4.3.1 Considérations sur l’exposition aux sources proches (téléphones mobiles)
L'optimisation des structures rayonnantes (antennes) 5G et de l'électronique radiofréquence associée est un enjeu important pour la conception des téléphones mobiles, compte tenu du nombre d'antennes devant y être intégrées pour couvrir une grande bande de fréquences, même si des antennes planaires large bande ont été développées au fil des années. Il faut en effet que les liaisons Wi-Fi, Bluetooth, 2G à 5G puissent être assurées. De plus, pour exploiter au mieux les techniques MIMO, l'antenne 5G du portable, comme celle de la 4G, doit comporter au moins 2 éléments rayonnants. L’exposition des personnes aux ondes électromagnétiques rayonnées par toutes ces antennes est encadrée réglementairement. En particulier, le débit d’absorption spécifique (DAS) propre à chaque modèle de téléphone doit
123 En France, l’ARCEP a pris une décision fixant un format de trame harmonisée pour assurer la synchronisation des réseaux terrestres dans la bande 3,4 – 3,8 GHz. Décision n° 2019 0862.
être inférieur aux valeurs limites réglementaires, dans des conditions de mesure normalisées pour les usages proches de la tête, du tronc et des membres. Le DAS maximal est de 2 W/kg pour la tête et le tronc et de 4 W/kg pour les membres (cf. paragraphe 4.1.2.3).
Les travaux menés sur l'exposition aux téléphones mobiles par de nombreuses équipes de recherche, notamment universitaires, que ce soit pour la 4G ou la 5G, ont notamment porté sur la définition de différentes structures d'antennes pour minimiser le DAS et assurer le maximum de rayonnement de l'antenne vers l'espace libre. Les modélisations numériques tridimensionnelles permettent le calcul du DAS en tout point du corps proche de la source en fonction de la position du téléphone et de son orientation. Pour une configuration MIMO, le DAS est calculé pour toutes les combinaisons de phase des signaux alimentant les différentes antennes de manière à évaluer le pire cas et vérifier que ce DAS reste inférieur aux valeurs limites applicables.
Comme pour la 4G, il sera intéressant de comparer le DAS des différents téléphones mobiles 5G lorsqu'un nombre suffisant d'entre eux seront mis sur le marché. De plus, quand le réseau 5G sera pleinement opérationnel, des mesures in-situ permettront d'évaluer la variation de l'exposition en fonction du type de cellule, micro ou macro124, et de l'usage comme la voix ou l’échange de données. Cet aspect a été traité pour la 4G, par exemple par Mazloum (Mazloum et al., 2019).
4.3.2 Principes généraux de la mesure de l'exposition aux stations de base En présence de plusieurs sources de rayonnement, qui peuvent s'étendre par exemple de la radio FM à la 5G, deux approches sont possibles pour évaluer le niveau d'exposition correspondant.
1re procédure : mesure du champ électrique total
Le champ électrique total Etotal est mesuré directement grâce à un capteur associé à un
« exposimètre » très large bande, l'ensemble couvrant donc toute la bande de fréquences dans laquelle se situent les sources d'émission, par exemple entre 700 MHz et 2,4 GHz. Dans certains documents et notamment dans le protocole édité par l'ANFR, ce type de mesure est dénoté « cas A125 ».
2de procédure : évaluation détaillée de l'exposition
Dans cette approche, dite « cas B », on mesure séparément les champs Ei dans les différentes bandes d'émission associées aux « services », comme par exemple le champ E1 dû à la FM, puis E2 dû à la 2G autour de sa fréquence porteuse, etc. La bande passante de l'appareil de mesure est ajustée successivement pour correspondre à la bande utilisée par chacun de ces services. Si on souhaite obtenir la puissance totale due à l'ensemble des bandes émises, on somme les puissances reçues et donc le carré des champs mesurés :
(Etotal)² = (E1)²+ (E2)²+ (E3)²+… (1)
Cette procédure de mesure permet tout d'abord de vérifier qu'une émission particulière ne dépasse pas la valeur maximale autorisée El,i, valeur qui dépend de la fréquence comme le montre la Figure 21.
124 À titre d'ordre de grandeur, une micro cellule en milieu urbain couvre une zone inférieure à 500 m autour de la BS et une macro cellule au-delà de cette distance. Cependant, il n'y a pas de définition précise des tailles de cellules car cela dépend fortement du type d'environnement (dense, semi-rural ou rural par exemple).
