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DT 34 - Les Réseaux Publics de Téléphonie Mobile
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Les systèmes publics de téléphonie mobile sont classés en « génération ». La première génération a été réalisée en analogique pour des applications vocales, alors que les 2 et 3G sont de type numérique, pour des applications voix et données à haut débit. Les mises à jour 8 à 11 des normes de l’UMTS rassemblent dans la 3G les développements WiMAX et du LTE, la 4G concernant le LTE-Advanced.
1 - GSM, UMA et GSM-R
Le système européen GSM (Global System for Mobile communications), développé par l’ETSI, appartient à la seconde génération de téléphonie mobile (1985). L’itinérance permet à tout abonné mobile de transmettre ou de recevoir des appels comme s’il se trouvait dans son site d’origine. Le terminal mobile est identifié par une carte interne (la carte SIM, Subscriber Identity Module), ce qui lui permet de recevoir ou de lancer des appels sous un même numéro, en France ou à l’étranger. Le réseau des émetteurs commute les demandes, effectue les transferts vers le RTPC ou le RNIS et mémorise les messages vocaux ou de données (SMS, Short Message Service) qui sont transmis à 9,6 kbit/s en commutation de circuits. La technologie UMA (Unlicenced Mobile Access), qui appartient à l’ensemble normatif du 3GPP, permet d’ouvrir un réseau sans posséder de licence d’exploitation. Elle fait coexister, par exemple, sur un même terminal, les accès aux réseaux GSM et Wi-Fi tout en offrant des protocoles conformes à Bluetooth.
La technologie GSM-R (Global System for Mobiles - Railways) est un sous-système de l’ERTMS (European Railways Train Control System, ou Système européen de surveillance du trafic ferroviaire). Cette technologie, utilisée pour la transmission des données entre les trains et les postes de régulation, permet de réguler le mouvement des trains. Elle se substitue à l’ancienne signalisation latérale aux voies ferrées. RFF gère ainsi les équipements de la SNCF sur le patrimoine foncier de la SNCF (110 000 hectares). Le GSM-R gère le patrimoine foncier de 110 000 hectares de la SNCF. Le GSM-R est lié à l’existence du réseau public GSM (contrat de 15 ans). En 2008, Huawei a commercialisé un GSM-R associé aux grandes vitesses ferroviaires (à 430 km/h) avec un très haut niveau de sécurité et de stabilité. Cette solution Huawei utilise la technologie AFC (Automatic Frequency Correction) qui détecte et compense l’effet Doppler grâce des algorithmes de transfert rapide. 2 - DECT et DECT-C1
2.1 - Le système de téléphonie numérique cellulaire DECT (Digital Enhanced Cordless Telephone), normalisé par l’ETSI et l’UIT, fonctionne dans la gamme des 1,9 GHz sur quelques centaines de mètres (usages vocaux dans le périmètre des entreprises et en liaison avec leurs PBX). Il repose sur un mécanisme d’accès TDD/FDD, avec débit et délai de transmission garantis. Les bornes DECT sont accessibles en ADSL et en IEEE802.11. D’autre part, VoIP sur les IPBX peut être géré en Ethernet, grâce aux points d’accès qui convertissent le DECT en VoIP en assurant la synchronisation (DECT over IP). 2.2 - Le DECT a été adapté aux usages professionnels et résidentiels liés à l’Internet, grâce aux normes de l’ETSI sous le nom de DECT CI (pour "Common Interface"). Les stations de base du DECT CI sont connectées à l’Internet avec des interfaces VoIP SIP ou H.323 et les nouveaux profils d’accès génériques (GAP) sont décrits dans la norme EN 300 175, documents 1 à 8, EN 300 444, complétés par les documents TS 102 527-1 et TS 102 527-3 pour les services vocaux. Ces normes incluent les développements liés au codage de la parole normalisés par l’UIT-T sous les références G.722, G.729.1 et à la transmission audio de la qualité MPEG-4 à 14 kHz. Sur le plan des débits, ce nouveau DECT atteint les 844 bit/s en modulation GFSK et approche les 5 Mbit/s avec l’option de modulation en haut niveau. Il assure la compatibilité avec le DECT antérieur. 3 - GPRS
Le GPRS (General Packet Radio Service) est une technique radioélectrique de transmission de données par paquets de génération 2,5. Les données sont transmises sur plusieurs circuits à la fois en mode paquet, ce qui permet d’atteindre des débits de l’ordre de 40 à 115 kbit/s (ou, en fixe, 171 kbit/s). Le GPRS peut être associé aux réseaux domestiques (PAN), tels que Bluetooth, pour l’envoi d’image couleur sur assistant numérique. Les réseaux GPRS sont ouverts depuis 2003 et permettent la messagerie multimédia.
