Réseaux mobiles · Protocoles · Architecture
La 5G représente la cinquième génération de réseaux mobiles, conçue pour offrir des débits ultra-rapides, une latence ultra-faible et une connectivité massive pour les milliards d'objets de l'ère numérique.
| Génération | Période | Débit pic | Latence | Technologies clés |
|---|---|---|---|---|
| 1G | 1980s | 2.4 kbps | — | AMPS, NMT. Analogique, voix uniquement |
| 2G | 1991 | 384 kbps | ~300ms | GSM, GPRS, EDGE. SMS, données basses vitesses |
| 3G | 2001 | 42 Mbps | ~100ms | UMTS, HSPA+, CDMA2000. Internet mobile |
| 4G / LTE | 2010 | 1 Gbps | ~30ms | LTE-A, VoLTE, OFDM. Streaming, applications |
| 5G | 2019 | 20 Gbps | <1ms | NR, mmWave, mMIMO, Network Slicing |
| 6G (prévisionnel) | ~2030 | 1 Tbps | ~0.1ms | THz, IA native, communication holographique |
eMBB (Enhanced Mobile Broadband) : débits très élevés pour streaming 4K/8K, AR/VR. URLLC (Ultra-Reliable Low-Latency Communications) : latence <1ms pour industrie critique, chirurgie à distance, véhicules autonomes. mMTC (massive Machine-Type Communications) : 1 million de dispositifs/km² pour l'IoT massif.
User Equipment — smartphone, IoT, véhicule
gNodeB (gNB), NR radio, beamforming
Fibre eCPRI, midhaul, backhaul
5GC : SBA, NFV/SDN
PDN, services, cloud
Architecture basée sur des microservices (SBA). Fonctions réseau : AMF (gestion mobilité), SMF (session), UPF (plan utilisateur), AUSF (authentification), UDM (données). Communication via APIs REST/HTTP2. Déploiement cloud-native (Kubernetes).
Network Function Virtualization : fonctions réseau sur serveurs standard (COTS). Software-Defined Networking : séparation plan de contrôle / plan de données. Orchestration : ETSI MANO, Kubernetes + Helm. Opérateurs : Ericsson Cloud RAN, Nokia AirScale, Huawei.
Division du réseau en tranches virtuelles indépendantes, chacune avec ses propres SLA. Slice eMBB pour streaming, slice URLLC pour usine, slice mMTC pour IoT. Isolation garantie. 3GPP TS 28.530. Orchestration NSMF/NSSMF.
Calcul au plus proche des antennes (latence <5ms). ETSI MEC. Applications : AR temps réel, V2X, jeu cloud sans lag. Serveurs de calcul colocalisés avec les gNB. Modèle hybride edge/cloud natif.
Sub-6 GHz (FR1) : 600MHz–6GHz — couverture étendue, débit modéré. Bandes n77, n78 (3.5 GHz, cœur du déploiement). mmWave (FR2) : 24–100 GHz — débits >1 Gbps, portée <300m, sensible aux obstacles. Idéal stades, aéroports.
Massive MIMO : 64–256 antennes par site, faisceaux directionnels. Beamforming : concentration de l'énergie radio vers l'utilisateur. Gain de capacité ×10. 3D-MIMO : contrôle vertical + horizontal. mmWave : phased arrays intégrées.
5G NR utilise CP-OFDM (downlink) et DFT-S-OFDM (uplink). Numerologies flexibles : SCS = 15/30/60/120/240 kHz. QAM-256 en eMBB. PAPR (peak-to-average power ratio) maîtrisé. Robustesse aux canaux sélectifs en fréquence.
5G NR adopte LDPC pour les canaux de données (proche de la capacité de Shannon) et les codes Polaires pour les canaux de contrôle (Arıkan 2008). Performances proches de la limite théorique. Décodage parallélisable sur GPU/ASIC.
B : bande passante (Hz). SNR : rapport signal sur bruit. Exemple : 100 MHz de bande, SNR = 30 dB (1000) → C ≈ 997 Mbps. La 5G exploite mmWave (GHz de bande) + Massive MIMO (SNR amélioré) pour approcher la limite.
Réseau 5G campus dédié (non partagé). Robots AGV ultra-réactifs, cobots, contrôle CNC sans fil, vision industrielle. Latence <5ms garanti par SLA. Volkswagen, BMW, Bosch déploient des réseaux 5G privés. Bande n79 réservée en Allemagne pour l'industrie.
URLLC : latence <1ms, fiabilité 99.9999%. Première chirurgie 5G à distance (Chine, 2019). Ambulances connectées : transmission d'ECG en temps réel avant l'arrivée. Robot Da Vinci téléopéré via 5G. Monitoring patient IoT.