125 ANFR, Protocole de mesures, DR 15-4.1, Oct. 2019.
Figure 21 : Valeurs limites d’exposition réglementaires en France - décret n° 2002-775 du 3 mai 2002126
De plus, pour assurer la conformité aux valeurs limites réglementaires, pour les fréquences d'émission supérieures à 100 kHz, il faut également s'assurer que l'inégalité (2), fondée sur la somme des puissances normalisées, soit vérifiée 127.
(2)
avec = 87/ , la fréquence fi étant exprimée en MHz, la quantité c ayant comme unité le V/m.
Comme précisé dans le protocole de mesure de l’ANFR, cette évaluation détaillée de l'exposition doit être menée notamment si le résultat d'une mesure directe large bande est supérieur ou égal à 6 V/m, cette valeur ayant été choisie car elle dépasse substantiellement le niveau de champ moyen observé à l'échelle nationale française (de l’ordre de 0,8 V/m). Le point de mesure correspondant est appelé « atypique » par l'ANFR.
4.3.3 Mesures régulières de l'exposition due aux stations de base en France En des points particuliers, choisis en extérieur ou à l'intérieur des bâtiments, la mesure en point fixe permet de réaliser des enregistrements sur des périodes de 6 minutes. À l'échelle nationale, de telles mesures sont effectuées par l'ANFR, et les résultats sont publiés sur un site internet128. Le site Cartoradio, accessible aussi en version mobile, permet en particulier
« d'identifier l'emplacement d'antennes radioélectriques, d'obtenir des informations sur les services qu'elles portent, et de connaître, pour des emplacements donnés, des résultats de mesures de champ électromagnétiques synthétisés dans une fiche de mesures ».
Avec l'arrivée de la 5G, il est important de connaitre l'impact de celle-ci sur le champ total en fonction de son déploiement, mais surtout en fonction de l'évolution du nombre de téléphones mobiles connectés en 5G. Fin 2020, l'ANFR a ainsi mis en place dans les villes de Bordeaux,
126 Figure extraite du rapport ANFR Etude de l’exposition du public aux ondes radioélectriques (Mai 2020).
127 https://www.anfr.fr/fileadmin/mediatheque/documents/expace/Protocole-mesure-15-4.1.pdf.
128 https://www.cartoradio.fr.
Marseille, Nantes, Paris et Mulhouse un dispositif de mesure grâce à des capteurs implantés dans des lieux très fréquentés, en hauteur, placés à environ 100 m d’antennes 5G non encore activées. Ce dispositif sera étendu à d'autres villes. Les capteurs large bande mesurent, une dizaine de fois par jour, le niveau de champ électrique total dans une bande s'étendant de 80 MHz à 6 GHz, incluant donc la radio FM, le Wi-Fi et toutes les technologies de téléphonie mobile.
Les résultats de mesure en temps réel sont disponibles depuis fin décembre 2020 sur le site de l'ANFR129. Un exemple est donné sur la Figure 22.
Figure 22 : Exemple d'enregistrement du champ total mesuré en un point fixe de Nantes
4.3.4 Mesures de l’exposition due aux stations de base sur des réseaux 5G opérationnels (Royaume-Uni, Suisse et Corée du sud) ou en cours de déploiement (France)
4.3.4.1 Mesures effectuées au Royaume-Uni
Des mesures ont été effectuées par l'organisme régulateur des services de télécommunications du Royaume-Uni (Office of Communications – Ofcom) sur 22 sites du pays, et notamment à Londres, Belfast et Cardiff. L'objectif était d'évaluer le niveau d'exposition au voisinage des BS, un résumé succinct en a été publié (OFCOM, 2020). Les zones sélectionnées sont celles où on peut s'attendre à un usage important de la téléphonie mobile, comme des hubs de transport ou des centres commerciaux. Dans ces zones, la 5G est en cours de développement et coexiste avec les réseaux 2G, 3G et 4G.
Les relevés ont été faits dans l'intervalle de fréquences 420 MHz – 6 GHz, grâce à un mesureur de champ connecté à une sonde omnidirectionnelle placée à une hauteur de 1,5 m au-dessus du sol, la technique de mesure étant indiquée dans le rapport de l’Ofcom (OFCOM, 2020). À partir de ces relevés, moyennés sur une période de 6 minutes, en accord avec les recommandations de l’Icnirp (Icnirp, 1998), le champ électrique moyen a été calculé, soit pour chacune des sources potentielles de rayonnement, soit sur toute la largeur de bande. Il faut noter qu'une seule période de 6 minutes a été envisagée, ce qui ne permet évidemment pas de connaitre l'évolution de l’exposition au cours du temps, comme une journée.
