Antenne-relais de téléphonie mobile
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Une antenne-relais de téléphonie mobile (aussi appelée station de base ou site radio) est un émetteur-récepteur de signaux radioélectriques pour les communications mobiles qui convertit des signaux électriques en ondes électromagnétiques (et réciproquement).
Le terme « antenne-relais » désigne fréquemment les antennes de téléphonie mobile, car elles constituent (associées aux émetteurs) la base des réseaux cellulaires et elles sont très nettement le type d'antenne-relais le plus répandu.
Les premières antennes-relais apparurent dans les années 1950, en France en 1956 avec le premier système de téléphone dans des véhicules (système rudimentaire avec opératrices). Les premières antennes-relais du premier réseau mobile français sont installées en 1985, il s’agissait du système Radiocom 2000.
Jusqu'à l’apparition des réseaux 3G, 4G puis 5G, les antennes-relais implantées étaient des BTS (réseaux GSM et EDGE 2G). Depuis le début des années 2000, les opérateurs ont installé de nouvelles stations plus performantes : les Node B (pour les réseaux UMTS et HSDPA) (3G), les eNode B (pour les réseaux LTE) (4G) et les gNode B (pour les réseaux 5G). Ces dernières, en plus de permettre la téléphonie mobile, offrent un débit plus élevé permettant notamment la connexion à Internet à partir de terminaux mobiles (smartphones, ordinateurs portables, clés dite 3G ou 4G) ou fixes (box 4G et 5G, objets connectés).
Les antennes-relais sont aussi appelées antennes cellulaires[1] au Québec, ou par abus de langage antennes GSM. Elles sont connectées au cœur du réseau mobile par des liens logiques IP. Ceux-ci peuvent transiter sur des faisceau hertzien, des fibres optiques, des liaisons satellitaires ou des câbles téléphoniques.
En 2006, selon l'Organisation mondiale de la santé, on dénombrait 1,4 million de stations de base à travers le monde[2], mais ce sont au moins 10 millions d’antennes relais 4G et 5G (radio base station) qui doivent être déployées de 2010 à 2025 selon Frédéric Bordage de GreenIT.fr (entité qui fédère les acteurs du numérique responsable depuis 2004 en France et en Europe), ce qui contribue à l'impact environnemental du numérique[3].
Les antennes-relais font essentiellement référence à l’univers de la téléphonie mobile. Le téléphone mobile permet de transformer la voix en champs de radiofréquences (onde radio) et les antennes-relais réceptionnent le signal électromagnétique (ondes radios) pour en faire un signal électrique. Ce signal peut alors circuler dans des câbles ou, après une seconde conversion, dans des fibres optiques (réseaux 4G). On parle de téléphonie cellulaire, parce que chaque antenne couvre une portion de territoire, constituant une cellule.
Sans ces émetteurs-récepteurs (bi-directionnels) que sont les antennes-relais, la téléphonie mobile ne serait pas possible.
On distingue principalement 4 catégories d’antenne[4] :
- Les antennes femtocell : couverture résidentielle (une dizaine de mètres)
- Les antennes picocellulaires : couverture de proximité (quelques dizaines de mètres)
- Les antennes microcellulaires : couverture réseau de quelques centaines de mètres (gare, centre commercial) ; elles sont parfois appelées « metro cells » (cellules métropolitaines).
- Les stations macrocellulaires : les plus visibles ; on les trouve généralement placées sur des supports de 12 à 50 mètres de hauteur, tels que des pylônes, des bâtiments, des toits d’immeubles.
Dans les antennes-relais micro et macrocellulaires, on retrouve généralement 3 sous-ensembles : les antennes (généralement accompagnées des modules radio en 4G et en 5G), l’armoire technique (BTS, Node B ou eNode B) et le coffret d’alimentation électrique. Ces deux derniers sont généralement localisés dans une armoire ou un local séparé (shelter). Une puissance électrique allant de quelques dizièmes à quelques centaines de Watt est appliquée à chaque antenne.
