Whitepaper Technologies de communication mobile

White Paper

Technologies de communication mobile Une transmission de données rapide grâce à des procédés de transfert modernes

Informations produits techniques Version 2.0

Technologies de communication mobile

Swisscom (Suisse) SA Enterprise Customers Case postale CH - 3050 Berne

Numéro gratuit 0800 800 900 Fax gratuit 0800 800 905 E-mail [email protected] Internet http://www.swisscom.ch/enterprise

Document WP Technologies de communication mobile Version 2.0 Fichier WP_MobileTechnologies_F_v2_190115.doc

Date 19.01.2015 /18

Table des matières

1 Introduction au thème ..................................................................................................................... 3 1.1 Communication mobile et l’utilisation d’Internet mobile – quelques nombres au début ........... 3 1.2 Nouvelles formes de travail ...................................................................................... 4 1.3 Nette augmentation des bandes passantes .................................................................. 4

2 Evolution de la communication mobile ............................................................................................ 5 2.1 Des réseaux analogiques aux réseaux numériques Natel ................................................. 5 2.2 Evolution de la communication de données mobiles sur des réseaux GSM ............................ 5 2.3 Evolution de la communication de données mobiles sur des réseaux UMTS ........................... 6 2.4 La quatrième génération sur le point d’être lancée: LTE .................................................... 9 2.5 Evolution du LTE: LTE Advanced (LTE-A) ou 4G+ ............................................................ 13 2.6 Perspectives pour 2020: 5G ..................................................................................... 15

3 Wireless Local Area Networks (WLAN) ............................................................................................. 16

4 Glossaire .......................................................................................................................................... 18

Le présent White Paper a été rédigé sur la base des paramètres actuellement connus. Il n’a aucun caractère contractuel et sert uniquement d’information. Nous nous tenons à votre disposition pour toute question ou remarque sur ce White Paper.





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1 Introduction au thème

1.1 Communication mobile et l’utilisation d’Internet mobile – quelques nombres au début

La communication mobile a envahi la Suisse depuis longtemps déjà. Stimulés par un pouvoir d’achat élevé et l’ouverture aux nouvelles technologies, les services de communication mobile ont été et sont utilisés de façon intensive. A l’avenir aussi, les clients de Swisscom souhaitent consulter en temps réel les informations et envoyer des données en temps réel avec leur notebook, netbook, smartphone ou tablette. Et comme le smartphone nous suit quasiment partout, de nouvelles utilisations sont possibles.

Voici quelques faits et chiffres pour confirmer cette tendance:

80% de la population suisse utilise l’Internet plusieurs fois par semaine (2013, OFS).

En moyenne, le smartphone est déverrouillé jusqu’à 80 fois par jour pour y accéder (Swisscom).

Selon les prévisions, le volume mondial de données mobiles va être multiplié par six entre 2013 et 2018 (Analysys Mason).

Le nombre d’appareils connectés à Internet devrait passer de 100 millions en 2012 à 2 milliards en 2021 (Analysys Mason).

La disponibilité et l’utilisation des services de communication basés sur Internet et gratuits continuent de croître. Avec l’interconnexion mondiale, les opérateurs OTT internationaux (Over-The-Top) comme Google, Amazon, Facebook, What’s App, etc. sont les premiers à en bénéficier. Quelques chiffres évocateurs:

Le trafic vocal OTT mondial a représenté 750 milliards de minutes en 2013 et devrait atteindre 1,7 billion de minutes en 2018 (Ovum).

En 2013, 19 milliards de messages OTT ont été envoyés en Suisse, un chiffre qui devrait augmenter de 30% d’ici 2018 pour atteindre les 69 milliards.

43% des smartphones en Suisse disposent déjà d’une application de messagerie OTT et 13% des smartphones sont dotés d’une application vocale OTT (Analysys Mason).

Selon le Ericsson Mobility Report 2014,

le nombre de raccordements utilisés sur smartphone s’élève à 2,7 milliards à la fin 2014, soit une hausse de 800 millions,

en 2020, environ 90% de la population mondiale utilisera un téléphone mobile,

toujours en 2020, nous devrions dénombrer près de 8,4 milliards de raccordements mobiles à haut débit et plus de 6,1 milliards de smartphones.