Les résultats mentionnés dans ce rapport indiquent que la contribution principale à l'exposition du public provient de l'ensemble des réseaux des générations précédentes. L'exposition due à la totalité des émetteurs ne dépasse pas 1,5 % des valeurs limites recommandées par l’Icnirp
129 https://www.anfr.fr/controle-des-frequences/exposition-du-public-aux-ondes/la-mesure-de-champ/observatoire-des-ondes/.
(10 W/m2). Si on envisage la bande 5G seule, ce niveau maximum relatif n'est plus que de 0,04 %.
Il faut noter que ce rapport de mesures ne donne pas d'information sur le nombre possible d'UE dans ces zones, ni sur les caractéristiques des BS 5G. Il est indiqué que les mesures ont été faites « au voisinage » de BS, mais sans autre précision sur l'intervalle de distance entre les points de mesure et ces BS. Les valeurs qui viennent d'être mentionnées ne peuvent donc donner qu'un ordre de grandeur des champs moyens dans une zone urbaine, et uniquement en l'état actuel de déploiement de la 5G. Lorsque celui-ci aura été mené à son terme, l'Ofcom prévoit d'effectuer d'autres mesures afin d'obtenir une meilleure représentativité des résultats.
4.3.4.2 Mesures effectuées en Suisse
Des campagnes de mesure ont été effectuées (Aerts, 2021) récemment sur un réseau 5G opérationnel à Berne (Suisse), au voisinage de 4 stations de base (MIMO massif). La plupart des points de mesure se situaient à une distance de 100 à 400 m d'une station de base et dans des conditions de visibilité directe. À l'exception de 2 mesures réalisées sur un toit de bâtiment, le récepteur était placé au niveau du sol, à une hauteur de 1,90 m. La puissance d'émission était au maximum de 8 W, la bande passante étant de 100 MHz. Les résultats obtenus ont ensuite été extrapolés pour une puissance de 200 W correspondant à la puissance maximum usuelle d'une station 5G. La technique de mesure adoptée présente de nombreuses similitudes avec celle décrite dans le paragraphe précédent, le champ ayant par exemple été évalué en maximisant le débit vers un UE pour atteindre, en principe, 100 % des capacités de la station de base. Il en résulte que le champ maximum est d'environ 4 à 5 V/m, valeur proche des 6 V/m mentionnée précédemment et obtenue par l'ANFR dans une configuration voisine.
4.3.4.3 Mesures effectuées en Corée du sud
Début avril 2019, les trois opérateurs historiques KT, SKT et LGU+ ont activé leur réseau 5G en Corée du sud. Afin d'avoir une vue d'ensemble de l'exposition en ville et en zone rurale, des campagnes de mesures ont été effectuées par la société Cetim, à la demande de l'Ineris130 (Institut national de l'environnement industriel et des risques), suite à une consultation préalable de l'ANFR pour mettre au point les méthodes de mesure. Les valeurs de champ mesurées et toutes les informations qui sont indiquées ci-dessous sont extraites du rapport Cetim (Cetim, 2019).
Les fréquences d'émission de la 5G sont comprises entre 3,42 et 3,70 GHz et la bande passante allouée aux opérateurs est de 100 MHz, sauf pour LGU+, cette bande étant de 80 MHz. Le nombre de stations KT 5G déployées sur tout le territoire est de 38 999 dont 9 878 à Seoul (hors agglomération) à la date du rapport.
Des campagnes de mesures, notamment à Séoul et à Naji, ont été menées dans divers types d'environnement :
une zone commerciale urbaine dense, comprenant entre autres une zone d'affaires et une partie souterraine ;
une zone urbaine avec un quartier commercial, un parc et une zone résidentielle ;
une zone rurale avec des parties commerciales, administratives et résidentielles.
130 Le Ministère de la transition écologique et solidaire a commandé à l’Ineris une étude visant à caractériser l’exposition des personnes aux rayonnements émis par les nouveaux réseaux 5G, dans un contexte d’exploitation commerciale déjà effective.