4 - EDGE
EDGE (Enhanced Data rate for Gsm Evolution) est une technique intermédiaire (2,5 G) entre le GPRS et l’UMTS. Il facilite la migration des réseaux, tout en économisant les ressources fréquentielles. Il utilise le mode paquet et le mode circuit. La technique d’accès multiple à répartition dans le temps (AMRT), permet à EDGE de fournir entre 384 à 473,6 kbit/s au meilleur coût (60 kbit/s par intervalle de temps, soit trois fois plus qu’en GPRS). La modulation de phase 8-PSK et neuf schémas de codage (MCS-1 à 9) sont possibles. La 7ème version de la norme EDGE, appelée "Evolved Edge", (Edge évoluée), définit une efficacité spectrale meilleure, et offre des débits de canal proches de 1,3 Mbit/s théoriquement. 5 - UMTS
5.1 – Vue globale
L’UMTS (Universal Mobile Telecommunications Service) appartient à la 3ème génération de téléphonie mobile européenne (IMT-2000) qui s’inscrit dans un contexte mondial d’interopérabilité. L’interfaçage entre les normes peut s’effectuer soit par des fonctionnalités incluses dans les terminaux, soit par des passerelles entre réseaux (ISHO, Inter System Hand Over). Les choix de modulation retenus sont différents selon les pays, l’Europe utilisant la norme W-CDMA, l’Amérique du Nord le Cdma2000 et la Chine le TD-SCDMA. Ces normes, intégrées par le 3GPP (Third Generation Partnership Project) et le 3GPP2, visent à l’amélioration de la qualité vocale et à l’augmentation du débit de transfert de données (de 384 kbit/s à 2 Mbit/s, selon la vitesse de déplacement), tout en économisant les ressources fréquentielles. En génération 3G, les données peuvent utiliser les canaux dédiés à la parole s’ils sont libres. Comme en GPRS, l’UMTS offre une connexion permanente au réseau. L’ouverture des réseaux locaux par radio (WLAN) et la création de terminaux compatibles GSM/GPRS stimulent le marché grâce à la photographie numérique et la vidéo à bas débit. Les mises à jour successives de l’UMTS, publiées par les 3GPP, ont guidé les évolutions des normes et les réalisations.
