Cours 2 - Téléphonie mobile, des origines à nos jours

La 5G aujourd'hui

Chapitre 4Durée ≈ 25 minNiveau : BUT 3 GEIIPrérequis : chapitres 1 et 3 (taille de cellule, OFDM, MIMO)

Objectifs du chapitre

Citer les trois familles d'usages de la 5G
Expliquer le compromis entre fréquence, taille de cellule et débit
Expliquer le principe du MIMO massif et de la formation de faisceaux
Distinguer 5G non autonome et 5G autonome, et définir le découpage en tranches
Situer la 5G en France (fréquences, déploiement)

1. La 5G n'a pas été inventée (seulement) pour votre téléphone

Une usine où des robots sans câbles se coordonnent à la milliseconde, un champ où des milliers de capteurs envoient quelques octets par jour, un stade où 60 000 personnes filment en même temps : trois besoins radicalement différents. La 5G a été conçue pour les trois.

Les générations précédentes visaient surtout un seul objectif : plus de débit pour les téléphones. La 5G est définie autour de trois familles d'usages :

Famille	Ce qui compte	Exemples
Très haut débit mobile (eMBB)	le débit et la capacité	vidéo en haute définition, foules (stades, gares), accès Internet fixe par la radio
Faible latence et haute fiabilité (URLLC)	le délai et la fiabilité	robots industriels, commande à distance, véhicules
Objets massivement connectés (mMTC)	le nombre d'objets et leur consommation	capteurs, compteurs, suivi de marchandises

Sur la latence, l'écart visé est net : de l'ordre de 15 à 30 ms en 4G, contre un objectif d'environ 1 ms en 5G autonome (repères donnés par l'Arcep). Attention : ces chiffres concernent la partie radio et le réseau de l'opérateur. Si le serveur est à l'autre bout du monde, la propagation dans la fibre ajoute plusieurs dizaines de millisecondes (cours 3).

2026, en 5G. « J'arrive dans 10 min » part en message vocal, avec votre position partagée en direct. Va-t-il vraiment plus vite qu'en 4G ? Pas de façon perceptible. Ce que la 5G change surtout, c'est la capacité : votre message passe aussi bien dans une gare bondée un soir de grève, là où la 4G saturait.

Associez chaque usage à la famille de la 5G qu'il sollicite le plus.

40 000 spectateurs qui partagent des vidéos pendant un concert
Un bras robotisé commandé sans fil dans une usine
Des milliers de capteurs d'humidité dans des vignes
L'arrêt d'urgence d'une machine à distance

2. Nouvelles bandes : la fréquence, la portée et le débit

La 5G utilise trois grandes catégories de fréquences, qui obéissent toutes au même compromis :

Bandes basses (par exemple 700 MHz) : les ondes portent loin et traversent bien les murs, mais il y a peu de spectre disponible. Idéal pour la couverture.
Bande « cœur » de 3,5 GHz : des canaux beaucoup plus larges (plusieurs dizaines de MHz par opérateur, jusqu'à 100 MHz par porteuse), donc beaucoup plus de débit, mais des cellules plus petites.
Ondes millimétriques (bande 26 GHz) : des centaines de MHz disponibles, mais une portée de quelques centaines de mètres, et le moindre obstacle (un mur, une main, la pluie) atténue fortement le signal. En France, cette bande n'est pas encore attribuée en France (attribution attendue vers 2028-2029).

Pourquoi les fréquences hautes portent moins loin ? À gain d'antenne égal, l'affaiblissement augmente, quand on passe de

f_{1}

f_{2}

, de

Δ L = 20 \log_{10} (\frac{f_{2}}{f_{1}}) dB

De plus, les murs et la végétation absorbent davantage les ondes de fréquence élevée. Le débit, lui, est proportionnel à la largeur de bande (cours 1) : on échange de la portée contre du débit.

Δ L = 20 \log_{10} (\frac{3 500}{700}) = 20 \log_{10} (5) \approx 20 \times 0,699 \approx 14 dB

d'affaiblissement supplémentaire, à gain d'antenne égal.

De combien de dB l'affaiblissement augmente-t-il quand on passe de 700 MHz à 3,5 GHz, à gain d'antenne égal ?

une bande, une cellule

Bande utilisée par la station de base :

Modèle simplifié du chapitre 1 : $L_{max} = 142$ dB, $L (d) = L_{1} + 35 \log_{10} (d)$ , avec $L_{1} = 126$ dB à 900 MHz, augmenté de $20 \log_{10} (\frac{f}{900 MHz})$ . Les obstacles, très pénalisants en ondes millimétriques, ne sont pas pris en compte : la réalité est encore plus sévère à 26 GHz.

Chiffres clés en France (mis à jour le 10 octobre 2026). La bande 3,5 GHz a été attribuée en 2020 (environ 310 MHz pour environ 2,8 milliards d'euros) : Orange 90 MHz, SFR 80 MHz, Bouygues Telecom 70 MHz, Free 70 MHz. Au 1er juillet 2026, l'ANFR recensait 55 622 sites 5G autorisés, dont 48 286 techniquement opérationnels en métropole.

