le terminal (le téléphone mobile) et inversement, du terminal vers l’internet. Il assure aussi, en tant que point de passage, passerelle intermédiaire, des fonctions de sécurité. Il n’y a que quelques PGW sur l’ensemble du territoire français.

Sur ce schéma simplifié, on voit la rupture entre le réseau IP et le réseau Internet. Le routeur, dans les réseaux mobiles, est le Packet Gate Way, qui fait point d’entrée pour le réseau internet

L’usager d’un telephone mobile se déplace, à plus ou moins grande vitesse. Il faut donc avertir la station de base de ces déplacements, et régulièrement effectuer un « reroutage » du telephone vers une nouvelle station de base. Pour éviter de communiquer à chaque fois avec le PGW (et de les surcharger, puisqu’il n’y en a que quelques-uns), l’architecture du réseau passe par des Serving Gate Way (SGW) qui desservent une région géographique donnée et toutes les cellules qu’il comporte (une région française par exemple). Les SGW communiquent ensuite avec le PGW, mais ce ne sont que les SGW qui gèrent la mobilité et le changement des stations de base.

Schéma d’un réseau 4G. Le terminal communique avec l’antenne qui va vers le Serving Gate Way local (SGW), qui à son tour échange avec le Packet gate Way (PGW). Les bearer, sur le schéma, sont les tunnels mis en place le temps de la connexion, selon le type d’intercace (S1, S5etc) ils échangent un certain type de message (données de signalisation ou paquet de données)

Nous n’allons pas rentrer dans tous les détails ici, il s’agit de comprendre la logique générale. Pour construire un réseau mobile, on installe différentes entités de manières à couvrir l’ensemble du territoire. Cette répartition permet de répartir les charges, on y reviendra (si toutes les connexions sont sur une même station de base, ou se dirigent vers le même point pour accéder à internet, le réseau est saturé). Chaque échange à l’intérieur du réseau se subdivise en plusieurs couches. Tous les échanges entre le téléphone et la station de base, par exemple, sont doublées d’équipements de contrôle. À chaque étape, des fonctions de contrôles sont en place pour vérifier que l’abonné peut utiliser le réseau et pour valider son identité. Le réseau d’échanges de données se double d’un réseau de sécurisation des échanges.

Un des éléments clés des fonctions de contrôle est le HSS (le Home Subscriber Server) où sont regroupés les profils de tous les abonnés du réseau, les droits, les services et les données de sécurité. Il est consulté à chaque début d’accès au réseau, et tout au long de la connexion. Le HSS n’échange que des données de signalisation, l’ensemble des éléments échangés pour gérer l’accès aux réseaux. Aucuns paquets de données ne transitent par le HSS. Comme pour le PGW, si à chaque fois que quelqu’un se déplace, il faut contrôler l’accès et envoyer une requête au HSS, il y a un risque de saturation. L’architecture d’ensemble introduit le MME, Mobility Management Entity, qui gère une très large rayon et s’occupe de la mobilité. Le MME va contrôler localement le profil de l’abonné durant sa connexion, un peu comme une mémoire cache ou un « cookie » garde sur internet des éléments enregistrés, pour réduire les échanges et les risques de surcharge du réseau.

De tels réseaux impliquent donc une multiplicité d’interfaces et de protocoles, et des manières de faire communiquer les équipements entre eux par certains types de canaux. Entre chaque élément du réseau, différents canaux font transiter différents types d’informations. Chaque étape met en place des mécanismes pour éviter que n’importe qui accède aux échanges ou au réseau lui-même. Des maintiens de connexion sont mis en place pour gérer la sporadicité des échanges, les arrêts soudain de transmission. Chaque échange est doublé de mécanismes de chiffrement, pour contrôler l’intégrité des messages et les possibles pertes dues aux interférences ou echecs de transmission. Les ondes életromagnétiqus peuvent se propager à longue distance mais se modifient au fil des distances, et l’ampleur des perturbations peut être plus ou moins grande. Les émetteurs dans le réseau modulent les signaux échangés, ainsi lorsque le message échange échange subit des dégrations, le récepteur pourra reconnaître les modulations effectués et reconstitué le message. La modulation permet d’établir un compromis entre la vitesse de transmission et les erreurs.