5.2 – FDD et TDD
Pour augmenter les débits, les réseaux UMTS, CDMA 1x et les réseaux CDMA de 2nde et 3ème générations ont le choix entre deux types de modulation dans l’exploitation en mode duplex des canaux à 1,25 MHz. Le premier, le mode FDD (Frequency Division Duplexing) utilise en W-CDMA des canaux montants et descendants de fréquences appairées. Le second, le mode TDD (Time Division Multiplexing), utilise en TD-CDMA, les mêmes bandes de fréquences montantes et descendantes. L’existence des deux techniques permet à tous les exploitants d’ouvrir des services jusqu’à 2 Mbit/s quelles que soient les fréquences attribuées. Pour accroître encore les débits, ces deux techniques peuvent effectuer l’exploitation des canaux duplex en données seules (EV-DO, "data only") ou en utilisation mixte voix et données (EV-DV). EV-DO permet le transfert de paquets de données à haut débit. L’EV-DV (Evolution Data and Voice), norme complexe, englobe à la fois les capacités de la commutation de circuits vocaux et l’efficacité des données par paquet à haut débit (débits de 420 kbit/s et 1,7 Mbit/s). 5.3 – HSPA (High Speed Packet Access)
La technologie HSDPA, iincluse dans la sixième édition de la norme UMTS du 3GPP, permet d’augmenter le débit en mode paquet sur la voie descendante (Downlink). Des retransmissions par H-ARQ (Hybrid Automatic Repeat Request) permettent de corriger les paquets erronés. Cinq cents fois par seconde, une indication de la qualité du signal est transmise pour les deux secondes à venir (Fast Packet Scheduling). Ces améliorations portent ces débits en mode paquets de 1,8 ou à 3,6 ou à 7,2 ou à 14,4 ou à 42 Mbit/s. La faisabilité de ces débits doit compter avec l’encombrement du réseau, la diminution de la taille des cellules occasionnée par les pointes de trafic et les capacités des terminaux. Le HSDPA est bien adapté aux téléchargements de fichiers vidéo. La technologie HSUPA (High Speed Uplink Packet Access), également dans la 6ème édition de la norme, permet des débits descendants de l’ordre de 5,8 Mbit/s en W-CDMA, par la norme « Enhanced Uplink for FDD ». Un intervalle de temps de transmission (TTI) de longueur réduite est utilisé. Le protocole H-ARQ assure la redondance incrémentale. Un ordonnanceur de paquets gère la transmission des paquets selon l’état des files d’attente, la qualité des canaux et la présence des paquets prioritaires (non-scheduled packet).
Le HSPA permet aux exploitants d’accroître leur revenu par des offres nouvelles de service. Le HSPAPlus fournit un débit théorique de 40 Mbit/s à la réception et 20 Mbit/s à l’émission. De plus, le HSPA ouvre l’opportunité de la télévision mobile personnelle. Ces performances sont acquises grâce au canal additionnel, le HS-DSCH, (pour High Speed - DownLink Shared Channel), commun à plusieurs utilisateurs. La technique 16QAM a été ajoutée à la modulation adaptative QPSK, avec des codages correcteurs d’erreurs pour chaque abonné de façon à faire varier le débit de façon dynamique en fonction de la qualité du lien radio. Les techniques d’antennes multiples (MIMO) et d’ajustement de la puissance d’émission vers l’utilisateur (beam forming), ainsi que la technologie UMA (Unlicensed Mobile Access) qui permet la fusion des accès GSM-UMTS/Bluetooth ou GSM-UMTS/Wi-Fi, sont incluses dans les mises à jour de la norme. 5.4 – CDMA2000 1xEV-DO
Qualcomm a commercialisé la seconde version de sa technologie CDMA2000 1xEV-DO à haut débit, appelée "Revision B". Les solutions MSM (Mobile Station Modem) liées à la révision B de EV-DO permettent des fonctionnalités nouvelles qui combinent en simultanéité les ressources de trois canaux à haut débit de 1,25 MHz chacun. Chacun de ces canaux permet un débit de 4,9 Mbit/s (voix et textes simultanés sur Internet, musique en transmission continue, etc.). 5.5 - WiMAX
