5G : l’ouverture des enchères pose trois questions économiques

La 5G, deux innovations qui n’ont rien à voir avec les fréquences

Mathieu Lagrange, qui chapeaute les sujets Réseaux et Sécurité au sein de l'institut de recherche technologique b<>com, abonde : il faut séparer le débat des avancées techniques de la 5G de celui des fréquences. « La question des fréquences n’est qu’un volet de la 5G. La véritable évolution technologique de cette nouvelle génération de communications mobiles est plutôt dans son fonctionnement », dit-il.

Le vrai apport de la 5G tient en effet surtout dans deux avancées techniques.
La première est le « slicing ». Il s’agit de la faculté d’attribuer à des flux de communication des vitesses et des priorités différentes.

L’idée est de prendre désormais en compte que certaines communications sont des applications ayant besoin de télécharger très vite des flux continus (par exemple du streaming vidéo), que d’autres sont des conversations téléphoniques surtout sensibles à la latence, et que d’autres, encore, sont de simples impulsions d’objets connectés qui n’ont pas besoin de toute la bande passante habituellement disponible.
Pouvoir définir qui est quoi, éventuellement en le vendant aux professionnels sous forme d’abonnement dédié à un usage particulier, servira à optimiser le trafic, à faire passer plus de communications sur une bande passante donnée, afin d’éviter que les connexions ne s’engorgent et, in fine pour les opérateurs, à mieux rentabiliser leur réseau.

La rentabilité des réseaux mobiles est un point à garder en tête dans les semaines qui viennent. Selon le rapport de l’Arcep indiqué plus haut, les revenus des services de communication électronique mobile stagnent en France : « ils ont atteint environ 13 milliards d’euros en 2019, contre 19,4 Mds € en 2010 » y lit-on. On subodore que le nombre d’abonnés augmente peu, mais que les prix des abonnements ont beaucoup baissé.

Le slicing doit être implémenté au niveau des cœurs de réseau, à savoir toute l’informatique qui se trouve entre les datacenters des opérateurs et les nœuds de raccordements des antennes. Or, ses fonctions, qui prennent la forme de serveurs réseau virtualisés, ne seront pas déployées avant au moins 2022 et pas généralisées avant 2025. En attendant, les communications dites « 5G » de nos opérateurs nationaux fonctionneront toujours avec les cœurs de réseau de la 4G, sans aucune optimisation.

La seconde innovation est de passer par un multiplexage plus efficace des signaux radio, le TDD (Time Division Duplexing). En clair, il s’agit d’utiliser la même fréquence pour les données qui vont et qui viennent entre une antenne et un appareil mobile.

« Par rapport au FDD utilisé jusqu’alors (Frequency Division Duplexing) et qui consistait à utiliser deux fréquences, une pour la communication descendante et l’autre pour la communication remontante, le TTD permet de réduire la latence des communications et d’augmenter le nombre de terminaux par antenne », explique Mathieu Lagrange.

L’avantage est que cette innovation-là est à implémenter dans les équipements situés au pied des antennes et que, dans la plupart des cas, ces équipements sont suffisamment modernes pour qu’une simple mise à jour logicielle soit nécessaire. « On dit que Free pourrait déjà allumer la 5G sur ses antennes par une simple mise à jour logicielle, du jour au lendemain », commente Jean-Paul Smet.

« En revanche, il faudra déployer de nouvelles antennes, chacune ne pouvant communiquer qu’en TDD ou qu’en FDD », pondère Mathieu Lagrange. Il précise que l’effort de déploiement sera a priori minime aux endroits où se trouve déjà la 4G : il s’agira simplement de fixer de nouveaux éléments d’antenne sur les pylônes et les installations urbaines existantes et de les relier aux équipements télécoms déjà en place. Il reste que les opérateurs attendaient de savoir à quelles fréquences ils auraient le droit d’émettre avant d’installer des modules d’antennes réglées pour.

À chaque bande de fréquence son usage

« Pour un opérateur national, la bande de fréquence autour des 3,5 GHz est un bon compromis. »

Revenons aux fréquences. En Europe et d’une manière générale dans le monde, il a été décidé que les communications 5G utiliseraient trois bandes de fréquence : aux alentours de 700 MHz, de 3,5 GHz et de 26 GHz. « Plus la fréquence est élevée, plus le débit est élevé, mais moins le signal se propage », indique Mathieu Lagrange. « Pour un opérateur national, la bande de fréquence autour des 3,5 GHz est un bon compromis. Car autour de 700 MHz, il n’est pas possible d’avoir un débit meilleur qu’en 4 G. Et autour de 26 GHz, il faudrait installer trop d’antennes pour maintenir la couverture. »

Il existe une formule mathématique pour connaître le débit que l’on peut atteindre à une certaine fréquence, le théorème de Shannon-Hartley. On retiendra que l’augmentation des hertz (nombre d’impulsions par seconde) a un double effet : non seulement cela accélère la vitesse à laquelle les bits d’informations se succèdent dans une communication, mais cela permet aussi à chaque opérateur d’avoir une fenêtre de tir plus large – plus de fréquences – pour envoyer des bits d’information durant une seconde.