Techniquement, on ajoute notamment une redondance à chaque message, pour qu’à l’arrivée tout arrive et qu’il soit possible pour les dispositifs de réception de reconstituer le message.

Schéma similaire au précédent mais on voit le HSS, qui rassemble toutes les informations des abonnées, et le MME qui contrôle localement les abonnés présents

En quoi la 5h diffère de la 4G et des générations précédentes? Elle va utiliser un spectre d’ondes plus important et surfer sur les ondes millimétriques. Pour de telles ondes, des antennes tous les 1500 mètres environ sont nécessaires. Élargir le spectre des ondes utilisables rend bien plus vaste les capacités du réseau. Les téléphones mobiles actuels utilisent des bandes inférieures à 6 gigahertz (GHz), les ondes mililimétriques sont diffusées à des fréquences comprises entre 30 et 300 GHz. Aujourd’hui, certains opérateurs de téléphonie mobile ont commencé à les utiliser pour envoyer des données entre des points fixes, et le trading à Haute-Fréquence notamment a mis en place de telles liaisons4https://sniperinmahwah.wordpress.com/. La 5G innove en utilisant les ondes millimétriques pour relier des utilisateurs mobiles à la station du réseau la plus proche.

Les opérateurs doivent installer des infrastructures de toutes tailles, absolument partout, de mini-station de base au coeur des villes à 20 000 satelittes dans l’atmosphère. Ce sont des mini-cellules. Pour chaque station de base, relais du réseau, la capacité des antennes sera décuplée et pourra émettre et recevoir énormément de messages à la fois, ce sur des canaux différents, particulièrement de machines à machines. Elles seraient installé sur les poteaux d’éclairage, au sommet des batiments, partout. Pour éviter que les signaux ne tombent, les transporteurs pourraient installer des milliers de ces stations dans une ville pour former un réseau dense qui agirait comme une équipe de relais, recevant les signaux des autres stations de base et envoyant des données aux utilisateurs en tout lieu.

Pour utiliser beaucoup plus d’antennes sur un même réseau, la 5G va utiliser la technique appelée MIMO massive, MIMO, qui signifie multiple-input multiple-output. MIMO désigne les systèmes sans fil qui utilisent deux ou plusieurs émetteurs et récepteurs pour envoyer et recevoir plus de données en même temps. Le MIMO massif utilisera des dizaines d’antennes sur un seul réseau. Cependant, l’installation d’un nombre beaucoup plus important d’antennes pour gérer le trafic cellulaire provoque également davantage d’interférences si ces signaux se croisent. Les stations 5G doivent intégrer la formation de faisceaux.

L’un des buts central de la 5G est de permettre la mise en place de l’Internet des Objets, de connecter et mettre en réseaux les objets (de la voiture autonome aux colis d’un entrepôt). Pour que ces objets dits « intelligents » puissent effectivement échanger, et des millions d’humains également, le réseau 5G va émettre des ondes en faisceau, idéalement capable d’émettre à partir de l’antenne dans la direction du téléphone ou de l’objet qui se connecte. Un satellite de la 5G pourra notamment viser un appareil précis et permettre sa connexion. Il s’avère également nécessaire, pour qu’une telle mise en réseau soit possible, que chaque élément du réseau puisse au même moment émettre et recevoir. Si sur une même fréquence, il est possible d’émettre et recevoir, la puissance globale du réseau est décuplée.

C’est ici une présentation succinte et programmatique. Le fonctionnement décrit ici de la 5G est en fait loin d’être au point. Elle est encore en phase de tests et sa mise en place va être longue, mais les différents opérateurs se précipitent par peur de manquer le bateau et les profits possibles. L’installation de la 5G veut être la nouvelle infrastructure globale, la promesse d’une grande relance économique5Pour de nombreux économistes conseillers du prince, les innovations sont le Saint Graal de la croissance, par exemple: https://www.college-de-france.fr/site/philippe-aghion/index.htm .