CBRS, une initiative qui fera date

Les opérateurs de réseaux cellulaires 4G et 5G ont ceci de particulier qu’ils ne partagent pas les bandes passantes qui leur ont été attribuées par les organismes de tutelle. Mais avec l’explosion des besoins, ce blocage technologique ne peut plus durer. C’est ce qui rend l’initiative américaine CBRS, particulièrement intéressante.

Dans le processus d’attribution des fréquences « licensed » aux opérateurs « sans fil », on évoque toujours une fréquence bien précise : 3,5 Ghz, 2,6 Ghz, etc. En fait, ce n’est pas exact, car les opérateurs reçoivent le droit d’utiliser une bande de fréquence située à « proximité » de la fréquence de référence, qu’ils sont les seuls à pouvoir employer et sur laquelle il ne peut y avoir d’interférences. Sachant que l’on pourra réutiliser ces bandes… mais à distance raisonnable, pour justement éviter toute confusion liée aux interférences.

L’ennui c’est que ni les américains, ni les autres pays, n’ont encore les moyens d’une telle organisation trop consommatrice, qui bloque des fréquences, sans espoir de les réutiliser.

C’est là qu’intervient un nouveau service, dit CBRS (Citizens Broadband Radio Service), autorisé et mis en œuvre par la FCC aux Etats-Unis, qui pourrait changer la donne et dont on n’a pas fini de parler.

L’objectif de l’organisme de tutelle et des opérateurs est double : régler en partie le problème de la pénurie de fréquences, mais aussi faciliter les connexions sans-fil à l’intérieur des bâtiments et dans les zones à très forte densité d’usagers. La question étant de savoir si ce service CBRS va disparaître dès lors que la 5G sera opérationnelle ou si elle trouvera son créneau, en complément de la 5G, qui ne sera ni gratuite, ni disponible partout.

 

CBRS, les premières fréquences partagées

Le gouvernement américain a pris une initiative très intéressante en 2018, celle d’autoriser le partage de zones de fréquences autour de 3,5 Ghz en mode CBRS (Citizens Broadband Radio Service), en fait 150 Mhz, de 3,55 à 3,70 Ghz. Partage qui s’effectue pour deux raisons. La première étant que la fameuse bande, normalement attribuée à diverses agences gouvernementales est peu ou mal utilisée, la seconde étant que la technologie de « monitoring » cellulaire a fait beaucoup de progrès ces dernières années, qui permet désormais de partager une même bande, sans provoquer de phénomènes d’interférences secondaires entre les usagers.

Cela dit, ce qui est important dans la décision de la FCC, ce n’est pas tant le service CBRS, lui-même, qui n’intéresse au fond que les usagers et opérateurs américains, mais l’idée sous-jacente à ce service. Car c’est cette idée qui va être copiée, à commencer par les européens, qui dés 2017 avait imaginé d’effectuer ce partage sur 2,3 Ghz, dans le même style que CBRS (ETSI). De même que les chinois et les japonais.

 

La FCC a prévu une organisation à trois niveaux, dont elle assure la gestion et le fonctionnement courant, pour éviter les interférences entre les usagers. Le niveau 1, le plus élevé, est celui des utilisateurs « historiques », dont il convient de maintenir le fonctionnement, par rapport aux deux autres niveaux, qui constituent la nouveauté de CBRS.

 

Une hiérarchie à trois niveaux

Pour bien mesurer l’intérêt de CBRS il faut d’abord comprendre comment il fonctionne.

La FCC a prévu que trois types d’usagers pourront coexister et se partager les 150 Mhz disponibles.

Les mieux servis seront les titulaires (« incumbent access »), ceux qui sont déjà présents sur la bande et resteront privilégiés et à qui il faut éviter toute perturbation, issue des autres services. Il s’agira des radars de la marine américaine, de quelques services de la Défense et des « locataires » depuis toujours de cette facilité, dont certains ISP (fournisseurs d’accès).

En dessous des titulaires, la FCC a prévu un service dit PAL (Priority Access Licenses), qui se positionne sur la partie basse de la bande, 100 Mhz de 3550 à 3650 Mhz. Les bandes de 10 Mhz seront attribuées aux enchères pour une durée de trois ans, non renouvelables, avec quelques contraintes en termes de licences, par utilisateurs et par entités territoriales. Il ne pourra pas y avoir, par exemple, plus de 7 licences accordées par entité territoriale (« census »), un ilot de population qui regroupe entre 1.200 et 8.000 personnes.

Le niveau le plus « bas » est celui des GAA (General Authorized Access), qui concerne des utilisateurs très divers, qui auront accès à une partie des 200 Mhz, à condition qu’elle ne soit pas déjà exploitée par un niveau supérieur.

C’est donc bien une pyramide à trois étages : les « ayant-droits » historiques qui continueront de l’être, les PAL, confinés dans 100 Mhz, à condition de ne pas interférer et les GAA.

La répartition d’usage des 150 Mhz, partageables entre les trois niveaux prévus. Parmi ceux-ci, le niveau « incumbents », reste privilégié et la FCC, via des capteurs installés sur sites, veille à ce que ses communications ne soient pas perturbées par la proximité des autres utilisateurs.

