Evolution de la téléphonie mobile

Depuis son apparition, les services offerts par l’internet n’ont cessé de s’innover. En commençant par la navigation sur le web, puis l’envoi et la réception des mails, viennent ensuite la messagerie instantanée, le chat… en ce moment, on assiste surtout à l’essor des services multimédias comme le video conferencing, le streaming audio et vidéo,… Mais plus le service est sophistiqué, plus il nécessite une bande passante plus large et donc un débit élevé.

Parallèlement à l’évolution de l’Internet, les réseaux radio mobiles ont eux aussi été concernés par des grandes évolutions que ce soit logique ou matériel, afin de répondre aux performances exigées par ces services multimédias. Si l’internet mobile avait débuté avec le réseau 2,5G ou GPRS, on est maintenant dans l’ère de la 4G avec le réseau LTE ou Long Term Evolution. LTE exploite les diverses techniques modernes comme l’OFDMA, le SC-FDMA, le MIMO, les turbo-codages afin d’améliorer le débit tant pour l’accès montant que pour l’accès descendant. Il permet ainsi d’obtenir des débits supérieurs que ceux obtenus avec les systèmes précédents. Un des objectifs de la LTE étant également d’augmenter la capacité cellulaire c’est-à-dire le nombre d’utilisateurs pouvant être servis simultanément dans une région donnée, afin de satisfaire les utilisateurs.

L’OFDMA est une technique d’accès multi-porteuse récemment utilisée dans les réseaux à large bande. Cependant, parmi les problèmes qui se posent pour cette technique sont de garantir un moyen efficace d’attribuer ces ressources aux utilisateurs à chaque instant, et ensuite la détermination des utilisateurs pouvant accéder au système si le nombre d’utilisateurs étant largement supérieur au nombre de ressource disponible.

PRESENTATION DE LA LTE 

LTE (Long Term Evolution of 3G) est un projet mené par l’organisme de standardisation 3GPP visant à rédiger les normes techniques de la future quatrième génération en téléphonie mobile. Elle permet le transfert de données à très haut débit, avec une portée plus importante, un nombre d’appels par cellule supérieur et une latence plus faible. En termes de vocabulaire, le futur réseau s’appelle EPS (Evolved Packet System). Il est constitué d’un nouveau réseau d’accès appelé LTE (Long Term Evolution) et d’un nouveau réseau cœur appelé SAE (System Architecture Evolution).

L’Ordonnancement

Dans les systèmes de communication multi usagers utilisant des techniques d’accès multiple, le nombre d’usagers à servir est souvent plus grand que le nombre de canaux disponibles. Ainsi, seule une proportion de ce nombre aura la chance de transmettre ou de recevoir. Une solution à ce problème consiste à utiliser des algorithmes d’ordonnancement. Dans le cas d’un canal de diffusion où une station de base tente de servir un ensemble d’usagers, un algorithme d’ordonnancement aura comme mission de décider à un instant donné selon des mécanismes précis, quel sera l’ensemble des usagers à servir. Le choix des usagers se fait en essayant d’atteindre plusieurs objectifs: la maximisation du débit de transmission global du système, l’équité entre les performances des différents usagers, la garantie des demandes en termes de qualité de service, etc. Ce choix constitue un facteur déterminant soit pour les performances globales du système ou pour les performances individuelles de chacun des usagers.

Evolution de la téléphonie mobile 

Les organismes de normalisation
Si les organismes de régulation se chargent de la gestion du spectre, les techniques de communications utilisant ce spectre ne sont standardisées ni par ces organismes, ni par les opérateurs directement. En lieu et place, ce sont des instances scientifiques qui se chargent d’élaborer des scénarios, des spécifications, et finalement des standards, qui sont par la suite approuvés par les autorités.

Les organismes de normalisation régissent les standards qui sont utilisés par exemple par les fabricants de téléphones portables ou d’autres systèmes sans-fil. Ces organismes réunissent des groupes de travail qui ont pour objectif de déterminer les techniques de communications à utiliser, ainsi que les nombreux paramètres associés : les protocoles, les formats de trame, les modes de fonctionnement possibles, etc. Ces organismes, souvent en concurrence, coexistent sur le plan international, régional, ou local. On peut citer l’IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) au plan international et au plan européen, on peut citer l’ETSI (European Telecommunications Standards Institute). Prenons l’exemple de la forme d’onde de la 3G (3ème Génération) en Europe. C’est le standard UMTS soutenu par l’ETSI qui a été choisi.

Par ailleurs, plusieurs organismes régionaux peuvent créer des partenariats pour des projets d’envergure. Par exemple, en décembre 1998, l’ETSI s’est associé à différents partenaires dans le cadre du projet 3GPP (Third Generation Partnership Project), avec pour objectif de produire uniquement des spécifications techniques pour la 3G (bâtie sur l’infrastructure réseau 2G existante) et pour l’UTRA (une évolution de la 3G supportant des débits plus élevés). La standardisation se fait en dehors de la juridiction du 3GPP, par le biais des partenaires du projet, au niveau de leur autorité régionale respective. Les projets permettent donc de fournir des spécifications techniques et d’être mieux entendu, du fait du groupement d’organismes.