En milieu rural, ces antennes émettent pour couvrir des étendues de 5 à 30 kilomètres (la surface couverte étant plus grande, chaque utilisateur dispose de moins de débit), alors qu’en milieu urbain plus densément habité, la zone de couverture est d'environ 500 m pour Paris et de 1 000 à 2 000 m pour des villes moins denses comme Poitiers ; la puissance d'émission est répartie sur les bandes de fréquences dont dispose chaque opérateur.
Dans les pays en voie de développement, le réseau de téléphonie mobile est généralement plus complet que l'infrastructure électrique. Ainsi, en Afrique en 2015, 138 millions d’utilisateurs de téléphones portables n'ont pas accès à un réseau électrique[5]. Cette différence de développement dans les réseaux pose le problème de l'alimentation des antennes dans ces marchés en croissance. Pour accompagner la transition énergétique des générateurs diesel aux énergies renouvelables, il est peu à peu mis en place des solutions hybrides, alliant l'énergie solaire et les groupes électrogènes, voire des tours autonomes grâce à l'énergie éolienne[6].
Champs électromagnétiques générés
Répartition spatiale
La structure des antennes utilisées (antennes panneaux multi-éléments) concentre l'énergie selon des directions précises. Celles-ci peuvent être passives ou actives.
Les antennes passives émettent le plus souvent dans un plan horizontal sur 120 degrés, et dans le plan vertical selon un lobe principal de 6 à 8 degrés de hauteur avec un gain 17 à 18 dbi et des lobes secondaires en dessous de celui-ci avec des gains de 0 à environ 8 dbi[7].
Soit des coefficients de concentration de la puissance émise (PIRE) variant de 50 à 63 pour les lobes principaux, et entre 4 et 9 pour les lobes secondaires.
L'inclinaison de l'axe du lobe principal dans le plan vertical s'appelle le tilt, et peut le plus souvent être réglé électriquement à distance (Remote Electrical Tilt). Sur une antenne active, la direction du lobe de transmission peut également être dirigée dans la plan horizontal, afin de diriger le signal vers un ou plusieurs utilisateurs (Beamforming)
Évolution dans une direction
Le champ électromagnétique généré par les antennes relais pour l'exposition des habitations sont pris en compte à des distances de l'antenne supérieures à plusieurs fois la longueur d'onde, il s'agit de champ lointain ou zone de diffraction de Fraunhofer selon la dénomination scientifique.
En champ lointain, les champs électriques (E) et magnétiques (H) sont liés et décroissent linéairement, la connaissance du seul champ électrique permet de calculer une densité surfacique de puissance.
Les champs électriques et magnétiques décroissent en 1/d et la densité de puissance P en 1/d2 en champ lointain.
P en watts, d en mètres, E en volts par mètre (V/m).
Exemple de mesure officielle à Antibes, site Cartoradio[8] : 11,8 V/m à 30 mètres d'une antenne tri-bande, ce point de mesure (terrasse) étant en plein dans le lobe principal d'émission.
Réglementations des antennes-relais de téléphonie mobile en France
Toute implantation d’une antenne relais est soumise à un processus réglementaire qui s’appuie à la fois sur le code des postes et télécommunications[9], et le code de l’urbanisme[10]. Concernant le premier, l'article L. 32[11]donne les définitions et fixe au 12° les principales exigences que doivent respecter ces installations pour satisfaire à la loi, soit garantir dans l'intérêt général la santé et la sécurité des personnes, la compatibilité électromagnétique entre les équipements et installations de communications électroniques.
Les exigences essentielles mentionnées au 12° de l'article L. 32 sont la transposition des exigences essentielles de l'article 3 de la directive européenne « 1999/5/CE »[12] (dite RTTE).
Depuis 2002, afin de prévenir certains risques biologiques, la loi a été complétée par le décret no 2002-775[13] limitant l’exposition du public aux champs électromagnétiques. Ce texte prévoit que l’ensemble des champs émis par des équipements dans une même zone doit être conforme aux niveaux de référence.
