Le Dynamic Spectrum Sharing fait coexister la 4G et la 5G sur les mêmes fréquences

Les opérateurs mobiles utilisent pour leurs réseaux plusieurs bandes de fréquences qui n’ont pas la même capacité de couverture. Les débits disponibles sont en outre proportionnels à la largeur de bande utilisée. Les fréquences basses (en-dessous de 1 GHz) favorisent ainsi la couverture, tandis que les fréquences plus hautes sont privilégiées en zone urbaine pour leur capacité.

La bande 3,5 GHz s’est récemment trouvée sur le devant de la scène à l’occasion des enchères 5G. Il s’agit de la bande-cœur pour le déploiement de la nouvelle technologie : plus large que les bandes déjà attribuées aux opérateurs, elle pourra offrir des débits inégalés.

Pourtant, les bandes préexistantes ne sont pas restées à l’écart de la 5G. Bien au contraire, dans l’observatoire du déploiement des réseaux mobiles de l’ANFR au 1^er décembre, le nombre de sites 5G autorisés en bandes 700 et 2 100 MHz dépasse nettement celui des sites en bande 3,5 GHz.

Pourtant, ces bandes accueillent toujours du trafic 4G. Mais comment 4G et 5G peuvent-elles coexister dans la même bande ?

C’est le Dynamic spectrum sharing (DSS) qui permet de faire fonctionner 4G et 5G sur les mêmes fréquences. Ce partage se fait par multiplexage temporel et de manière dynamique : les mêmes fréquences transportent ainsi des paquets de données 4G ou 5G, dans une proportion qui dépend de la charge des réseaux. Le DSS permet ainsi un usage optimal du spectre, contrairement à des partages statique ou manuel, qui sépareraient les trafics 4G et 5G ou figeraient les proportions.

L’interface physique de la 5G présente d’importantes similitudes avec la 4G : en ce sens, il s’agit d’une évolution plus que d’une révolution, notamment du fait de l’emploi de la même forme d’onde OFDMA (orthogonal frequency-division multiple access). Les deux technologies mettent en œuvre une grille « temps x fréquences » dont les différentes cases sont appelées resource blocks (RB), pouvant contenir des données utiles ou des données de signalisation. L’idée du DSS est donc d’adopter une même grille et d’y faire cohabiter la 4G et la 5G.

Pour autant, si la grille est la même, le contenu des cases diffère entre 4G et 5G, ce qui nécessite des ajustements :

• une première approche tire parti de trames 4G spécifiques broadcast (MBSFN) beaucoup moins chargées en informations de signalisation que les trames 4G classiques. Elles peuvent être utilisées pour véhiculer de nouvelles fonctionnalités qui resteront ignorées des terminaux 4G. Et comme la signalisation de la 5G est beaucoup plus flexible, elle peut occuper les champs libres (entre 20 et 60 %) de la trame MBSFN. Cette méthode est la plus simple pour activer le DSS, mais elle crée des rigidités dans l’allocation des ressources.
• une autre approche consiste à encapsuler des segments 5G à l’intérieur des trames 4G classiques. Dans ce cas, les données réservées la signalisation 4G doivent être préservées. Cette approche permet une meilleure allocation instantanée des ressources en offrant de nombreux créneaux pour transporter des données 5G, tandis que la signalisation associée est pilotée via les trames MBSFN. A moyen terme, l’exploitation par la 5G de multiples petits segments dans les trames 4G devrait permettre d’améliorer la latence et de se conformer aux exigences URLLC (ultra-reliable low-latency communication : faible latence, fiabilité élevée).

Ces deux approches valent pour la voie descendante (émetteur vers le terminal). Quant à la voie montante, des solutions analogues y sont envisagées, mais les premières implémentations restent encore incomplètes. Les premiers opérateurs utilisant le DSS ont néanmoins la possibilité de faire remonter les données 5G par les canaux 4G classiques.

Activer le DSS en 5G ne requiert qu’une légère mise à jour de la station de base puisque les têtes radio, les aériens, le raccordement réseau (backhaul) restent communs. Les opérateurs doivent cependant veiller à une parfaite synchronisation (temporelle et fréquentielle) entre les équipements 4G et 5G qui coopèrent.

Le DSS permet à l’opérateur de bénéficier de la meilleure efficacité spectrale de la 5G par rapport à 4G, néanmoins limitée dans ces bandes par l’impossibilité d’y déployer les antennes actives, technologie clé de l’amélioration de l’efficacité spectrale pour la 5G. Par ailleurs, le débit pour l’utilisateur reste fortement contraint par la faible largeur de ces bandes basses : dans le cas de la bande 700 MHz, le débit descendant sera ainsi limité par les 5 ou 10 MHz dont disposent les opérateurs français, à comparer aux 70 à 90 MHz qu’ils viennent d’acquérir en bande 3,5 GHz ou à la possibilité d’agrégation des porteuses de plusieurs bandes en 4G. Le DSS permettra tout de même de disposer rapidement d’une bonne couverture 5G, tout en bénéficiant rapidement des nouvelles fonctionnalités développées par les équipementiers : par exemple les améliorations du discontinuous reception (DRX ou réception discontinue) permettront d’augmenter la mise en veille des terminaux et de prolonger la batterie.