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Le point sur... La gestion des fréquences radio

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4 octobre 2010
Les applications de communication et de diffusion par ondes radioélectriques cohabitent dans un ensemble borné : à une fréquence, à un instant et dans un lieu donnés, on ne peut avoir qu’une seule onde porteuse d’un signal intelligible. Le spectre radio, qui fait partie du domaine public de l’État, est une ressource rare gérée par différents acteurs institutionnels. Parmi ceux-ci, l’Autorité de régulation des communications électroniques et des postes, l’ARCEP, est en charge des fréquences ouvertes aux services de télécommunications ; elle en autorise l’utilisation suivant différents modes. Ainsi, une utilisation efficace du budget radio permet d’optimiser la gestion du spectre, limité.

Les fréquences radio : une ressource rare

Le principe physique des technologies radio

Les technologies dites hertziennes (ou radio) sont basées sur la radiodiffusion : des ondes électromagnétiques, portant les signaux à transmettre, sont émises dans l’air. Physiquement, une onde électromagnétique correspond à une variation régulière de la valeur du champ électromagnétique, en un point donné. Le nombre de variations par seconde est la fréquence de l’onde (exprimée en Hertz). A un instant et en un lieu donnés, il ne peut y avoir qu’une seule onde d’une fréquence donnée. Si on génère plusieurs ondes de même fréquence, il n’est alors plus possible de distinguer les différents signaux, portés par chacune des ondes (phénomène d’interférences). A l’inverse, plusieurs signaux radio peuvent cohabiter sans interférences si leurs fréquences sont différentes.

Le spectre radiofréquence : un ensemble borné

La famille des ondes électromagnétiques inclut les ondes radio et les micro-ondes mais aussi la lumière visible, les rayons X... Le spectre radiofréquence utilisé par les technologies de transmission radio s’étend de quelques hertz à 300 gigahertz. Toutes les applications radio (télévision, radiophonie, téléphonie mobile, réseaux d’accès internet sans fil, applications militaires, communications avec les satellites...) doivent cohabiter dans cet intervalle clos et inextensible.

Plus la fréquence utilisée est basse, plus la portée des ondes est élevée et plus les ondes sont capables de traverser les obstacles. En revanche, la fréquence détermine la capacité de transport d’information de l’onde : plus la fréquence est élevée, plus les variations de signal sont nombreuses dans un intervalle de temps donné. Or l’information numérique est constituée de variations du signal représentant des successions de 0 et de 1 (les bits) ; plus le signal varie souvent, plus on peut véhiculer de bits par seconde, et donc plus la vitesse de transmission de l’information numérique est élevée.

De ces deux contraintes, l’une poussant à l’utilisation de fréquences basses, l’autre à l’utilisation de fréquences hautes, on déduit qu’il existe un ensemble de fréquences constituant le meilleur compromis entre vitesse de transmission et portée ; il s’agit des fréquences de l’ordre de quelques centaines à quelques milliers de MHz. Les applications consistant à desservir des utilisateurs répartis sur un territoire ont tendance à se concentrer dans cette partie réduite du spectre. Cette concentration et le bornage physique du spectre font des fréquences radio une ressource rare.

Les acteurs qui gère la ressource

La répartition des rôles

Le spectre radio fait partie du domaine public de l’État. Afin de permettre la cohabitation des différents émetteurs d’ondes radio, plusieurs acteurs institutionnels en fixent les règles : type d’application autorisé (fixe ou mobile, civile ou militaire...), limitation de puissance (afin de restreindre la portée et le niveau de pollution radioélectrique), localisation des stations...

Ainsi, l’Agence Nationale des Fréquences Radio (ANFR) attribue des portions du spectre radio (c’est-à-dire des bandes de fréquence) à différentes autorités, comme par exemple l’ARCEP, le CSA, l’Aviation Civile... Ces autorités peuvent utiliser les fréquences pour leurs besoins propres ou les attribuer à des entités utilisatrices (éventuellement après les avoir découpées en plus bandes plus étroites) sous forme de licences d’autorisation d’émettre.

Ces différents acteurs sont également chargés de fixer les limites réglementaires (puissances, fréquences) que doivent respecter les équipements grand public émettant des ondes radio (téléphones fixes sans fil, jouets radiocommandés, puces RFID, etc.) afin d’éviter que ceux-ci ne perturbent la propagation des signaux en extérieur.

L’ensemble des règles d’utilisation des fréquences fait l’objet de travaux d’harmonisation aux niveaux européen et mondial, d’une part pour faciliter la conception et la commercialisation d’équipements sur les marchés internationaux, d’autre part pour éviter les éventuels problèmes d’interférences aux frontières, liés à des règles de gestion différentes.

