Qu’est-ce que l’onde millimétrique ? La 5G haut débit expliquée

Le déploiement de la technologie 5G dans le monde a été considérablement plus complexe que les normes sans fil qui l'ont précédé. Étant donné que la 5G exige des niveaux de performances sans précédent, les opérateurs doivent naviguer dans une mer délicate de fréquences radio pour s'assurer qu'ils peuvent offrir les meilleures vitesses et la meilleure couverture possible .

Les anciennes technologies GSM, 3G et 4G/LTE fonctionnaient dans une bande de fréquences relativement étroite, laissant aux opérateurs des choix quelque peu limités pour déployer leurs réseaux. En comparaison, la 5G couvre tout le spectre, de la bande basse 600 MHz aux fréquences extrêmement élevées de 47 GHz.

Le résultat est que la 5G offre aux opérateurs une multitude d'options pour déployer au mieux leurs réseaux 5G, leur permettant d'essayer de trouver un équilibre idéal entre couverture et performances. Dans des circonstances idéales, cela fournirait la meilleure 5G pour tout le monde. Cependant, dans le monde réel, les choses sont beaucoup plus compliquées.

Qu'est-ce que l'onde millimétrique ?

À l'extrémité supérieure de cette gamme du spectre 5G se trouvent les fréquences mmWave, ou « ondes millimétriques », allant de 24 GHz à 47 GHz. Techniquement parlant, l'onde millimétrique est définie comme la plage de fréquences extrêmement élevées (EHF) de 30 GHz à 300 GHz, ainsi nommée parce que ce sont les fréquences où les longueurs d'onde deviennent aussi courtes qu'un millimètre.

Cependant, comme pour le spectre de la bande C , la Federal Communications Commission (FCC) a redéfini l'extrémité inférieure de la gamme mmWave aux États-Unis pour commencer dans la gamme supérieure de la zone Super High Frequency (SHF), à partir de 24 GHz, traversant en EHF sur la voie de 47 GHz, qui est actuellement l'extrémité supérieure du spectre alloué à la 5G.

La FCC prévoit d'octroyer éventuellement une licence à un spectre mmWave encore plus élevé – elle examine la gamme 57–64 GHz qui n'est actuellement pas sous licence et les fréquences 71 GHz, 81 GHz et 92 GHz peu utilisées. Cependant, il reste probablement encore quelques années, d'autant plus que les opérateurs n'ont pas encore pleinement utilisé le spectre mmWave qu'ils possèdent déjà.

Portée vs vitesse

Comme le savent tous ceux qui ont travaillé avec des routeurs Wi-Fi domestiques , les fréquences plus élevées offrent plus de bande passante pour des vitesses plus rapides, mais cela se fait au détriment de la portée et de la couverture. Le signal 2,4 GHz de votre routeur couvrira probablement toute votre maison, mais à des vitesses relativement faibles, tandis que les fréquences 5 GHz offrent d'excellentes performances pour les jeux et le streaming, mais pourraient ne pas atteindre votre sous-sol ou votre arrière-salle.

C'est ainsi que fonctionnent les lois de la physique lorsqu'il s'agit d'ondes radio. Les fréquences plus élevées sont plus rapides mais ne peuvent pas voyager aussi loin que les fréquences plus basses et plus lentes.

Les opérateurs de téléphonie mobile sont confrontés aux mêmes défis pour fournir des signaux puissants et rapides à leurs clients que vous le feriez pour trouver un emplacement idéal pour votre routeur Wi-Fi. C'est juste que les transporteurs doivent faire face à cela à une échelle beaucoup plus grande.

L'utilisation de fréquences plus élevées permet aux opérateurs d'offrir des vitesses plus rapides, mais le compromis est qu'ils doivent construire plus de tours et les rapprocher pour fournir la même couverture qu'un signal à basse fréquence.

Des vitesses cosmiques phénoménales, une gamme minuscule

À une certaine époque, la bande haute fréquence mmWave 5G était ce que beaucoup pensaient être l'avenir de la technologie 5G. Après tout, il peut offrir des vitesses ridiculement impressionnantes qui vont bien au-delà de ce dont la plupart des services haut débit filaires sont même capables.

Dans des conditions idéales, les vitesses 5G sur les fréquences mmWave peuvent atteindre 4 Gbit/s, bien qu'il soit plus courant de trouver des appareils oscillant dans la zone 500 Mbps-1 Gbit/s . Cependant, même les vitesses mmWave les plus lentes sont 3 à 4 fois plus rapides que les performances 5G moyennes disponibles lors de l'utilisation de fréquences plus basses.