V2X (Vehicle-to-Everything) : V2V, V2I, V2P. C-V2X (Cellular V2X) via PC5 (direct) et Uu (réseau). Latence <10ms pour sécurité active. 5G NR-V2X (Rel. 16+). Platooning de camions, intersections intelligentes (ETSI ITS).
Broadcast 5G remplace la fibre sur les tournages (jeu en temps réel, URLLC). eMBB : streaming 8K à la volée. Expériences AR en stade (chiffres des joueurs en temps réel). Live production via 5G uplink (BBC, France TV).
Gestion du trafic adaptatif (feux intelligents), éclairage adaptatif, capteurs environnementaux, gestion des déchets, surveillance de l'infrastructure (ponts, réseaux). Slice mMTC dédié aux capteurs à faible débit.
Drones 5G pour surveillance des cultures, pulvérisation de précision. Couverture étendue Sub-6 GHz. Capteurs sol connectés. Troupeaux connectés (bovins, ovins). Irrigation automatisée commandée en temps réel.
3GPP Release 15 (2018) : 5G NSA + SA phase 1. Release 16 (2020) : URLLC, V2X, NR-U (unlicensed). Release 17 (2022) : NTN (satellites), RedCap, sidelink. Release 18 (2024) : 5G-Advanced. Processus continu de standardisation ouverte.
Couches radio : PDCP (chiffrement/compression), RLC (segmentation/ARQ), MAC (planification, HARQ), PHY (modulation/codage). Interface air : Uu. Interface X2/Xn entre gNB. Interface N1-N11 dans le core 5GC. F1 : split CU/DU.
Non-Standalone (NSA) : 5G NR en overlay sur core 4G LTE (EPC). Déploiement rapide. Standalone (SA) : core 5GC complet, slicing, MEC disponibles. Option 3x (NSA), Option 2 (SA). Migration progressive opérateurs 2024-2027.
5G-AKA (Authentication and Key Agreement) : authentification mutuelle UE ↔ réseau. SUPI chiffré en SUCI (protection vie privée de l'identifiant). Clés dérivées (K, CK, IK, KSEAF, KAMF). Résistance aux attaques IMSI-catcher (SUCI = SUPI chiffré par clé publique).
Chiffrement : 128-NEA0/NEA1 (SNOW 3G), 128-NEA2 (AES-CTR), 128-NEA3 (ZUC). Intégrité : 128-NIA1 (SNOW 3G), 128-NIA2 (AES-CMAC), 128-NIA3 (ZUC). Protection bout en bout possible via applications. Confidentalité SUPI : ECIES X25519.
Rogue base station (fausse antenne). Attaques sur les interfaces O-RAN (xApp malveillantes). Signalling storms dans le cœur. Supply chain (équipements compromis). Vulnérabilités dans l'implémentation des VNFs. ENISA 5G Threat Landscape.
Adjudication des fréquences 3.5 GHz en 2020 (Bouygues, Free, Orange, SFR). Obligations de couverture ARCEP : 25% de la population d'ici fin 2022. Spectre : 3.4–3.8 GHz (n78), 26 GHz (mmWave, prévisionnel). >50 000 sites fin 2024.
O-RAN Alliance : découpler le matériel radio du logiciel. RIC (RAN Intelligent Controller) basé sur IA. Interfaces ouvertes : O1, E2, A1, F1, X2. Permet la concurrence entre équipementiers. Rakuten (Japon) : 1er réseau O-RAN commercial. DISH Network (USA).
Campus Network : fréquences locales (3.8–4.2 GHz en France, n79 en Allemagne). Modèles : DIY (entreprise), MNO-hosted, neutral host. Acteurs : Ericsson Private 5G, Nokia Digital Automation Cloud, Celona, Athonet. ROI : 3–5 ans dans l'industrie.
Bandes 0.1–10 THz : débits théoriques >1 Tbps. Portée très courte (<10m), absorption atmosphérique. Applications : liaison indoor ultra-haut débit, communication intra-data center. Défis : composants THz, efficacité énergétique.
6G : l'IA intégrée à tous les niveaux (air interface, scheduling, planification). Communication sémantique : transmettre le sens plutôt que les bits. RIS (Reconfigurable Intelligent Surfaces) : surfaces programmables qui redirigent les ondes.
Starlink, Amazon Kuiper, OneWeb. 5G NTN (Non-Terrestrial Networks, 3GPP Rel.17) : intégration des satellites LEO dans le cœur 5G. Couverture universelle. 6G : réseau ubiquitaire terra-aéro-spatial. UAV (drones) comme relais.
Transmission de représentations 3D en temps réel. Besoin : >10 Gbps par utilisateur, latence <0.1ms. Télécollaboration, médecine, éducation. Convergence : 6G + XR + IA + light-field displays.