Il est probable que vous ayez entendu parler de la 5G et de son recours aux ondes millimétriques pour atteindre des vitesses de l’ordre de 10 Gbps. Toutefois, elle exploite aussi les bandes de fréquences basses et moyennes, tout comme la 4G. La fiabilité de la 5G repose sur l’utilisation combinée de ces trois spectres.
Mais alors, qu’est-ce qui distingue ces spectres les uns des autres ? Pourquoi les données sont-elles transférées à des vitesses différentes ? Et pourquoi sont-ils tous indispensables au bon fonctionnement de la 5G ?
Comment les fréquences électromagnétiques transmettent-elles les données ?
Avant d’explorer en détail les ondes basses, moyennes et millimétriques, il est essentiel de comprendre le mécanisme de transmission de données sans fil. Sans cette compréhension, il serait difficile de saisir les nuances entre ces trois types de spectres.
Les ondes radio et les micro-ondes, bien qu’invisibles à l’œil nu, présentent des caractéristiques semblables à celles des ondes dans une étendue d’eau. À mesure que la fréquence d’une onde s’élève, la distance entre deux ondes successives (la longueur d’onde) diminue. Votre téléphone évalue la longueur d’onde afin d’identifier les fréquences et de capter les données qu’une fréquence spécifique cherche à transmettre.
Cependant, une fréquence stable et invariable ne peut pas communiquer avec votre téléphone. Elle doit être modulée, c’est-à-dire que son taux de fréquence doit augmenter et diminuer subtilement. Votre téléphone détecte ces infimes modulations en mesurant les variations de longueur d’onde, et traduit ensuite ces mesures en données exploitables.
Pour mieux comprendre, imaginez une combinaison de code binaire et de code Morse. Si vous cherchez à émettre un message en code Morse avec une lampe torche, il ne suffit pas de laisser la lampe allumée. Vous devez la moduler de manière à ce que cette modulation puisse être interprétée comme un langage.
L’efficacité de la 5G repose sur la combinaison des trois spectres
Le transfert de données sans fil est soumis à une contrainte majeure : la fréquence est étroitement liée à la bande passante.
Les ondes fonctionnant à basse fréquence ont des longueurs d’onde importantes, ce qui implique que les modulations se produisent lentement. En d’autres termes, elles « parlent » lentement, ce qui se traduit par une bande passante réduite (une connexion Internet lente).
À l’inverse, les ondes à haute fréquence « parlent » très rapidement. Cependant, elles sont sensibles aux distorsions. Si un obstacle (murs, conditions atmosphériques, pluie) se présente, votre téléphone peut avoir du mal à détecter les changements de longueur d’onde, ce qui revient à manquer une partie d’un message en code Morse ou binaire. Ainsi, une connexion instable sur une bande haute fréquence peut parfois s’avérer plus lente qu’une connexion de qualité sur une bande basse fréquence.
Auparavant, les opérateurs privilégiaient les spectres à bande moyenne, qui « parlent » à une vitesse modérée, au détriment des ondes millimétriques à haute fréquence. Mais pour que la 5G soit plus rapide et plus stable que la 4G, les appareils 5G sont dotés d’une technologie appelée commutation adaptative de faisceau, qui permet de basculer rapidement entre les bandes de fréquences.
C’est cette commutation adaptative de faisceau qui fait de la 5G une alternative fiable à la 4G. En pratique, un téléphone 5G surveille constamment la qualité du signal lorsqu’il est connecté à une bande haute fréquence (onde millimétrique) tout en gardant un œil sur d’autres signaux stables. Si la qualité du signal devient médiocre, le téléphone bascule sans interruption vers une nouvelle bande de fréquence jusqu’à ce qu’une connexion plus rapide et stable soit établie. Cela évite les ralentissements lors du visionnage de vidéos, du téléchargement d’applications ou des appels vidéo – et c’est ce qui rend la 5G plus fiable que la 4G sans sacrifier la vitesse.
Onde millimétrique : rapidité, innovation et portée limitée
La 5G est la première norme sans fil à utiliser le spectre des ondes millimétriques. Ce spectre fonctionne au-delà de la bande des 24 GHz et, comme on peut s’y attendre, il est parfaitement adapté à la transmission de données à très haut débit. Cependant, comme mentionné précédemment, le spectre des ondes millimétriques est sujet aux distorsions.