Les applications mobiles sont le principal moteur de cette tendance. Le volume de données vidéo devrait ainsi être multiplié par dix sur les réseaux mobiles d’ici 2020 et représenter 55% du trafic de données global.





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1.2 Nouvelles formes de travail

Le développement technique de la communication mobile a non seulement suivi un rythme effréné mais aussi fait apparaître de nouvelles formes de travail. D’un côté, grâce aux moyens de transport disponibles, l’homme s’est vu accéder à un niveau élevé de mobilité durant ces dernières décennies. D’un autre côté, ce sont les moyens de communication modernes qui ont rendu possibles les formes de travail flexibles. La tendance consistant à «travailler quand on le veut et où on le veut» fait de plus en plus d’émules. La souplesse offerte correspond aux besoins de la clientèle, tant dans le domaine professionnel que privé. Elle permet de s’acquitter, où que l’on se trouve, des travaux en cours en fonction du moment de la journée ou de l’ordre. Ce mode de travail permet en outre de concilier au mieux les besoins personnels et professionnels. Etant l’un des plus grands employeurs de Suisse, Swisscom s’est préparée à cette évolution et permet aussi à ses clients de mettre en place des postes de travail mobiles grâce à son infrastructure réseau et informatique de premier ordre. La «Business Mobility» est donc beaucoup plus qu’une formule à la mode. Une connectivité maximale associée à une transmission sécurisée des données constitue une vraie plus-value pour l’utilisateur, qu’il s’agisse des collaborateurs internes ou de clients. Enfin, l’attractivité d’un employeur s’accroît dès lors qu’il propose des formes de travail flexibles et met à disposition des réseaux internes en haut débit.

1.3 Nette augmentation des bandes passantes

Depuis le début du nouveau millénaire, on recense des besoins élevés en bande passante pour les réseaux fixes, auxquels Swisscom répond en développant massivement son réseau. Le FTTH (Fibre To The Home) permet d’atteindre des bandes passantes jusqu’à un Gbit/s. Cette tendance se retrouve sur les réseaux de communication mobile. Les volumes de données transportés par Swisscom sur ces derniers doublent chaque année et continuent à augmenter. L’une des raisons vient de la forte diffusion des smartphones, notebooks, netbooks et tablettes PC. Le smartphone est aujourd’hui devenu un appareil multifonctions capable de prendre en charge presque toutes les applications, tout en restant pratique et discret au fond de la poche. Les tout aussi populaires notebooks, netbooks et tablettes PC ne disposent en général plus que d’un seul module WLAN (Wireless Local Area Network), avec pour certains également un module de radiocommunication pour la liaison aux réseaux de communication mobile publics. Equipé de la sorte et sécurisé par des protocoles et des mécanismes de protection spécifiques, l’utilisateur peut accéder comme à son habitude à l’ensemble des données d’entreprise et à ses e-mails personnels lors de ses déplacements.

Swisscom propose en outre, en adéquation avec les besoins des clients, un large portefeuille technologique dont nous entendons présenter l’historique, la situation actuelle et les évolutions futures dans ce White Paper.





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2 Evolution de la communication mobile

2.1 Des réseaux analogiques aux réseaux numériques Natel

Marque déposée de Swisscom, le terme de «Natel» est utilisé familièrement en Suisse pour désigner un téléphone mobile. Dans la communication mobile analogique, c’est une contraction de Nationales Autotelefon (Réseau téléphonique automobile national) ou (avec l’apparition de la première génération numérique, nommée Natel D) de Nationales Telefon (téléphone national). Un réseau Natel est donc un réseau dédié à la communication mobile. Le premier réseau analogique Natel A est apparu relativement tard en Suisse (1978), rapidement suivi de la deuxième génération, Natel B (1983). Même si les émetteurs et les récepteurs deviennent plus compacts, il faut alors encore une mallette de 12 kg pour les transporter. Ce n’est qu’avec le réseau à sélection automatique Natel C (à partir de 1987) que les terminaux se miniaturisent réellement, devenant peu à peu plus abordables. Dix ans après leur lancement sur le marché, Swisscom a pu compter son 100 000e client. Le Natel C reposait sur la norme industrielle NMT (Nordic Mobile Telephone) avec une transmission analogique de la voix et un transfert numérique des informations de communication et de commande. A l’aide de coupleurs acoustiques et de modems analogiques, il était déjà possible de transporter de petits volumes de données. Les réseaux analogiques Natel A à C peuvent être regroupés sous le nom de 1G (pour 1ère génération).