Comme certaines porteuses l'ont rapidement découvert, le problème est que ces fréquences extrêmement élevées ont une portée déprimante ; un seul émetteur-récepteur mmWave n'est pas susceptible de fournir une couverture solide pour quoi que ce soit de beaucoup plus grand qu'un pâté de maisons.

Cela ne devrait pas être surprenant si l'on considère que les signaux mmWave commencent à 24 GHz – un ordre de grandeur au-dessus des fréquences habituellement utilisées pour les communications Wi-Fi et cellulaires.

Cependant, cela les place bien hors de portée de tout ce qui causerait généralement des interférences, d'autant plus que tout ce qui se trouve sur ces fréquences a également une portée tout aussi courte. Habituellement, vous trouverez le spectre EHF utilisé par les systèmes météorologiques par satellite, les radars d'armes militaires, les radars de vitesse de la police et les systèmes de contrôle de sécurité aux points de contrôle des aéroports.

Le paysage des ondes millimétriques

Avec tout cela à l'esprit, il n'est pas surprenant que la plupart des opérateurs n'aient pas fait grand-chose avec la technologie mmWave.

Parmi les opérateurs américains, seul Verizon a beaucoup misé sur mmWave dans ses premiers déploiements 5G . AT&T s'y est essayé tandis que T-Mobile a principalement évité ce spectre.

Le pari de Verizon lui a permis de se vanter très tôt de vitesses 5G incroyablement rapides. Un rapport de 2020 d' OpenSignal a montré à Verizon une avance mondiale massive, avec des vitesses de téléchargement moyennes plus de deux fois plus rapides que son prochain rival le plus proche, le LG U+ de Corée du Sud.

Cependant, l'astuce pour ces vitesses élevées était que Verizon utilisait le spectre mmWave exclusivement pour son réseau 5G. L'opérateur n'avait pas de réseaux 5G à bande moyenne ou basse plus lents pour faire baisser ses chiffres. Il s'agissait du réseau ultra large bande 5G de Verizon tel qu'il existait à l'origine. Il fonctionnait presque entièrement sur le spectre 28 GHz.

De plus, les vitesses de 506 Mbps de Verizon devaient être accompagnées d'un qualificatif assez important – elles n'étaient pas disponibles pour 99 % des clients de l'opérateur. La portée extrêmement courte de mmWave signifiait que Verizon ne l'avait pas déployé au-delà de quelques grands centres urbains , et OpenSignal a noté que les clients de Verizon n'accédaient à son réseau mmWave 5G qu'environ 0,4 % du temps. Ce chiffre a doublé pour atteindre 0,8 % d'ici 2021 , mais cela signifiait toujours que les clients de Verizon passaient plus de 99 % de leur temps sur une connexion 4G/LTE.

AT&T a opté pour une utilisation plus stratégique de mmWave . Il avait très tôt autorisé une partie du spectre 24 GHz 5G, principalement déployé à des fins professionnelles dans quelques villes. Plus tard, il a perdu 1,2 milliard de dollars pour acquérir une part importante du spectre 39 GHz, qu'il a déployé plus activement auprès de ses clients. AT&T appelle cela son service 5G+.

Techniquement parlant, T-Mobile a des déploiements mmWave dans quelques villes, mais le transporteur n'en parle pas beaucoup. T-Mobile disposait d'une bonne partie du spectre médian rapide avec lequel jouer bien avant que ses rivaux ne puissent mettre la main sur le spectre convoité de la bande C , donc mmWave n'a pas été aussi important pour les plans de l'opérateur.

Avantages de mmWave

Plutôt que de baser l'ensemble de son réseau 5G sur mmWave comme l'a fait Verizon, AT&T s'est concentré sur l'augmentation de sa 5G à basse fréquence avec des cellules mmWave dans des zones extrêmement denses comme les stades et les aéroports .

Cela profite de l'un des avantages les plus importants de mmWave. Les fréquences extrêmement élevées n'offrent pas seulement une bande passante plus élevée pour les utilisateurs individuels ; toute cette bande passante supplémentaire lui permet également de gérer la congestion beaucoup plus efficacement.

Pour utiliser des calculs simplifiés, si un émetteur-récepteur mmWave peut offrir jusqu'à 4 Gbps de débit à un seul appareil, 40 appareils peuvent facilement obtenir des connexions stables à 100 Mbps sans se ralentir mutuellement.