De plus, d'autres enregistrements ont été effectués soit sur des voies urbaines, le trajet couvrant dans ce cas l'ensemble du centre de l'agglomération de Séoul, soit sur une voie extra urbaine, reliant le centre de Séoul à l'aéroport.
En se déplaçant au sein de ces diverses zones, les enregistrements ont été effectués durant environ 2 h, la fréquence d'échantillonnage étant de 1 point toutes les 3 ou 5 s. À cette fin, 2 exposimètres couvrant la bande 88 MHz – 5 GHz ont été utilisés et programmés pour différencier les types d'émission et mesurer le champ moyen reçu dû à chacun d'eux, de la modulation de fréquence (FM) à la 5G. Les résultats ci-dessous ont été obtenus avec l'exposimètre « Fields at Work / ExpoM-RF ». Le Tableau 14 résume les niveaux mesurés soit sur la 5G seule dans la bande 3,4 – 3,6 GHz, soit sur l'ensemble de la bande de fréquences prenant en compte la totalité des services : GSM, UMTS, LTE, 5G, etc. (« Niveau moyen global »). Rappelons que les niveaux maximums de champ précisés par l'Icnirp pour l'ensemble des bandes sont indiqués sur la Figure 21, ce niveau étant de 61 V/m pour la bande 3,4 – 3,6 GHz.
Tableau 14 : Valeur des champs électriques obtenus dans différentes zones ou sur les trajets concernés
Niveau moyen 5G (V/m)
Niveau moyen global (V/m)
Niveau maximum 5G (V/m)
Zone urbaine dense 0,14 1,8 2,1
Zone urbaine 0,02 0,5 0,3
Zone rurale 0,02 0,3 0,8
Trajet urbain 0,05 0,8 1,5
Trajet extra urbain 0,02 0,3 0,5
Les zones sont définies suivant la surface bâtie et non suivant la densité de population. Source : Rapport Cetim.
Le rapport du Cetim fournit également des résultats concernant la répartition des champs mesurés en fonction des services, qui montrent que la contribution de la 5G à l'exposition totale est loin d'être majoritaire. Signalons enfin que d'autres enregistrements ont été menés sur des lignes ferroviaires ou sur des trajets en voiture et en bus. Les résultats sont du même ordre de grandeur que ceux décrits précédemment.
Il faut cependant souligner que ces résultats ne donnent qu'un ordre de grandeur des champs mesurés dans les diverses zones et ne sont pas extrapolables à d'autres sites. En effet, la puissance des émetteurs, leurs distributions, les distances relatives entre les différentes BS et les points de mesure sur le trajet suivi par le système d'enregistrement, ne sont pas précisées.
De plus, le niveau moyen 5G s'avère très nettement inférieur à celui dû à la 4G et au GSM, mais aucun commentaire ni explication, basée par exemple sur une comparaison entre les densités de trafic en 4G et en 5G, ne figurent dans le rapport.
4.3.4.4 Mesures sur des sites 5G non encore pleinement opérationnels en France
Dans le cadre des expérimentations pilotes pour le déploiement de la 5G autorisées par l'Autorité de régulation des communications et des Postes, des mesures d’exposition ont été réalisées par l'Agence nationale des fréquences (ANFR 2019b, ANFR 2020c) sur un certain nombre de sites radioélectriques avec divers opérateurs, constructeurs, et types d’antennes.
Elles ont été menées dans les villes de Pau, Marseille, Lille, Douai, Bordeaux, Lyon, Nantes, Rouen, Saint-Ouen et Toulouse et dans lesquelles Orange, Bouygues Telecom et SFR effectuent les premiers déploiements pilotes dans la bande 3,4 GHz – 3,8 GHz. Les réseaux d'antennes des BS permettent souvent de réaliser 64 antennes en émission (T) et 64 en réception (R), et sont notés 64T64R. Quelques réseaux 32T32R et un seul 8T8R ont aussi été déployés.
Dans tous les cas, les niveaux de champ ont été évalués en valeur moyenne sur 6 minutes.
On envisagera successivement les configurations suivantes :
configuration sans trafic ;
configuration avec trafic continu dans un faisceau bloqué ;
configuration de transfert de fichiers dans une direction donnée.
Les résultats mentionnés ci-dessous sont extraits du rapport ANFR (ANFR 2020c)131. 4.3.4.4.1 Configuration sans trafic
Il faut d'abord noter qu'avant la mise en route des antennes 5G, aucune émission dans la bande n’a été détectée : les niveaux ont en effet été mesurés à moins de 0,01 V/m, bien inférieurs à 0,05 V/m, seuil fixé dans le protocole de l'ANFR pour définir une émission significative.