3. MIMO massif et formation de faisceaux

Une antenne classique de station de base arrose tout son secteur, comme une lampe de poche à large faisceau : une grande partie de l'énergie part là où il n'y a personne. Les antennes 5G de la bande 3,5 GHz sont des antennes actives composées de plusieurs dizaines d'éléments rayonnants, chacun piloté en amplitude et en phase. En décalant la phase d'un élément à l'autre, on fait interférer les ondes de façon constructive dans une direction choisie : c'est la formation de faisceaux (beamforming).

réseau d'antennes et faisceau

Nombre d'éléments : 8

Direction visée : 20°

Réseau linéaire, éléments espacés d'une demi-longueur d'onde, tous de même amplitude. Diagramme normalisé (le maximum est ramené à la même taille).

Manipulez le simulateur : plus il y a d'éléments, plus le faisceau est étroit, et plus l'énergie est concentrée vers l'utilisateur (gain d'environ $10 \log_{10} (N)$ dB pour $N$ éléments). Mieux : on peut former plusieurs faisceaux simultanés, vers plusieurs utilisateurs, sur la même fréquence. C'est le MIMO massif : la station de base sert plusieurs téléphones en même temps en les séparant dans l'espace.

Un faisceau plus étroit présente un autre avantage : les personnes qui ne communiquent pas reçoivent moins d'énergie que si l'antenne arrosait tout le secteur. L'exposition dépend alors fortement de l'usage (où sont les utilisateurs, combien de données ils échangent), ce qui rend sa mesure plus délicate (chapitre 5).

Avec plus d'éléments, les interférences constructives se concentrent dans un cône plus étroit : le faisceau se resserre et le gain augmente d'environ

10 \log_{10} (N)

dB. Doubler

N

ajoute

10 \log_{10} (2) \approx 3

dB.

Que se passe-t-il quand on double le nombre d'éléments d'une antenne réseau ?

Le faisceau s'élargit
Le faisceau devient environ deux fois plus étroit et le gain augmente d'environ 3 dB
La fréquence d'émission double

4. Côté terminal et côté réseau

Le terminal

Le modem doit gérer à la fois les bandes 2G, 3G, 4G et 5G, et agréger plusieurs porteuses. Pour les ondes millimétriques, là où elles sont utilisées, les antennes sont regroupées dans de petits modules antenne + circuits RF placés sur les bords du téléphone, pour qu'une main ne les masque pas toutes en même temps. La consommation devient un enjeu majeur : plus de bande et plus d'antennes, c'est plus de circuits à alimenter (cours 4).

Le réseau : non autonome, puis autonome

5G non autonome (NSA, Non-Standalone) : la radio 5G est ajoutée à un réseau 4G, dont elle réutilise le cœur. C'est ainsi que la 5G a été lancée, rapidement et à moindre coût.
5G autonome (SA, Standalone) : la 5G dispose de son propre cœur de réseau 5G. Les fonctions avancées (latence minimale, tranches de réseau) n'existent qu'en mode autonome.

Le cœur de réseau 5G est virtualisé : ce ne sont plus des équipements dédiés, mais des logiciels qui tournent sur des serveurs, comme dans un centre de données. On peut alors découper un même réseau physique en tranches (network slicing) : des réseaux virtuels, chacun avec ses propres garanties de débit, de latence ou de fiabilité. Par exemple, une tranche pour les secours, une pour une usine, une pour le grand public.

La 5G continue d'évoluer par versions successives de la norme 3GPP, appelées releases : la Release 18 a ouvert la 5G-Advanced, la Release 19 a été figée en décembre 2025, et la Release 20 est en cours. Nous y reviendrons au chapitre 7.

Un opérateur veut proposer une tranche de réseau garantie pour les services de secours. De quoi a-t-il besoin ?

D'une 5G autonome, avec un cœur de réseau 5G
D'une 5G non autonome, qui s'appuie sur le cœur 4G
D'antennes plus hautes

Trois familles d'usages : très haut débit mobile, faible latence et haute fiabilité, objets massivement connectés.
Bandes basses pour la couverture, 3,5 GHz pour le débit, ondes millimétriques pour un débit très élevé sur de petites zones : on échange de la portée contre de la bande.
MIMO massif et formation de faisceaux : des dizaines d'éléments pilotés en phase concentrent l'énergie vers chaque utilisateur et en servent plusieurs à la fois.
5G non autonome (cœur 4G) puis autonome (cœur 5G virtualisé), qui permet le découpage en tranches.

Avant la suite, vérifiez que vous savez :

citer un usage pour chacune des trois familles de la 5G ;
expliquer pourquoi une cellule à 3,5 GHz est plus petite qu'une cellule à 700 MHz ;
expliquer comment un réseau d'antennes oriente son faisceau ;
distinguer 5G autonome et non autonome.

Qualité de service mesurée (Arcep) ; latence : Arcep, communiqué 83-25 du 20 nov. 2025 ; pages Arcep sur la 5G (vérifié le 2026-10-10)
Fréquences 5G en France : Arcep (procédure d'attribution 3,5 GHz) ; zoneadsl.com (revu le 6 fév. 2026) (vérifié le 2026-10-10)
Déploiement 5G en France : Observatoire ANFR (communiqués 2026, relayés par Bbox-Mag et DegroupTest) (vérifié le 2026-10-10)
Release 3GPP ; 5G-Advanced : 3GPP via FirstNet.gov, Critical Communications Review (vérifié le 2026-10-10)