De plus, la portée plus courte de mmWave signifie que les opérateurs doivent déployer beaucoup plus d'émetteurs-récepteurs. Au moment où AT&T a mis en place suffisamment d'émetteurs-récepteurs pour couvrir un stade de football, il peut fournir efficacement une 5G haute performance à des milliers de personnes assistant à un match ou à un événement .

De même, mmWave est idéal dans les aéroports, non seulement en raison du nombre élevé de passagers qui y transitent, mais aussi parce que ces fréquences sont si éloignées de tout ce qui est utilisé dans l'aviation qu'il n'y a pas de controverse à leur sujet .

T-Mobile a également déclaré discrètement qu'il continuerait à développer mmWave là où cela aurait du sens, mais contrairement à AT&T et Verizon, il ne prévoit pas de différencier son réseau mmWave. Les clients de T-Mobile ne verront pas le symbole "5G+" ou "5G UW" sur leurs téléphones lorsqu'ils sont connectés à mmWave. Au lieu de cela, les utilisateurs de T-Mobile bénéficieront d'une couverture et de performances solides, qu'ils soient assis à la maison ou qu'ils assistent au Super Bowl.

Fréquences clés des ondes millimétriques

Certains opérateurs ont également autorisé d'autres morceaux de spectre mmWave, bien que la plupart d'entre eux ne soient probablement pas disponibles pour une utilisation de sitôt.

Par exemple, T-Mobile et Dish détiennent des licences qui représentent 99 % du spectre 47 GHz. On ne sait pas ce que ces opérateurs prévoient d'en faire, d'autant plus que cela fournira une couverture encore pire contre les 28 GHz de Verizon et les 39 GHz d'AT&T.

Plus important encore, aucun smartphone grand public ne peut même atteindre les fréquences de 47 GHz à l'heure actuelle. La gamme iPhone 13 d'Apple et les modèles Galaxy S22 de Samsung ne prennent en charge qu'une poignée de bandes mmWave 5G, qui sont désignées comme n257 (28 GHz), n258 (26 GHz), n260 (39 GHz) et n261 (28 GHz). Parmi ceux-ci, seuls n260 et n261 sont utilisés par les opérateurs américains ; les autres sont pour la compatibilité avec les services mmWave 5G dans le monde.

L'avenir est à la bande C

Aussi excitant que puisse paraître le spectre mmWave dans les premiers jours de la 5G, les opérateurs ont réalisé que ce n'est pas là que réside l'avenir de la technologie 5G.

Verizon a dû apprendre cette leçon la plus difficile de toutes, avec un premier réseau 5G qui était inexistant pour 99 % de ses clients. Verizon a suivi cela avec un "réseau national 5G" à basse fréquence qui partageait l'espace avec ses signaux 4G/LTE. Cela a donné aux clients l'indicateur «5G» sur leurs téléphones, mais a généralement fourni des vitesses qui n'étaient pas meilleures que la 4G.

Ce n'est que lorsque Verizon a pu déployer son spectre en bande C que sa fortune 5G a vraiment commencé à changer. Ce n'était pas entièrement la faute de Verizon ; il a d'abord dû déposer 45 milliards de dollars pour autoriser le spectre de la bande C, puis lutter contre une industrie aéronautique qui craignait que cela ne cause des problèmes avec les instruments d'avion .

Néanmoins, lorsque Verizon a finalement tourné la clé de sa nouvelle bande C au début de 2022, beaucoup plus de ses clients ont commencé à voir de véritables vitesses 5G . C'était un tel saut de performance que Verizon a intégré le nouveau réseau en bande C à son service Ultra Wideband 5G.

Alors qu'AT&T a déployé son service en bande C plus progressivement , les clients des quelques villes où il est disponible ont également découvert une augmentation impressionnante de leurs vitesses 5G.

Même T-Mobile, qui dispose déjà de son puissant réseau 5G Ultra Capacity 2,5 GHz , prévoit d'utiliser le spectre de la bande C à fréquence plus élevée pour donner à ses clients un coup de pouce nécessaire dans les zones où une plus grande capacité est nécessaire.

En fin de compte, le rôle de mmWave dans la technologie 5G publique est d'augmenter les réseaux existants, pas de les remplacer. La capacité massive du spectre mmWave le rend idéal pour fournir une 5G fiable dans des centres de population extrêmement denses. Cependant, la courte portée signifie qu'il ne pourra jamais se tenir debout tout seul. mmWave sera toujours le plus approprié lorsqu'il est utilisé comme "power-up" pour renforcer la 5G dans certaines zones.