 

SAS, au centre de l’édifice

Le système CBRS fonctionne grâce à un élément essentiel du montage, le SAS (Spectrum Access System), un service implémenté dans le Cloud FCC, l’organisme de régulation américain, qui contrôle l’ensemble du service, s’assure que les fréquences restent disponibles si les niveaux élevés le demandent : « incumbent » et à un degré moindre PAL, qui peuvent en avoir besoin à tout moment et à quelque endroit que ce soit. Il fera aussi en sorte qu’il y ait toujours 80 Mhz de disponibles pour le niveau GAA et veillera à ce que les fréquences non utilisées par les niveaux élevés, soient réutilisables dynamiquement.

SAS assure d’autres fonctions, telles que l’authentification des équipements autorisés, ainsi que celle des prestataires avec lesquels ils travaillent et d’une manière générale la gestion de tout ce qui peut être utile dans le fonctionnement courant des opérations, pour éviter les interférences essentiellement.

L’inconvénient du SAS est qu’il est très lourd à mettre en place et fera réfléchir les pays qui seraient tentés d’imiter la FCC.

L’un des éléments clés du mécanisme du SAS est son sous-système ESC (« Environmental Sensing Capability »), un ensemble de capteurs positionnés dans les sites « incumbents », radars, stations satellitaires, etc, dont la mission est de constater les besoins instantanés de ces usagers privilégiés et d’adapter la politique CBRS en conséquence.

Si un capteur détecte une communication « fédérale », il active une zone de protection et indique au SAS qu’il doit « déplacer » dynamiquement les usagers sur d’autres fréquences dans l’espace mutualisé.

C’est évidemment là que le bât blesse car ce n’est pas tout d’installer des capteurs, encore faut-il les faire vivre, les maintenir, les adapter aux conditions changeantes d’exploitation, ce qui ne pourra être que très coûteux.

 

SAS est une infrastructure complexe, dont le cœur est le système ESC, un ensemble de capteurs placés « in situ » dans les installations de niveau 1, chargés de faire remonter des alertes quand les besoins des « incumbents » changent et qu’il convient de libérer les fréquences, utilisées momentanément par les niveaux PAL et GAA.

 

L’alternative Multifire

Une alternative à CBRS existe déjà, Multifire, qui peut « collaborer » avec l’infrastructure CBRS. Il s’agit d’une technologie de type LTE (4G), qui a été conçue spécifiquement pour fonctionner sur des bandes « non licenciées » et partagées. La bande retenue est le 5 Ghz, avec un potentiel de 500 Mhz partageables, dans des conditions proches de celles de CBRS.

On retrouve d’ailleurs les principaux ingrédients de CBRS : une infrastructure de gestion des sessions, des fonctions d’authentification des dispositifs concernés, mais avec une spécificité, l’identification des équipements, non pas par une carte SIM, mais par des certificats. Ce qui pourrait s’évérer très judicieux pour traiter des parcs importants de capteurs.

Pour l’instant CBRS et Multifire vivent leur vie indépendamment, avec des alliances d’entreprises distinctes, mais il serait bien étonnant que l’on n’assiste pas à un rapprochement stratégique de ces structures dans les mois à venir.

Au-delà de la pénurie des fréquences qui va s’accentuer dans le futur, CBRS va permettre aux opérateurs américains 5G de diffuser leurs services plus facilement et à moindre coût, quitte à ne plus être « propriétaires » des licences, qu’ils paient de toute façon beaucoup trop cher… Tout comme leurs collègues européens. Ce qui aurait pour conséquence de faire baisser les prix d’abonnements des usagers, à condition qu’ils « jouent le jeu ».

On pourra aussi imaginer des réseaux LTE privés plus économiques et faciles à installer, qui viendront en concurrence directe avec Wi-Fi et surtout des réseaux dédiés aux objets et capteurs, très séduisants si on les compare aux LPWAN (« Low Power WAN »), tels que Lora ou Sigfox, qui pourraient constituer d’excellentes solutions pour les maisons ou les usines « intelligentes ».

Si l’on se tourne vers le futur, on se dit qu’il n’y a pas de raison de ne pas étendre le concept à d’autres bandes de fréquences, qui pour des raisons variées, pourraient être mal ou peu utilisées. Tant il est vrai qu’entre 1 et 100 Ghz, on voit bien qu’il y a des espaces sur lesquels on n’ose pas s’aventurer, sous prétexte qu’ils sont détenus par des « intouchables », militaires surtout, mais qui seraient bien utiles, s’ils étaient mieux exploités…

On peut aussi imaginer d’étendre les bandes mutualisées, bien loin des 150 MHz de CBRS, voire d’utiliser des espaces non contigus, comme cela se fait maintenant avec la 5G.

A vrai dire, l’idée va cheminer et il serait étonnant que le concept de partage, suggéré et mis en œuvre avec CBRS, ne soit pas suivi et copié par d’autres pays qui ont à faire face à cette quadrature du cercle qu’est devenue l’attribution des fréquences mobiles.

Ce qui ne veut pas dire que ce sera une « déferlante », car le SAS et son infrastructure de capteurs ESC est aujourd’hui un handicap, pour lequel il faudra trouver des alternatives plus légères, si l’on veut que le concept perdure et se développe. Sans oublier que les équipements doivent être compatibles et que cela passe par la prise en compte des mécanismes CBRS dans les circuits (Qualcomm…) et la compatibilité des smartphones et autres équipements sans fil.

Voilà en tout cas de quoi méditer et se poser quelques questions…