En 4G, dans la bande de fréquence de 2,6 GHz par exemple, un opérateur utilise au mieux un canal large de 20 MHz pour véhiculer un total de 150 Mbit/s (soit environ 18 Mo/s, que se partagent tous les utilisateurs connectés au même module d’antenne) avec une latence de 10 millisecondes. En 5G, aux alentours de 3,5 GHz, un opérateur pourra utiliser un canal large de 100 MHz pour véhiculer environ 1 Gbit/s (environ 120 Mo/s) avec une latence de 1 milliseconde.

À noter que ces chiffres valent par module d’antenne, mais ils ne correspondent toutefois pas à la pratique ; Orange, par exemple, utilise en même temps plusieurs canaux en 4G pour grimper jusqu’à une bande passante de 750 Mbit/s sur certaines antennes.

Le principe reste le même aux autres échelles de fréquences. Aux alentours de 26 GHz, il sera possible d’utiliser un canal large de 1 GHz pour une bande passante de 10 Gbit/s (environ 1,2 Go/s). À 700 MHz, en revanche, les canaux pourront être aussi petits que 3 ou 5 MHz et les débits seront inférieurs à ceux de la 4G.

« À 26 GHz, les signaux ne traversent pas les murs. Ces fréquences, encore expérimentales, sont celles qui intéressent les industriels. Elles leur permettent de communiquer en très haut débit avec les équipements d’un site de production, dont des chariots automatisés. Et elles leur garantissent en même temps une sécurité naturelle, puisque les communications ne sont pas émises au-delà du site », explique Mathieu Lagrange.

Quand les opérateurs ont priorité sur les industriels

Selon lui, les antennes à 26 GHz seront néanmoins à considérer comme de super-hotspots wifi plutôt que comme de vraies infrastructures de téléphonie mobile : l’Arcep accordera a priori à chaque demandeur les mêmes fréquences, le seul impératif étant que chacun les utilise dans un endroit différent. La question de savoir comment seront revendues ces fréquences n’est de toute façon pas d’actualité : les équipements qui les gèrent n’existent qu’à l’état de prototypes et seuls onze industriels les testent pour le moment en France.

« Il est probable que la plupart [des entreprises] délègueront la gestion de ces fréquences à l’un des quatre opérateurs nationaux. »

« Les entreprises pourront confier la gestion de ces fréquences à un opérateur interne – comme Aéroports de Paris qui a son propre opérateur, Hub One, ou EDF. Elles pourront passer par un opérateur alternatif, spécialisé dans leurs problématiques métier. Mais il est probable que la plupart délègueront la gestion de ces fréquences à l’un des quatre opérateurs nationaux, car ce sont eux qui sont les plus proches des équipementiers chargés de fournir l’infrastructure », estime Viktor Arvidsson , directeur de la stratégie et innovation chez l’équipementier Ericsson.

L’avis de Viktor Arvidsson est manifestement celui qui prévaut en France : au-delà de sites circonscrits dans une zone géographique donnée, d’autres industriels, ceux des transports, ceux de l’énergie, pourraient vouloir des fréquences utilisables à l’échelle du pays. En Allemagne, Bosch et Siemens obtiendront ainsi leurs plages de fréquences dédiées entre 3,4 et 3,8 GHz, à côté de Vodaphone et Deutsche Telekom. En France, les voitures connectées de Peugeot ou Renault devront souscrire un abonnement à Orange, SFR, Bouygues ou Free.

« En France, il n’y avait qu’une bande de 310 MHz disponibles, les 90 MHz restants étant déjà occupés depuis des années par le WiMax de Bolloré, ou de la 4G fixe. »

Le lobby des télécoms serait-il plus puissant en France ? Pierre Fortier, directeur des activités 5G au sein de Capgemini Invent, qui accompagne les industriels dans leurs projets 5G, se veut plus pragmatique : « en Allemagne, il y avait une bande de 400 MHz disponible entre 3,4 et 3,8 GHz. Les opérateurs ont eu 300 MHz et les industriels auront 100 MHz. En France, il n’y avait qu’une bande de 310 MHz disponible, les 90 MHz restants étant déjà occupés depuis des années par le WiMax de Bolloré, ou de la 4G fixe. Il s’agissait donc de donner autant de fréquences aux opérateurs français que leurs voisins allemands, tout simplement. »

Des fréquences moins chères inciteront-elles les opérateurs à couvrir tout le territoire ?