5.5.1 – WiMAX fixe (IEEE802.16a/d/e)
En Octobre 2007, l’UIT a introduit le WiMAX (IEEE802.16) au sein des normes du 3GPP et au cœur de la famille des normes IMT-2000 de la 3G, ce qui ouvre un marché potentiel de 4 milliards d’utilisateurs. Rédigée par le WiMAX Forum (Worldwide Interoperability for Microwave Access), cette norme décrit un système de communication économique à 3,8 GHz dont le débit théorique peut atteindre 70 Mbit/s et permet un accès à Internet à un débit de 10 à 20 Mbit/s (avec VoIP, mais sans la télévision numérique), dans un rayon de 20 km. A 60 GHz, il s’agit de liaison en vue directe et entre 2 et 6 GHz, la liaison en vue non directe est possible. La version 802.16d concerne les zones rurales. La couche physique (PHY) est plus tolérante aux retards en multi propagation que celle du 802.11. Sa couche MAC met en jeu un système de requêtes garanties (grant-request). WiMAX utilise une modulation adaptative en OFDM à 256 points, avec correction d’erreur (FEC). Les trames montantes et descendantes peuvent utiliser les procédures TDD ou FDD. Avec le marché des entreprises et celui des liens associés en Wi-Fi à 268 Mbit/s, WiMAX entre en concurrence avec l’ADSL. La mise en œuvre du WiMAX est un peu plus coûteuse que celle de la 3G, puisqu’une exploitation à 3,5 GHz demande plus de stations de base. On estime qu’une station de base WiMAX est capable de partager entre 20 utilisateurs un débit global de 30 Mbit/s. Théoriquement, un débit de 70 Mbit/s peut être assuré par une station dans un rayon de 50 km. En pratique, 40 Mbit/s sont atteints entre 3 et 10 km et 15 Mbit/s en mobilité sur 3 km (IEEE802.16.e), des débits plus élevés pouvant être obtenus avec la norme IEEE802.16.m actuellement en étude. La technologie MIMO est utilisable en WiMAX. En France, les groupes Bolloré Telecom, HDRR, Maxtel, Nomotech SAS et SHD disposent de licences régionales d’exploitation WiMAX. France Télécom n’a remporté que les licences pour la Guyane et Mayotte. La SHD (Société du Haut Débit), consortium qui regroupe SFR, Neuf Cegetel, a ouvert deux réseaux WiMAX, l’un en Ile de France, l’autre en PACA. Quatorze collectivités, en plus de groupes industriels cités, ouvriront également des réseaux WiMAX à 3,5 GHz ou en 2.6 GHz en métropole. En Juin 2009, dans seize des régions françaises, moins de 16 % des sites auraient été équipés et Altitude/Iliad-Free aurait connecté un total de 6 000 foyers. Iliad est le seul groupe à détenir une licence WiMAX nationale, obtenue en rachetant Altitude Telecom.
La société américaine Alvarion propose sur le plan mondial un système WiMAX dans la bande de fréquences des 5 GHz à un débit atteignant 108 Mbit/s, destiné à répondre à la demande de systèmes à haute capacité pour les besoins d’applications en vidéo en temps réel, en services vocaux ou de données et de collectes. Selon le Forum WiMAX, près de 600 réseaux WiMAX seraient déployés dans 150 pays du monde à la fin de 2010.
5.5.2 - WiBro
WiBro (contraction de Wireless Broadband) résulte d’une offre d’origine coréenne. Concurrent, mais compatible avec le WiMAX (IEEE802.16e). Wibro utilise la bande des 2,3 GHz et fournit un débit théorique de 30 Mbits/s dans un rayon de 20 à 30 km (en pratique, le débit est asymétrique 128 à 512 kbit/s contre 1 à 3 Mbit/s). 5.5.3 – WiMAX mobile (IEEE802.20)