Imaginez le spectre des ondes millimétriques comme un faisceau laser : il est précis et dense, mais il ne peut couvrir qu’une zone restreinte. De plus, il est très sensible aux interférences. Même un obstacle minime, comme le toit d’une voiture ou un nuage de pluie, peut bloquer les transmissions d’ondes millimétriques.
C’est pourquoi, encore une fois, la commutation adaptative de faisceau est cruciale. Dans un scénario idéal, votre téléphone compatible 5G serait constamment connecté à un spectre d’ondes millimétriques. Mais un tel scénario nécessiterait un nombre considérable d’antennes à ondes millimétriques pour pallier la couverture limitée de ces ondes. Il est peu probable que les opérateurs investissent massivement pour installer des antennes à ondes millimétriques à tous les coins de rue. La commutation adaptative de faisceau est donc essentielle pour que votre téléphone ne subisse pas de ralentissements lors des transitions entre les connexions à ondes millimétriques et les connexions à bande moyenne.
Actuellement, seules les bandes de 24 et 28 GHz sont autorisées pour la 5G. Cependant, la FCC prévoit de mettre aux enchères les bandes de 37, 39 et 47 GHz pour la 5G d’ici fin 2019 (ces trois bandes, situées plus haut dans le spectre, offrent des connexions encore plus rapides). L’autorisation de l’utilisation des ondes millimétriques à haute fréquence pour la 5G permettra à cette technologie de devenir beaucoup plus répandue.
Bande moyenne (sub-6) : un compromis entre vitesse et couverture
La bande moyenne (également appelée Sub-6) constitue le spectre le plus pratique pour la transmission de données sans fil. Elle fonctionne sur des fréquences allant de 1 à 6 GHz (2,5, 3,5 et 3,7-4,2 GHz). Si le spectre des ondes millimétriques est comparable à un laser, le spectre de la bande moyenne s’apparente plutôt à une lampe de poche. Il est capable de couvrir une zone raisonnable avec des vitesses Internet acceptables. De plus, il peut traverser la plupart des murs et des obstacles.
Une grande partie du spectre de la bande moyenne est déjà autorisée pour la transmission de données sans fil et, naturellement, la 5G tirera profit de ces bandes. Cependant, la 5G utilisera également la bande des 2,5 GHz, auparavant réservée aux émissions éducatives.
La bande des 2,5 GHz se trouve à l’extrémité inférieure du spectre de la bande moyenne, ce qui signifie qu’elle offre une couverture plus étendue (et des vitesses plus lentes) que les bandes de milieu de gamme déjà utilisées pour la 4G. Cela peut sembler contre-intuitif, mais l’industrie cherche à ce que la bande des 2,5 GHz permette aux zones isolées de profiter de la transition vers la 5G et que les zones à fort trafic ne se retrouvent pas sur des spectres à bande basse extrêmement lents.
Bande basse : un spectre plus lent pour les zones isolées
Nous utilisons le spectre de la bande basse pour la transmission de données depuis le lancement de la 2G en 1991. Il s’agit d’ondes radio à basse fréquence qui fonctionnent en dessous du seuil de 1 GHz (notamment les bandes 600, 800 et 900 MHz).
Le spectre de la bande basse étant composé d’ondes à basse fréquence, il est peu sensible à la distorsion : il a une longue portée et peut traverser les murs. Cependant, comme mentionné précédemment, les fréquences basses entraînent des débits de transmission de données plus lents.
En théorie, votre téléphone ne devrait jamais se retrouver sur une connexion à bande basse. Mais certains appareils connectés, tels que les ampoules intelligentes, n’ont pas besoin de transférer des données à des débits de l’ordre du gigabit. Si un fabricant décide de créer des ampoules intelligentes 5G (ce qui serait utile en cas de coupure de votre Wi-Fi), il y a de fortes chances qu’elles fonctionnent sur le spectre de la bande basse.
Sources : FCC, RCR Wireless News, IMPORTANT