Etude comparée : consommation énergétique d’un déploiement 4G vs 5G

La forte croissance du trafic sur les réseaux mobiles et la démultiplication des usages s’accompagnent de questionnements sociétaux sur l’impact environnemental du numérique et des réseaux.

En 2020, l’Arcep a initié une plateforme de travail « Pour un numérique soutenable » avec l’ensemble des parties prenantes :  associations, institutions, opérateurs, entreprises du numérique, personnalités intéressées - qui ont été appelées à contribuer aux ateliers régulièrement organisés.

Dans ce contexte, et en complément des travaux menés dans le cadre de cette plateforme, le comité d’experts techniques sur les réseaux mobiles, - mis en place en 2018 et chargé d’apporter une expertise technique à l’Arcep sur les problématiques relatives aux réseaux et technologies mobiles - a souhaité mener une étude comparant la consommation énergétique engendrée par le scénario en cours de déploiement de réseaux 4G et 5G (dans la bande 3.5 GHz), avec celle engendrée dans un scénario de déploiement de la 4G seule.

Cette étude apporte un éclairage sur l’impact énergétique du déploiement de la 5G.

Ses enseignements se limitent uniquement à la phase d’utilisation de la technologie dans les réseaux d’accès mobile et aux émissions gaz à effets de serre (GES) associés. Ils n’ont pas vocation à renseigner de manière exhaustive sur tous les impacts de cette technologie, qui nécessiterait une analyse complète du cycle de vie du déploiement de la 5G, comprenant non seulement la phase d’utilisation, mais aussi la phase de fabrication et la phase de fin de vie.

Cette étude a pour objet de dresser une analyse comparative « toutes choses égales par ailleurs » entre deux scénarios de déploiement pour les services très haut débit mobile. Ainsi, elle prend comme hypothèse une projection de croissance tendancielle de la consommation des données mobiles. Elle ne prend pas en compte les effets d’accélération de cette croissance dus au gain technologique de la 5G (effet rebond) qui sont difficilement quantifiables.

Cette étude vise à apporter un éclairage supplémentaire aux décideurs publics, mais aussi aux citoyens intéressés, sur ces questionnements et notamment sur l’impact carbone de l’utilisation des réseaux mobiles. Elle s’adresse également aux experts techniques en proposant une méthodologie d’analyse robuste, détaillée en annexe de l’étude : cette méthodologie est basée sur un exercice de dimensionnement des réseaux mobiles, qui consiste à estimer – sur la base de règles d’ingénierie - le besoin en équipements constitutifs et le type d’équipements appropriés pour satisfaire les besoins de chaque scénario. Cette étude s’appuie sur les recommandations de modélisation qui font autorité dans ce domaine, notamment celles de l’Union Internationale des Télécommunications (UIT) et l’Institut européen des normes de télécommunications (ETSI).

La comparaison consiste en une projection jusqu’en 2028 de la consommation électrique (en kWh) et des émissions GES correspondantes, sur une même zone géographique constituée par la couverture d’un site radio 4G en 2020, selon les deux hypothèses suivantes :

• Scénario « 4G seule » : toutes les extensions et les nouvelles stations de base (antennes) nécessaires pour répondre à l’augmentation du trafic sont réalisées en 4G.
• Scénario « 4G+5G » : la 5G en bande 3,5 GHz est ajoutée pour répondre à l’augmentation du trafic. Suivant les types de déploiement, le matériel utilisé pour la 4G peut être rénové.

Dans cette étude, la 5G dans la bande 3,5 GHz est donc évaluée quand elle est déployée pour des raisons essentiellement capacitaires, pour couvrir des poches de trafic ou pour se conformer à des considérations règlementaires. Il est envisagé ici de déployer la 5G dans la bande 3,5 GHz comme support des services très haut débit mobile (eMBB ou enhanced Mobile Broadband), qui requiert un débit de plus en plus élevé, comme le streaming ou l’accès Internet très haut débit par exemple. Les opérateurs pourront également déployer la 5G pour d’autres objectifs, comme fournir de nouveaux services à des acteurs verticaux (usine connectée, usages critiques etc.) ; néanmoins, ces nouveaux services ne sont pas évalués dans le cadre de cette étude qui compare la 4G et la « 4G+5G » sur un même niveau de service.

Les scénarii sont déclinés sur 3 types de déploiement (A, B et C) sélectionnés depuis les zones les plus densément peuplées jusqu’aux zones les moins denses.

Les 3 types de déploiement considérés sont représentatifs des possibilités de déploiement de la 5G en bande 3,5 GHz en France; cependant, en raison de la diversité et de la complexité d’un réseau à l’échelle nationale, les résultats présentés ne peuvent pas être directement extrapolés à un réseau complet.

Dans un premier temps, dont la durée dépend des différents scénarios d’introduction, la 5G engendre une augmentation de la consommation énergétique.

Par la suite, le déploiement de la 5G permettrait de réaliser au total (à horizon 2028), par rapport à un scénario de densification des réseaux mobiles via la 4G seule :

• des économies d’énergie : jusqu’à 10 fois la consommation énergétique réalisée en 2020 ;
• une réduction des GES correspondantes : jusqu’à 8 fois les émissions GES réalisées en 2020.

Après une dégradation momentanée de l’efficacité énergétique à la suite de l’introduction de la 5G, le ratio d’efficacité énergétique entre les deux scénarii revient à l’équilibre et l’efficacité du scénario 4G+5G dépasse, au fur et à mesure de l’augmentation du trafic, celle du scénario 4G seule.

Dans les zones plus densément peuplées, qui nécessitent un déploiement à forte demande de trafic (type A et B), les gains calculés dans le cadre de cette étude (énergie, GES et efficacité énergétique) sont effectifs en 2023 au plus tôt, et sont manifestes à horizon 2028.

Dans les zones moins denses, de déploiement à faible densité de trafic (type C), des gains, quasi inexistants, n’apparaissent au plus tôt qu’en 2025 et au plus tard en 2028.

L’étude montre par ailleurs une forte sensibilité des résultats au taux de croissance du trafic, identifié parmi les éléments les plus structurants sur la dynamique des scénarii.

Différents leviers supplémentaires non pris en compte dans cette étude pourraient contribuer à maitriser davantage la consommation énergétique dans un scénario de déploiement 5G par rapport à un déploiement 4G seule. Parmi ces leviers, figurent notamment l’activation de fonctionnalités avancées de mise en veille des réseaux, ainsi que les leviers qui permettraient d’améliorer l’efficacité énergétique en augmentant les performances en débit.