Evolution des réseaux mobiles
La première génération de téléphonie mobile (notée 1G) possédait un fonctionnement analogique et était constituée d’appareils relativement volumineux. Il s’agissait principalement des standards suivants :

• AMPS (Advanced Mobile Phone System), apparu en 1976 aux Etats-Unis, constitue le premier standard de réseau cellulaire. Utilisé principalement Outre-Atlantique, en Russie et en Asie, ce réseau analogique de première génération possédait de faibles mécanismes de sécurité rendant possible le piratage de lignes téléphoniques.
• TACS (Total Access Communication System) est la version européenne du modèle AMPS. Utilisant la bande de fréquence de 900 MHz, ce système fut notamment largement utilisé en Angleterre, puis en Asie (Hong-Kong et Japon).
• ETACS (Extended Total Access Communication System) est une version améliorée du standard TACS développé au Royaume-Uni utilisant un nombre plus important de canaux de communication.

Les réseaux cellulaires de première génération ont été rendus obsolètes avec l’apparition d’une seconde génération entièrement numérique. Le GSM (Global System for Mobile communications) est le système qui a permis l’accès à la téléphonie mobile grand public. Son débit relativement faible de 9,6 kbps le cantonne à des services de voix, même si il a également popularisé le SMS. Classiquement, dans le réseau GSM, les différents utilisateurs communiquent à tour de rôle, ils ont donc un slot de temps réservé : c’est la technique d’accès multiple à répartition dans le temps (AMRT). De plus, les utilisateurs communiquent non pas sur une fréquence fixe, mais sur plusieurs fréquences car le GSM dispose de 124 fréquences porteuses de 200 kHz chacune, totalisant une bande de 25MHz. À chaque slot correspond une fréquence : c’est la technique de saut de fréquences, pour limiter les erreurs de transmission.

Les bandes occupées par le GSM sont 890 – 915 MHz pour la voie montante, et 935 – 960 MHz pour la voie descendante. La liaison est donc full-duplex, car les deux communications peuvent se faire au même instant sur deux bandes de fréquences distinctes. Le GSM a aussi été transposé autour de 1800 MHz donnant lieu aux systèmes bi-bandes (uplink : 1710 – 1785 MHz, downlink : 1805 – 1880 MHz).

Les limitations en termes de débit du GSM ont conduit les professionnels à adopter de nouvelles techniques optimisant les infrastructures existantes tout en minimisant le nombre de nouveaux équipements à installer pour développer le service de transmission de données. Dans ce contexte s’est développé le GPRS (General Packet Ratio Service), qui introduit la communication par paquets pour les données, dérivé du modèle de communication IP. À la différence du GSM, le GPRS ne réserve pas de slots de temps par utilisateurs de manière fixe. Au contraire, plusieurs de ces slots peuvent être alloués à un mobile selon la disponibilité de la BS. L’optimisation permet d’atteindre des débits maximums réels de 50 kbps. [4] Le but de cette nouvelle technologie est de permettre la transmission de données dans des conditions suffisantes (pour permettre d’accéder à Internet depuis son terminal sans subir les temps de chargement des pages web). Le GPRS s’appuie sur une nouvelle infrastructure réseau qui prend en charge l’acheminement des données plus volumineuses. Elle fonctionne donc en parallèle au réseau GSM classique. En conséquence, la voix conserve le mode de transmission GSM. Cette nouvelle architecture mixte GSM et GPRS est également appelée 2.5G au sens où elle améliore la 2G existante sans toutefois bouleverser son infrastructure.

Une évolution du GPRS a également fait son apparition. C’est la technique EDGE (Enhanced Data rate for GSM Evolution).On atteint ici la 2.75G, avec des débits théoriques de 384 kbps grâce à un changement de schéma de codage.

La 3G correpond pour l’Europe au standard UMTS (Universal Mobile for Telecommunications System) proposé par l’ETSI. Aux États-Unis, on parlera plutôt de CDMA 2000, et au Japon de FOMA (Freedom of Mobile Multimedia Access). Le passage à la troisième génération est marqué en Europe par la rupture technologique : nouvelles bandes de fréquences, changement de forme d’onde, et globalement changement des infrastructures (nouvelles antennes-relais). Les bandes UMTS sont plus larges qu’en GSM. Deux modes de fonctionnement possibles selon le pays : le mode FDD séparant la voie montante et la voie descendante par duplexage fréquentiel (deux bandes appairées de 15 MHz par opérateur), et le mode TDD réalisant le duplexage temporel (une bande de 5 MHz par opérateur). On retrouve ces bandes autour de 1,8 GHz et de 2,1 GHz dans les bornes définies par l’UIT.

La forme d’onde se base sur les techniques d’accès multiple par répartition de codes (AMRC), et non plus par fréquence, ni par slot de temps. Tous les terminaux envoient au même moment et sur toute la bande leurs informations, codées avec une séquence propre à chaque terminal. Les débits résultant de cette meilleure efficacité spectrale atteignent les 384 kbps. Comme pour le GSM, des techniques complémentaires viennent améliorer la technique UMTS de base. Par exemple, la technique High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) est reconnue comme la 3.5G (ou 3G+), et améliore les débits pour le téléchargement (voie descendante) pour dépasser le Mbps.

LTE sur le marché 

Depuis le début 2011, selon [7], quinze réseaux LTE étaient exploités dans 11 pays du monde entier, dont huit en Europe de l’Ouest (d’autres s’y ajouteront en 2012). En Suisse, la mise en service du premier réseau LTE a été également prévue en 2011. Selon un rapport de la Global Suppliers Association (GSA), au niveau mondial, 180 exploitants actifs dans 70 pays envisagent actuellement d’investir dans le LTE. Parmi eux, 128 (dans 52 pays) ont définitivement choisi cette technologie et 52 ont formulé une déclaration d’intention.

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