La norme IEEE802.20, appelée aussi "WiMAX Mobile", est issue de l’évolution des normes IEEE802.16.e de 2004 et de 2005. Elle définit des connexions à 1 Mbit/s pour terminaux mobiles (à 250 km/h). Cette technologie, décrite dans la version 8 des normes UMTS, permet des débits de l’ordre de 100 Mbit/s lorsque l’utilisateur est en déplacement à 60 km/h et d’un Gbit/s lorsqu’il est immobile. L’image fixe, l’image animée (vidéo) et l’accès à la Toile en haut débit sont au cœur de ces nouvelles applications. Deux technologies sont associées à l’OFDM du WiMAX mobile, celle des antennes intelligentes adaptatives AAS (Adaptive Antenna Systems), avec ’’ beamforming ’’ (formation de faisceaux radio), et celle multi-antennaire MIMO (Multiple Input Multiple Output). La première permet d’augmenter la capacité globale d’un réseau et la seconde d’accroître les débits sur les liaisons radio, à bande passante inchangée. Bolloré Télécom est intéressé par la version WiMAX mobile. 5.6 - WRAN (IEEE802.22)
Les réseaux radioélectriques régionaux d’accès (WRAN, Wireless Regional Access Network) font l’objet de la norme IEEE802.22. Ils occupent les fréquences de la bande réservée à la diffusion de la télévision interactive, comprises entre 54 MHz et 862 MHz. L’originalité de ces réseaux porte sur la capacité de leurs équipements à utiliser de façon dynamique les bandes de fréquences inoccupées (cognitive radio). La vitesse de transmission atteint 18 Mbit/s sur des canaux de 6 MHz. Le débit de la voie descendante est compris entre 1,5 et 4 Mbit/s (1 Watt) et celui de la voie montante de 384 kbit/s (100 mW). Cette technologie utilise l’OFDM et assure la qualité de service au niveau de la couche MAC. Son prix de revient est très faible. La portée peut atteindre une cinquantaine de km. Un point d’accès peut connecter 30 000 utilisateurs multimédia ou un million d’utilisateurs vocaux.
6 – Le NGMN fusionnera le WiMAX et le LTE
Le NGMN (Next Generation Mobile Network) est l’acronyme du réseau de téléphonie mobile de quatrième génération, tel que défini par le 3GPP (version 8 de l’UMTS). Cette nouvelle technologie exploite les capacités de transmission des fréquences UMTS actuelles, afin d’offrir des débits théoriques de l’ordre de 100 Mbit/s en OFDM pour la dernière phase de la 3G. Les technologies WiMAX et LTE concernent deux marchés différents, la première pouvant s’associer au DSL et la seconde visant le marché de la mobilité voix et données.
Fréquences disponibles en Europe (UMTS-Forum)
6.1 - LTE et LTE-Advanced
Les versions 8 à 11 de la norme 3G de l’UMTS conduisent au LTE (Long-Term Evolution). Le LTE est compatible avec les différentes versions de la 3G (TD-SCDMA, W-CDMA/HSPA, et Cdma2000) , ce qui le rend moins coûteux à mettre en œuvre par rapport au WiMAX. Cette technologie offre les options de duplexage en fréquence (FDD, frequency division duplex) ou dans le temps (TDD, time division duplex), et des facilités empruntées à la future 4G. Le LTE met en œuvre la technologie EPC (evolved packet core) et assure une latence réduite des signaux transmis. Les débits par cellule en OFDMA devraient être proches de 100 ou 160 Mbit/s (50 Mbit/s sur 20 MHz en voie montante en SC-FDMA et 100 Mbit/s en voie descendante en OFDMA), soit quatre fois plus importants qu’en HSPA. Les étapes ultérieures de développement devraient conduire au « LTE-Advanced » et à l’« IMT-Advanced » vers 2012. La taille des cellules sera de 5 km avec performances optimales, 30 km avec performances raisonnables et 100 km avec performances acceptables. L’exploitant japonais NTT DoCoMo a atteint les débits de 250 Mbit/s sur la liaison descendante de son système LTE, à l’aide de quatre antennes MIMO (Multiple Input Multiple Output) dans une bande de transmission des 20 MHz. En technologie LTE, les exploitants de réseau mobile utilisent les bandes de fréquences situées dans les 700 MHz, 2,6 GHz, ainsi que les bandes réattribuées pour répondre à la demande des réseaux mobiles haut débit visant à fournir des contenus médias mobiles. La bande de spectre 2,6 GHz vise à satisfaire les exploitants de réseau GSM. Des plateformes LTE, compatibles en FDD et en TDD, permettent des économies d’échelle (en OFDMA en liaison descendante et en SC-FDMA en liaison montante). Les normes du TD-SCDMA sont supervisées par le 3GPP en Europe (R4 à R10) et par le CCSA en Chine. 6.2 - WiMAX et LTE