Après mise en route mais sans trafic, les seuls signaux émis durant cette phase de
« signalisation » correspondent aux blocs SSB envoyés périodiquement par la BS, ainsi que quelques signaux de référence. Le nombre de faisceaux générés par la BS dans cette phase préliminaire est compris entre 1 et 8, ce nombre étant variable suivant les opérateurs et les sites. Le balayage total de la zone de couverture s'effectue en moins de 2 ms et avec une périodicité de 20 ms.
Le niveau moyen de champ électrique mesuré sur 6 minutes, à des distances variant de 35 m à 200 m de la BS sur les 100 MHz de bande de fréquences des émetteurs, se situe entre 0,01 V/m et 0,6 V/m suivant les sites.
4.3.4.4.2 Configuration avec trafic continu dans un faisceau bloqué
Au moment des tests, les BS 5G n’étant pas ouvertes aux abonnés des opérateurs, le trafic a été généré grâce à l'utilisation d'un mode test de la BS et, notamment, d'un équipement mobile de test en réception (CPE pour Customer Premises Equipment).
Dans cette première configuration, la BS envoie un flux de données constant et de façon continue, dans une direction donnée où les mesures de champ sont effectuées. Soulignons que, pour un réseau 5G opérationnel, la probabilité d'occurrence de cette configuration est très faible car cela supposerait que toutes les ressources temps-fréquence de la BS soient utilisées en continu pour un lien descendant à débit maximum dans un seul faisceau. Ceci implique qu'il n'y ait, sur toute la zone couverte par la BS, qu'un seul utilisateur, ou qu'un groupe d'utilisateurs suffisamment près les uns des autres pour que la BS ne puisse utiliser des faisceaux différents pour communiquer avec chacun d'eux.
La liaison étant en mode TDD, il y a des intervalles de temps prévus pour la liaison montante, même si ceux-ci ne sont pas utilisés, et donc durant lesquels aucun signal n'est envoyé par la
131 ANFR, 2020c. "Evaluation de l'exposition du public aux ondes électromagnétiques 5G. Volet 2 : premiers résultats de mesures sur les pilotes 5G dans la bande 3400-3800 MHz." Rapport ANFR disponible en ligne.
BS. Dans les différentes configurations qui ont fait l'objet de test, environ ¼ du temps est réservé pour ces liaisons.
- Champ au voisinage immédiat du terminal de réception
Sur l’ensemble des sites considérés, sauf pour une configuration où le terminal CPE était à l'intérieur d'un bâtiment, les mesures du champ électromagnétique réalisées par l'ANFR ont été menées en extérieur, à une hauteur de 1,5 m au-dessus du sol, la BS étant située en visibilité directe du récepteur. Tous les détails précisant la configuration géométrique des essais sont donnés dans (ANFR 2020c). À titre indicatif, mentionnons que les antennes des BS se situent à des hauteurs comprises entre 8 m et 45 m, la distance entre le CPE et la BS étant, dans la plupart des cas, de l'ordre de 120 m.
Pour les mesures ponctuelles qui ont été effectuées, les niveaux de champ électrique mesurés en extérieur et à proximité du CPE et sur différents sites sont compris entre 6 V/m et 9 V/m, pour une transmission sur 100 MHz de largeur de bande et une puissance maximale injectée dans l'ensemble des antennes d'un réseau de l'ordre de 200 W. Pour déterminer la puissance émise dans une direction particulière, il faut multiplier la puissance par le gain du réseau dans cette direction. Sur un site particulier, des niveaux plus faibles ont été obtenus et cela peut s'expliquer par les caractéristiques du faisceau de trafic, comme le gain du réseau, et dont la gestion est au libre choix de l'opérateur.
Toutes les mesures de champ réalisées avec un faisceau bloqué décrites dans le rapport de l’ANFR ont été menées dans 100 MHz de largeur de bande, à l'exception d'une seule situation particulière (mesures en dehors de l'axe de l'antenne sur le site de Mérignac) pour laquelle la bande a été ramenée à 50 MHz, en raison d’une limitation en réception du CPE utilisé lors de ce test.
- Variation du champ autour du CPE (Customer Premises Equipment)
- Variation du champ autour du CPE (Customer Premises Equipment)