Du téléphone jusqu'à Internet : l'architecture du réseau

1. Suivons notre message, du téléphone au serveur

Retenez la structure générale, la même pour toutes les générations depuis la 2G : un réseau d'accès radio (les antennes et les stations de base), un réseau de transport (qui relie les sites entre eux) et un cœur de réseau (qui authentifie les abonnés, gère leur mobilité et fait le lien avec Internet).

2. Les sites radio : pylônes, toits et petites cellules

Un site radio regroupe les antennes d'un ou plusieurs opérateurs : sur un pylône en campagne, sur un toit ou une façade en ville, parfois dans un clocher ou un château d'eau. On y trouve en général :

• des antennes panneaux, souvent trois par opérateur et par bande, une par secteur de 120° (chapitre 3) ;
• pour la 5G à 3,5 GHz, des antennes actives : l'antenne réseau et les circuits d'émission-réception sont réunis dans un même boîtier, qui forme les faisceaux (chapitre 4) ;
• des têtes radio installées au plus près des antennes, en haut du pylône, pour éviter les pertes d'un long câble coaxial : elles sont reliées au reste de l'équipement par de la fibre ;
• une baie d'équipements au pied du site, l'alimentation électrique et les batteries de secours.

Là où il y a beaucoup de monde sur une petite surface (gares, centres commerciaux, rues piétonnes), on ajoute des petites cellules (small cells) : des stations de base de faible puissance, de la taille d'une boîte à chaussures, fixées sur du mobilier urbain ou une façade. À l'intérieur des grands bâtiments (stades, tunnels, hôpitaux), un réseau d'antennes réparties dans les couloirs prend le relais, car les ondes extérieures traversent mal les murs.

3. Le transport : la fibre derrière l'antenne

Entre l'antenne et le cœur de réseau, on distingue deux tronçons :

• le fronthaul relie les têtes radio (ou les antennes actives) à l'unité qui traite le signal en bande de base. Il transporte un flux énorme et régulier, avec des exigences de délai très strictes : c'est de la fibre, sur quelques mètres à quelques kilomètres ;
• le backhaul (réseau de collecte) relie chaque site au cœur de réseau. Il agrège le trafic de tous les secteurs et de toutes les bandes du site.

Un site 5G avec trois secteurs, chacun capable de plusieurs centaines de Mbit/s, peut demander un backhaul de plusieurs Gbit/s : seule la fibre optique offre cette capacité avec de la marge (cours 3). Là où la fibre n'arrive pas encore (montagne, zones isolées), on utilise des faisceaux hertziens : des liaisons radio point à point, entre deux antennes paraboliques qui se voient, dans des bandes de quelques GHz à plusieurs dizaines de GHz.

Énergie et sobriété

Un réseau mobile consomme de l'électricité en permanence, et la partie radio (amplificateurs de puissance, refroidissement) en représente une grande part. Les équipements récents savent mettre en veille des porteuses ou des éléments d'antenne quand le trafic baisse, la nuit par exemple. Le rendement des amplificateurs de puissance, étudié au cours 4, est donc un enjeu à la fois économique et environnemental.

4. L'exposition du public aux ondes

En France, l'ANFR (Agence nationale des fréquences) gère le spectre, autorise chaque site radio et contrôle le respect des valeurs limites d'exposition. Ces valeurs viennent de la recommandation européenne 1999/519/CE, reprise en France par le décret 2002-775. Elles dépendent de la fréquence :

Loin de l'antenne et dans l'axe de son faisceau, le champ électrique se calcule simplement à partir de la PIRE (puissance isotrope rayonnée équivalente, $P\times G$) et de la distance $d$ :

Comment vérifier sur le terrain ? Le site Cartoradio de l'ANFR montre les antennes installées et les résultats des mesures déjà faites. Toute personne peut aussi demander une mesure gratuite chez elle ou dans un lieu public : le formulaire doit être contresigné par un organisme habilité (une mairie, par exemple), et la mesure, réalisée par un laboratoire accrédité, est financée par une taxe payée par les opérateurs. Le rapport est ensuite publié sur Cartoradio.

Et le téléphone lui-même ?

Collé à la tête, le téléphone est souvent la source qui expose le plus son utilisateur. On mesure cette exposition par le DAS (débit d'absorption spécifique), en watts par kilogramme de tissu. Les limites sont de 2 W/kg pour la tête et le tronc, et de 4 W/kg pour les membres. Le DAS doit être indiqué sur la notice et en magasin. Utiliser un kit mains libres ou le haut-parleur éloigne le téléphone de la tête et réduit fortement l'exposition.

Avant la suite, vérifiez que vous savez :

• décrire le trajet d'un message du téléphone au serveur ;
• distinguer fronthaul et backhaul ;
• expliquer pourquoi la fibre est indispensable derrière l'antenne ;
• estimer un champ électrique et le comparer à la valeur limite.