Mais, le rapprochement réciproque du WiMAX vers la technologie LTE en TDD semble aussi possible. Le WiMAX Forum explore cette solution, de façon à être en mesure d’offrir des avantages aux exploitants en fonction de leurs disponibilités dans le spectre hertzien. Vodafone envisage d’intégrer le WiMAX TDD avec le LTE TDD, ce qui réduirait les coûts de réseau. WiMAX et le LTE sont proches l’un de l’autre à 80 %, la différence portant sur le logiciel. Les industriels Motorola, Nokia Siemens Networks, Alcatel-Lucent, Samsung et Nortel, travaillent sur les deux normes LTE et WiMAX. L’adaptation des stations de base GSM/UMTS vers la technologie LTE n’est pas toujours réalisable, sauf pour les équipements récents. 7 - Bilan global
7.1 – Evolution actuelle des technologies 3G
La demande simultanée en débits toujours plus élevés et en mobilité est rendue possible grâce à l’emploi de l’OFDM, ce qui explique l’évolution normative vers une norme unique. Les évolutions successives des normes de l’UMTS ont permis d’améliorer les débits côté utilisateur tout en gardant la plus grande cohérence avec les infrastructures de réseau mises en place. Des problèmes de disponibilité en capacité devraient apparaître vers 2014 dans les centres urbains, ce qui pourrait contribuer à dégrader la qualité des liaisons. La génération 4G de l’UMTS, dédiée totalement à l’IP natif, s’appuiera sur l’accès S-OFDMA, les technologies MIMO, les antennes intelligentes et la radio cognitive. 7.2 – Réseaux et abonnés
Selon Informa Telecoms & Media, le chiffre de 4,6 milliards d’abonnés à la téléphonie mobile a été franchi à la fin de 2009. Le GSM représente 700 réseaux dans 220 pays. La technologie radio EDGE est déployée dans 291 réseaux et 141 pays. Près de 600 millions d’abonnés disposent de connexion en 3G, dont 77 % en technologie UMTS/HSPA et 23 % en CDMA-EV-DO. Le nombre de réseaux UMTS/HSPA dans le monde serait de 120, de 35 en HSPA+ à 28 Mbit/s et de 600 réseaux en WiMAX. A la fin de 2010, plus de 113 exploitants dans 46 pays font migrer leurs réseaux vers la technologie LTE, celle-ci devenant le point de convergence entre les réseaux GSM et CDMA. Aujourd’hui, les débits de l’Internet mobile sollicitent exagérément les ressources internes des réseaux (3 % des utilisateurs consomment 70 % du débit disponible avec des Smartphones ou mini ordinateurs).
Système Débits W-CDMA 2 Mbit/s 1ères évolutions : HSPA (R6) 3,6 / 7,2 / 14,4 Mbit/s HSPA+ ou
3G+
(R7) Voie descendante
21, ou 28 Mbit/s
Voie montante
de 128 à 384 kbit/s WiMAX 20 Mbit/s par canal LTE (R8 à 9) 100 Mbit/s LTE-Advanced
(R10) en 2015 100 Mbit/s
à 1 Gbit/s La France compte 63 millions d’abonnés aux divers réseaux mobiles en 2010, avec près de 45 millions en bas débit, et 18 millions d’abonnés en très haut débit. Les parts de marché sont environ de 43 % pour Orange France, 33 % pour SFR, de 17 % pour Bouygues Telecom et de 6 % pour les MVNO.
Parc mondial
Date Terminaux
2G Terminaux
3G Total
terminaux
mobiles Fin 2010 85 % du parc 15 % du parc 4 milliards Fin 2012 70 % du parc 30 % du parc 5 milliards Fin 2013 30 % du parc 70 % du parc 6 milliards Fin 2014 8 % du parc 92 % du parc 7 milliards Sources Alcatel-Lucent, Idate, Revue REE de la SEE, IEEE Communications Review, UMTS Forum.