Ce décret est la transposition en droit français de la recommandation européenne « 1999/519/CE »[14], reprenant elle-même des recommandations de l'ICNIRP sur certains effets biologiques[15], précisant explicitement que ces limites ne protègent pas de tous les risques connus, en particulier les risques et conséquences de dysfonctionnement d'appareils électroniques - pour lesquels il faut se référer à d'autres textes (compatibilité électromagnétique).
Le respect des limites de ce décret (41 à 61 V/m pour la téléphonie mobile) n'est donc pas suffisant pour respecter les principales exigences de la loi. Avant toute implantation, l’opérateur doit constituer un dossier à transmettre aux autorités et aux administrations concernées. Ce dossier doit comprendre, soit une déclaration affirmant la conformité de l’antenne aux normes publiées au Journal Officiel français ou européen[16], soit des documents justifiant du respect des niveaux de référence.
Depuis le rapport Zmirou[17], le dossier en question doit également mentionner les actions engagées pour assurer qu’au sein des établissements dits sensibles (crèches, établissements de soins…) l’exposition soit aussi faible que possible tout en garantissant la qualité du service rendu. L’opérateur doit rendre des comptes à l’ANFR (Agence Nationale des Fréquences Radio)[18] qui est l’autorité de régulation compétente en la matière. Les mesures de contrôle sont réalisées par des laboratoires accrédités par la COFRAC.
Pour ce qui concerne le code de l’urbanisme, les opérateurs doivent s’assurer que leurs projets respectent les plans locaux d’urbanisme (constructibilité, implantation, distances, hauteurs de construction...).
Un plan local d'urbanisme peut tout à fait interdire l'implantation d'antenne relais à condition de répondre à un motif d'urbanisme justifié dans son rapport de présentation (art. R. 123-2 C. urb.). A noter que cet article a été abrogé depuis 2016. Le rapport de présentation est désormais visé aux articles R 151-1 à R 151-5 du code de l'urbanisme[19].
Un maire peut s'opposer à une demande d'autorisation d'urbanisme déposée par un opérateur ou un gestionnaire d'infrastructures uniquement pour un motif d'urbanisme[20].
En matière d'autorisation, le code de l'urbanisme distingue entre des constructions nouvelles (pylône à construire pour l'implantation d'antennes relais) visées aux articles R 421-1 à R421-12 et les installations d'antennes relais sur des constructions existantes (toit terrasse, façades ...) qui sont elles visées aux articles R 421-13 à R 421-17-1 [21]. En fonction des critères de la construction (surface de plancher et d'emprise au sol, hauteur de la construction) mais aussi du lieu d'implantation (périmètre de protection lié notamment à un site patrimonial remarquable) l'opérateur devra déposer soit une déclaration préalable de travaux soit un permis de construire). A titre illustratif, si l'opérateur érige un nouveau pylône sur un site qui ne fait l'objet d'aucune protection particulière avec une construction qui présente une surface de plancher et d'emprise au sol comprise entre plus de 5m² et inférieure à 20m², l'opérateur sera tenu de déposer une déclaration préalable quelle que soit la hauteur du pylône.
Pour le cas où un opérateur choisirait un terrain communal, le maire soumet la demande à la décision du conseil municipal. Pour les installations situées sur les immeubles collectifs, les copropriétaires sont invités à se prononcer en assemblée générale.
Le nouveau dispositif de gestion des demandes de mesures, piloté par l’ANFR a pris effet début 2014 seulement, alors qu’il est financé par une taxe supportée par les opérateurs de téléphonie mobile depuis 2011. Cela explique pourquoi les opérateurs ont continué à prendre en charge directement les demandes de mesures, afin de répondre aux attentes des riverains d’antennes-relais.
Grâce au site Internet de l’ANFR « cartoradio.fr »[22], il est possible de connaître l’emplacement de toutes les stations radioélectriques de plus de 5 watts sur le territoire national (antennes-relais de téléphonie mobile, émetteurs de télévision ou de radio, réseaux privés) ainsi que les résultats des mesures de champs électromagnétiques réalisées. Les données d'emplacement des antennes et des fréquences utilisées sont accessibles sous forme de données ouvertes (open data), et sont utilisées par différentes applications mobiles.