Les fréquences aux alentours de 700 MHz sont l’exact inverse de celles aux alentours de 26 GHz : peu performantes en termes de débit, elles présentent l’intérêt d’une couverture sur de très grandes distances, de passer à travers les forêts, à travers les maisons en pierre. Ce sont elles qui portent la promesse d’une télémédecine pour les personnes isolées, celles qui habitent loin d’une connexion Internet fixe. Mais elles ne font pas partie des enchères actuelles.

La priorité qui transparaît dans ces enchères est plutôt que la France rattrape son retard en matière de 5 G. Pour y parvenir, l’État fait le pari qu’en vendant ses fréquences moins chères que partout ailleurs en Europe – et moins cher que d’habitude – il restera suffisamment de ressources financières aux opérateurs pour qu’ils investissent vite dans les infrastructures.

« Au total, cette opération rapportera à l’état 2,17 milliards d’euros, soit bien moins qu’à l’époque de la 3G, où chaque opérateur avait déboursé 4 milliards d’euros. »

« Entre 3,4 et 3,8 GHz, il y a 310 MHz mis à disposition par l’état. Au début de l’année, chacun des quatre opérateurs nationaux a déjà déboursé 350 millions d’euros pour obtenir une bande 50 MHz. Les licences pour les 110 MHz restants devraient être vendues lors de ces enchères par lot de 10 MHz à 70 millions d’euros chaque. Au total, cette opération rapportera à l’état 2,17 milliards d’euros, soit bien moins qu’à l’époque de la 3G où chaque opérateur avait déboursé 4 milliards d’euros », détaille Mathieu Lagrange. En Italie, les enchères ont déjà eu lieu et ont coûté 8 milliards d’euros aux opérateurs. En Allemagne, chaque opérateur a dépensé 2 milliards d’euros.

En contrepartie, l’État français exige de ses opérateurs qu’ils respectent un calendrier strict : chacun d’eux devra déployer 3 000 antennes 5G d’ici à 2022, 8 000 de plus d’ici à 2 024 et 10 500 de plus d’ici à 2025. À partir de 2024, 25 % des antennes devront forcément être déployées dans les territoires à faible densité de population.

En attendant que les cœurs de réseau passent à la 5G, 75 % des sites 4G existants, soit un peu plus de 47 000 actuellement en service sur le territoire, devront être modernisés pour fournir une bande passante au moins égale à 240 Mbit/s en 2022. Tous les axes autoroutiers fin 2025 et toutes les routes principales fin 2027 devront avoir une couverture mobile avec un débit par antenne d’au moins 100 Mbit/s. « Nous estimons que la modernisation des sites 4G pour supporter au moins 240 Mbit/s coûtera 1 milliard d’euros à chaque opérateur », illustre Mathieu Lagrange.

Faut-il croire à cet accord entre l’État et les opérateurs ? Jean-Paul Smets en doute. Il rappelle que cet accord avait déjà été passé en 2018 : pour exactement les mêmes contreparties, l’État a déjà renoncé à demander aux opérateurs de payer le renouvellement de leurs licences 4G, soit un cadeau évalué à 3 milliards. Les licences, en effet, ne donnent normalement droit qu’à une exploitation des fréquences pour une durée limitée. Cette durée sera d’ailleurs de 15 ans pour les fréquences de 3,4 à 3,8 GHz mises ces jours-ci aux enchères.

« L’État avait alors fait promettre aux opérateurs de recycler leurs équipements 3G en zone blanche pour garantir la couverture du territoire. Or, cela ne pouvait pas marcher techniquement, car la 3G urbaine n’est pas adaptée à la couverture des territoires ruraux », dit le patron de Nexedi. Surtout, il regrette que les opérateurs ne se soient même pas intéressés à une solution basée sur les vRAN, qui leur aurait coûté 1 000 € par antenne et qui leur aurait permis de couvrir l’ensemble des zones blanches pour 200 millions d’euros.

Peut-être était-il trop tôt ? La question des équipements – que les opérateurs devront aller chercher chez Ericsson, chez Nokia, chez le déchu Huawei, chez l’étoile montante Samsung ou encore parmi les vRAN – est justement celle qui sera mise sur la table juste après la clôture des enchères.