Autour de la téléphonie mobile et des antennes

Autour de la téléphonie mobile et des antennes
La présente fiche d’information contient des informations techniques sur la
téléphonie mobile en général et plus spécifiquement sur les antennes. Elle
explique les concepts techniques de base et le fonctionnement de la téléphonie
et des réseaux mobiles.
1. Types de réseaux
La construction des réseaux pour la téléphonie mobile de deuxième génération a démarré au début des
années 1990. La première génération utilisait encore des combinés lourds et chers et comptait peu
d’utilisateurs, comme le réseau C-Netz. Les pays européens s’étaient mis d’accord sur un système
numérique de traitement (codage) des signaux, qui, entretemps, s’est étendu largement au-delà des
frontières de l’Europe. Ce système a été baptisé Global System for Mobile Communication et abrégé
GSM. Les réseaux GSM ont été et sont aujourd’hui exploités en Suisse sur deux bandes de fréquences:
la bande 900 MHz (d’où le sigle international GSM900) et la bande 1800 MHz (GSM1800).
Dans la seconde moitié des années 1990, la téléphonie mobile de la troisième génération a été
développée, sous le nom d’UMTS (Universal Mobile Telecommunication System). Ce système
fonctionne sur la bande 2 GHz et utilise un type de codage différent, largement plus efficace et plus
flexible, qui permet la transmission de gros volumes de données à la vitesse requise (avec la norme
HSPA, jusqu’à 42 MBit/s).
Actuellement, la 4e génération de téléphonie mobile est en cours de déploiement. La technologie de
transmission utilisée est désignée sous le nom de LTE (Long Term Evolution). La LTE a été développée
en particulier pour l’utilisation de données mobiles et l’accès mobile large bande à Internet, car elle
permet des débits de 100 MBit/s et plus.
2. Fonctionnement
2.1. Similitudes avec les ondes lumineuses
Les ondes radios des fréquences entre 800 mégahertz et 2,6 gigahertz peuvent être utilisées
conformément aux concessions octroyées en 2012 pour la téléphonie mobile. Ces hautes fréquences,
dont résultent des ondes courtes, présentent des similitudes avec les ondes lumineuses. Les ondes
lumineuses sont également des ondes électromagnétiques, toutefois avec des ondes plus courtes, soit
d’environ 0,0005 mm.
Les ondes radio se propagent à partir de l’antenne émettrice, d’abord en ligne droite, puis peuvent être
plus ou moins réfléchies par des surfaces – tout comme la lumière sur des surfaces réfléchissantes.
Contrairement à la lumière, les ondes radio peuvent toutefois franchir plus de matériaux, même
atténuées. Ceci permet par exemple de téléphoner à l’intérieur d’un bâtiment. Du fait des arêtes, les
ondes radio peuvent être un peu déviées et ainsi pénétrer dans la zone d’ombre en dessous d’une arête.
Comme la leur longueur d’onde est plus courte, les signaux avec la fréquence 2600 MHz sont bien plus
atténués que sur 800 MHz. La zone de couverture d’une antenne est donc nettement plus petite sur
2600 MHz.
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Diffusion d’ondes électromagnétiques
Hauteur*
*Valeurs approximatives
60 m
50 m
Moitié de la valeur limite de l’installation
Valeur limite d’immission
Double de la valeur limite de l’installation
Valeur limite de l’installation
40 m
30 m
20 m
10 m
DIRECTION PRINCIPALE
D’EMISSION
0m
-10 m
0m
10 m
20 m
30 m
40 m
50 m
60 m
70 m
80 m
90 m
100 m
Distance*
2.2. Puissance d’émission faible du téléphone portable
Les portables peuvent émettre seulement avec une puissance limitée, en raison de la capacité de la
batterie disponible mais aussi de la volonté de protéger contre les effets sur la santé d’ondes trop fortes.
Pour les portables, la sécurité et la précaution sont réglementées par le respect d’un taux d’absorption
spécifique limité, le TAS. Celui-ci définit la puissance d’émission et l’unité de mesure des ondes
électromagnétiques que le corps absorbe lors de communications mobiles. Etant donné que les
antennes des portables, contrairement aux antennes des stations de base, ne sont pas focalisées sur
une direction spécifique, mais émettent dans toutes les directions, la puissance est répartie sur de plus
grandes surfaces à mesure que la distance augmente et l’intensité des ondes radio (c’est-à-dire la
puissance par rapport à la surface) décroit fortement. A un moment donné, elle devient si faible que
même un appareil récepteur sensible ne peut plus la capter.
2.3. Limitation de la portée
Compte tenu de la limitation de la portée (en plus d’autres raisons techniques importantes), la
téléphonie mobile nécessite un réseau constitué d’antennes de réception et d’émission réparties de la
manière la plus complète possible dans tout le pays. Au milieu ou au bord des mailles du réseau,
appelées cellules, se trouvent les antennes qui couvrent ces cellules.
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Structure d’un réseau de téléphonie mobile
Station de base
Mât d’antenne
Matériel de transmission
en extérieur
Transmission radio
par faisceau hertzien
Cellule de
petite taille
Raccordement du
réseau fixe au centre
de commutation
Cellule radio
du téléphone
portable
Antenne
de toit
Centre de commutation
transmission mobile
2.4. Connexion entre le portable et les antennes
Pour établir une communication, un téléphone portable doit tout d’abord être déclaré à la station de
base la plus proche, ce qui se produit une fois l’appareil sous tension, lors de la recherche du réseau.
