Efficacité spectrale comparée de la 4G et de la 5G
La 5G intègre des évolutions permettant de réduire la quantité de ressources radio non directement allouée au transport des données utilisateurs.
Des bandes de garde radio réduites : Ces bandes de gardes permettent en général de protéger les réseaux adjacents en fréquence contre les interférences au prix d’une diminution de la quantité de ressources radio utilisables par l’usager final.
En 4G, les bandes de garde représentent 10% de la bande passante maximale de 20MHz, soit 2 MHz. De plus, pour obtenir une bande équivalente de 100MHz, il faudrait agréger 5 bandes de 20MHz, modulées indépendamment afin de conserver la compatibilité avec les terminaux plus anciens, et donc agréger également les bandes de garde de 2MHz évoquées précédemment. Ce qui donnerait au total 10MHz de spectre non exploitable !
En 5G, ces bandes de garde sont significativement réduites en comparaison des générations précédentes grâce aux progrès technologiques sur le filtrage de bande, leur largeur dépend de l’espacement entre les sous-porteuses OFDM et de la largeur de bande totale. Ainsi, pour une bande de 100MHz et un espacement entre sous-porteuses de 30kHz , on obtiendra deux bandes de garde de 845kHz, soit 1,7MHz au total. Significativement moins élevé que les 10MHz de spectre non exploitables de la 4G !
Comparaison entre les bandes de gardes 5G et 4G
Surcharge de signalisation réduite : Dans un réseau cellulaire, les ressources radio sont allouées par le réseau aux terminaux sous couverture, sur la base de métriques radio associées au canal de propagation, et de la qualité de service visée pour chacun des usagers. Ce mécanisme d’allocation requiert une communication, sous la forme de messages de signalisation, entre le réseau et les terminaux et utilise lui aussi des ressources de facto non exploitables pour le trafic usager.
En 4G, ces messages de signalisation consomment systématiquement 3 symboles OFDM dans chaque sous-trame radio de 1ms comprenant 14 symboles OFDM. Ainsi, en 4G, le mécanisme d’allocation de ressources radio consomme 5 x 3 symboles OFDM toutes les 5ms = 14 x 5 = 70 symboles OFDM. En 5G, un mécanisme d’agrégation permet de transmettre ces messages de signalisation moins souvent. Ainsi, en considérant une agrégation de 5 slots et un espacement entre sous-porteuses OFDM de 30kHz comme précédemment, le mécanisme d’allocation de ressources consomme 2 x 3 symboles OFDM toutes les 5ms = 2 x 14 x 5 (slots) = 140 symboles OFDM. La surcharge de signalisation induite en 4G représente donc environ 20% de la capacité totale contre 4% en 5G.
Réduction de la surcharge de signalisation entre la 4G et la 5G
En conclusion, le gain d’efficacité spectrale obtenu permet, en 5G, des débits significativement plus importants qu’en 4G. Les débits résultants théoriques que l’on peut calculer au niveau de la couche physique en prenant en compte les différences énoncées ci-dessus sont ceux figurant dans le tableau ci-dessous.