Le passage à l’ère de la communication mobile numérique se fait avec la 2G (2e génération) en 1993, à l’occasion du salon automobile de Genève. Le Natel D, toujours utilisé aujourd’hui, repose sur la norme européenne GSM (Global System for Mobile Communications). Pour la première fois, un réseau de téléphonie mobile fonctionne selon le principe numérique et ravit les clients du fait de l’absence de bruit parasite et de sa sécurité face aux écoutes. Par ailleurs, le client peut utiliser son mobile GSM pratiquement partout dans le monde grâce au roaming (itinérance).

2.2 Evolution de la communication de données mobiles sur des réseaux GSM

La première norme GSM était largement axée sur la communication vocale. Au départ, la communication de données mobiles était compliquée et à des vitesses faibles. Avec le CSD (Circuit Switched Data - données à commutation de circuit), le débit maximum était seulement de 9.6 kbit/s, puis de 14.4 kbit/s. Pour ce faire, le CSD occupait tout un canal GSM (avec seulement huit canaux GSM par fréquence porteuse) et n’était pas efficient d’un point de vue radiotechnique. Il ne correspondait pas non plus au caractère de la communication de données basée sur des paquets. De même, le HSCSD (High Speed Circuit Switched Data), amélioré mais toujours en mode circuit, n’a pas été en mesure de s’imposer. Ce service regroupait jusqu’à quatre canaux GSM de 14.4 kbit/s pour former un canal allant jusqu’à 57.6 kbit/s. Un grand nombre d’opérateurs de réseaux GSM ont proposé le HSCSD à partir de 2000, mais ils montraient peu d’intérêt à sa diffusion. En effet, le HSCSD occupait des ressources radioélectriques dont on avait plus que besoin pour la communication vocale mobile encore en plein boom. Ce n’est qu’en 2001 qu’une amélioration a pu être enregistrée avec le GPRS (General Packet Radio Service), faisant partie de la génération GSM 2.5 (GSM 2.5G). Pour la première fois, cette solution permettait de proposer un service de données mobile à commutation de paquets. Néanmoins, le débit théorique de 53.6 kbit/s ne dépassait pas les 30-40 kbit/s dans la pratique – ce qui n’était pas vraiment une vitesse enivrante pour la clientèle, mais tout de même plus que les 9.6 kbit/s. La transmission mobile de gros volumes de données dans le cadre de téléchargements était réservée au EDGE (Enhanced Data Rates for the GSM Evolution). Développement du GSM 2.75G, cette solution est certes bien plus performante que le GPRS, mais suffit à peine pour répondre aux besoins en haut débit des appareils modernes.





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Comme le GPRS, EDGE fait partie de la norme GSM et on le trouve dans presque tous les smartphones et téléphones portables. Il utilise un système de modulation optimisé, raison pour laquelle on l’appelle souvent EGPRS (Enhanced GPRS). Dans la pratique, EDGE atteint des débits binaires supérieurs à 100 kbit/s (maximum théorique: 256 kbit/s). Suite au déploiement de l’UMTS/HSPA+ et du LTE, EDGE ne joue plus qu’un rôle mineur aujourd’hui mais continue d’être proposé en solution de repli sur le réseau GSM de Swisscom, sur l’ensemble du territoire.