Un appel sortant part du portable vers la station de base et à partir de là, par câble, fibre optique ou
faisceau hertzien vers un ordinateur central. Cet ordinateur détermine si l’appelé est déclaré quelque
part sur une cellule du réseau. Si oui, l’appel est dirigé vers la station de base correspondante – de
nouveau par câble, fibre optique ou faisceau hertzien –, laquelle établit le contact radio avec le portable
de l’appelé et fait sonner son combiné. Si l’appelé répond, les informations associées à ses paroles
empruntent le même chemin dans la direction opposée. Qu’ils soient échangés entre maisons voisines
ou entre bancs d’une même école, les phrases ou messages peuvent facilement faire un aller et retour
d’une dizaine de kilomètres, et ce en quelques fractions de seconde.
3. Planification du réseau
3.1. Taille des cellules
Lors de la planification de la taille d’une cellule radio, la zone à couvrir, la topographie et le nombre
d’abonnés ou bien encore la demande sont pris en considération. En plaine, lorsque le nombre
d’abonnés est réduit, la taille de la cellule radio peut être plus élevée (jusqu’à 20 kilomètres à 900 MHz
ou moins de kilomètres à 1800 MHz) que dans les vallées étroites et les rues encaissées entre des
immeubles, où la cellule radio ne peut souvent couvrir que quelques centaines de mètres. De plus, une
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antenne ne pouvant assurer qu’un nombre limité de communications à la fois, il est impossible qu’un
émetteur situé en hauteur desserve un large territoire comme le Mittelland dans sa totalité.
3.2. Capacité limitée d’une antenne
L’antenne ne peut couvrir simultanément qu’un nombre limité de portables. En effet, comme pour de
simples radios, les autres portables ne doivent pas entendre les conversations respectives et, par
conséquent, chaque portable utilise un canal de communication «privé» pendant la durée de l’appel. Un
réseau peut donc être surchargé si un grand nombre de personnes téléphonent ou transmettent des
données en même temps. Dans les zones comportant de nombreux abonnés, il faut créer des cellules
de petit rayon, dont la capacité suffit à assurer les communications et transmissions de données.
Certains territoires spécifiques ou nécessitant une couverture temporaire, tels que les halls d’exposition,
les centres commerciaux, les gares, les hôtels ou les grands événements ont souvent leur propre
antenne et peuvent être divisés en microcellules.
Fonctionnement de l’infrastructure de téléphonie mobile
Antenne
Antenne de transmission par faisceau hertzien
pour la communication avec le téléphone mobile
Eléments de l’antenne
Antenne pour la retransmission des appels (radio par
faisceau hertzien)
Mât d’antenne
3.3. Puissance d’émission faible
La taille limitée des cellules radio présente un avantage. Elle permet de réduire les puissances
d’émission de l’antenne, car plus une cellule est petite, plus sa puissance sera faible et sa portée réduite.
La puissance qui alimente les antennes peut atteindre jusqu’à près de 50 watts. Sous l’effet du gain de
l’antenne, celle-ci peut émettre de 0,5 à 4,5 kilowatts. Les microcellules de faible puissance sont
exclusivement dédiées à la couverture de zones blanches ou de surcharge dans des zones à forte
densité de population.
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3.4. Nécessité d’étendre en permanence le réseau
Cela explique pourquoi, dans des zones déjà couvertes, avant tout dans les grandes villes, de nouvelles
stations émettrices de petite taille sont construites. Elles permettent, non pas d’assurer une couverture
de base, mais de satisfaire la demande souvent très élevée de communications.
Si possible, les trois opérateurs de téléphonie mobile de Suisse coopèrent pour réaliser des sites
d’antennes: près d’un tiers des sites sont utilisés en commun. Mais ce Site Sharing n’est pas plus
fréquent du fait de l’ordonnance sur la protection contre le rayonnement non ionisant (ORNI).
4. Présent et avenir
4.1. Transfert de données
Les anciens téléphones GSM servaient à l’origine à «téléphoner», au sens étymologique du terme (du
grec tele = à distance et phonä = voix). Il s’agissait d’un simple appareil de communication à distance
pour la transmission de conversations entre des personnes. En principe, le système pouvait aussi être
utilisé pour la transmission de données. Au début, cet aspect présentait peu d’intérêt, mais au cours des
années 1990, des ordinateurs mobiles performants ont vu le jour, ouvrant la voie aux Notebooks ou
ordinateurs portables aujourd’hui très répandus. Un nombre croissant d’utilisateurs recherchent un
moyen de connecter leur ordinateur portable à l’ordinateur de leur entreprise ou de surfer sur Internet
lorsqu’ils sont en déplacement.
4.2. UMTS et LTE
La technologie GSM n’était pas conçue pour satisfaire la demande croissante de transmissions rapides
et performantes de données. Dans la seconde moitié des années 1990, la téléphonie mobile de la
«troisième génération» est apparue sous le nom d’UMTS (Universal Mobile Telecommunication System),
suivie de la téléphonie mobile de la quatrième génération, la LTE (Long Term Evolution), à peine dix ans
plus tard. Les systèmes UMTS et LTE utilisent d’autres formes d’encodage, largement plus efficaces et
plus flexibles, ce qui permet la transmission d’importants volumes de données, à la vitesse requise
(jusqu’à 100 Mbit/s et plus avec la LTE).
Après la LTE, des technologies encore plus performantes verront le jour. Sollicités par leurs clients qui
font une utilisation toujours plus intense de la téléphonie mobile, les opérateurs devront renforcer et
densifier leurs réseaux. L’extension du réseau de téléphonie mobile n’est donc pas près de s’achever.
Septembre 2012
Contact: [email protected]
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