L’exemple de l’ARCEP

L’ARCEP est chargée de définir les conditions d’utilisation des fréquences dédiées aux services de communications électroniques, téléphonie et internet en particulier. Dans ce but, l’Agence nationale des fréquences radio lui attribue certaines bandes de fréquences.

La méthode d’attribution des autorisations

Dans les bandes qui lui sont attribuées par l’ANFR, l’ARCEP délivre les autorisations d’émettre suivant différents modes :

- Le plus permissif est celui des bandes libres, dans lesquelles tout le monde est autorisé à émettre, sous certaines conditions, en particulier une puissance du signal limitée. C’est le cas des bandes 2,4 et 5 GHz, utilisées notamment par le Wi-Fi.
- Le second mode d’autorisation est dit "au fil de l’eau" : les autorisations sont délivrées suivant la règle du "premier arrivé, premier servi" ; cette méthode est utilisée lorsque les fréquences mises en jeu sont relativement peu sollicitées.
- Enfin la troisième voie est celle des autorisations délivrées après appel à candidatures ; cette méthode est utilisée lorsque la quantité de fréquences disponible sera probablement insuffisante pour satisfaire tous les candidats. C’est la solution qui a été employée pour les licences de téléphonie mobile (GSM, UMTS et future 4G) ou encore pour la bande des 3,5 GHz utilisée pour le WiMAX. Les critères de choix peuvent porter sur la somme proposée par le candidat, ses engagements sur la couverture du territoire, les services qu’il prévoit de proposer...

Les différents types d’autorisation

Il existe deux types d’autorisations :
- L’assignation autorise à émettre à un endroit précis et une fréquence donnée.
- L’allotissement autorise à l’émission dans une fréquence donnée, mais en laissant la liberté quant au positionnement des stations, sous réserve du respect des éventuelles servitudes de protection radioélectrique.

FréquencesType d’autorisation, méthode d’attributionUsage
Wi-Fi (normes b/g, n et a) Bande 2,4 GHz/Bande 5 GHz Bande libre (sous conditions d’usage) Réseaux locaux sans fil, petites boucles locales radio
WiMAX Bande 3,5 GHz Allotissement par région après appel à candidatures Boucles locales radio (desserte haut débit sans fil)
Faisceaux hertziens Différentes bandes entre 3 et 40 GHz Allotissement/assignation, généralement au fil de l’eau Liaisons point-à-point, par exemple pour relier entre elles des stations de téléphonie mobile
GSM/UMTS/LTE Bandes 900 MHz et 1,8 Ghz ; 1900 et 2100 MHz ;800 et 2600 MHz Allotissements nationaux après appels à candidatures Réseau de téléphonie mobile : 2G/3G/future 4G

Ci-dessus : quelques exemples gérés par l’ARCEP
Note : une autorisation porte bien sur une bande, càd un intervalle de fréquences, et non sur une fréquence ponctuelle. Par exemple, la bande libre 2,4 GHz correspond en fait aux fréquences comprises entre 2,4000 et 2,4835 GHz

Evolutions

- L’évolution des applications entraîne une évolution des besoins. Par exemple, le remplacement de la télévision analogique par la télévision numérique terrestre (TNT) doit permettre de libérer fin 2011 la bande des 800 MHz pour les besoins de la future génération de téléphonie mobile, la 4G ; ce « dividende numérique » intéresse de nombreux acteurs car les fréquences concernées se situent dans le domaine des centaines de MHz, particulièrement adapté aux réseaux mobiles à très haut débit.

- L’électronique, les techniques de codage et le multiplexage (transport de plusieurs signaux distincts sur un même canal) se perfectionnent, permettant de transporter davantage de bits utiles par hertz. Dans un avenir proche, la radio cognitive apportera des perspectives de gestion plus dynamique du spectre. Selon l’ARCEP, à un instant donné, seul 20% du spectre est utilisé ; si les réseaux radio sont capables de s’adapter en temps réel en choisissant eux-mêmes d’émettre dans une fréquence peu encombrée, on peut décloisonner les bandes de fréquences et autoriser plusieurs utilisateurs sur les mêmes bandes.

Pour en savoir plus

Liens externes
- Dossier Fréquences sur le site de l’ARCEP
- Agence Nationale des Fréquences Radio (ANFR)
- Radio sur Wikipedia (page en anglais)

Le point sur...
- Réseaux de desserte sans fil
- Réseaux de collecte sans fil
- Le Wi-Fi
- Le WiMAX

Contact
Groupe Aménagement Numérique des Territoires - CETE de l’Ouest


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5  commentaire(s) sur cet article - dernier commentaire le 24 septembre 2008

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