2.3 Evolution de la communication de données mobiles sur des réseaux UMTS

Le lancement de l’UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), la 3e génération de téléphonie mobile (3G), a été peu spectaculaire, tout du moins sur le marché helvétique. Pour la première fois, la possibilité de la communication mobile de données a été soulignée d’emblée. En outre, une nouvelle catégorie de terminaux a vu le jour sous la forme de cartes réseau, simplement enfichées dans la baie PCMCIA du notebook. Equipé de la sorte, cet appareil pouvait échanger des données via GSM/GPRS, UMTS ou WLAN. Avec son logiciel Mobile Unlimited©, Swisscom a également permis aux propriétaires de notebooks de communiquer sans interruption entre les réseaux, grâce au «seamless handover», du jamais vu jusque-là et un véritable avantage concurrentiel. Au départ, l’UMTS permettait des vitesses allant jusqu’à 384 kbit/s, et même 2 Mbit/s dans des conditions proches d’un hotspot (nombre réduit d’utilisateurs dans une même cellule, grande qualité du signal, pas de déplacement de l’utilisateur). L’UMTS était une formidable avancée par rapport au GSM, surtout en matière de transmission de données mobiles.

Développement de l’UMTS 3G à 3.5G

Les netbooks, les notebooks, mais aussi les smartphones, ont déclenché une véritable explosion de la bande passante. Leurs propriétaires entendent rester informés en permanence de ce qui se passe p. ex. sur Facebook ou les portails d’info, même lors de leurs déplacements. En outre, les smartphones permettent une liaison permanente du collaborateur du service externe ou du technicien de service à la base de données de son entreprise. Des décisions peuvent être prises plus rapidement, des commandes peuvent être déclenchées plus vite.

Pour répondre aux besoins croissants en bande passante, il faut d’une part disposer de nouvelles normes permettant une transmission de données encore plus rapide. D’autre part, des extensions ciblées du réseau en fonction des besoins locaux sont indispensables. Outre les terminaux, les standards de réseau font aussi l’objet d’un développement et d’un affinement constants. Tandis que pour l’UMTS 3G, on utilisait encore le QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), la génération UMTS 3.5G emploie une modulation plus performante portant le nom de 16 QAM (Quadratur Amplitude Modulation). Le terme générique de HSPA (High Speed Packet Access) s’est ici établi. Il se compose de deux domaines: le HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) pour le téléchargement de données sur le terminal et le HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) pour le chargement de données vers le réseau (p. ex. sur un serveur). Pour ce faire, de nouveaux codages ont été développés, tels que 16 QAM pour le HSDPA. Alors que l’UMTS conventionnel utilise un code par canal radio, les codes de transmission pour 16 QAM sont utilisés de façon dynamique comme une ressource commune. Le standard UMTS WCDMA 3GPP Release 5 développé par l’entité 3GPP (Third Generation Partnership Project) prévoit pour ce faire un étalement du code de transmission, mettant à disposition jusqu’à 15 codes en fonction du facteur d’étalement.





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L’attribution des codes se fait de façon dynamique dans un intervalle de 2 ms, soit 500 fois par seconde (!!!). Il faut imaginer ce processus comme un multiplexage par répartition du code, en fonction du temps. Plusieurs usagers peuvent utiliser l’un après l’autre le même canal, en employant le même code. Un usager peut même utiliser plusieurs codes simultanément pour sa transmission, ce dont profite la vitesse réalisable. Les taux binaires présentés dans le tableau sont des valeurs théoriques, mais elles sont

en pratique supérieures à celles de l’UMTS. Cela s’explique par la caractéristique des réseaux TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol), qui gênent les liaisons de données mobiles. La plupart des services de données sur base IP utilisent le contrôle de flux des paquets de données TCP. Pourtant, ce protocole a été conçu avant tout pour les liaisons de données basées sur le réseau fixe et non pour les connexions de téléphonie mobile à bande passante fluctuante. Comme il n’existe guère de fluctuations de canal majeures pour les communications du réseau fixe, le contrôle de flux de TCP part du principe que le canal présente une qualité pratiquement constante pendant une transmission. Si des variations de canal se produisent pour une transmission de données mobile, TCP réduit la quantité des paquets de données envoyés et donc également la bande passante, pour satisfaire aux conditions du canal. Si la qualité du canal s’améliore à nouveau, TCP ajuste lentement le volume de données à la hausse. Comme les réseaux de téléphonie mobile, p. ex. en raison d’effets d’évanouissement, peuvent faire l’objet d’effondrement du canal, la vitesse de données maximale de 384 kbit/s promise dans la première version de l’UMTS n’a guère été atteinte. Un effondrement de canal requiert que le récepteur reçoive un paquet de données de façon erronée, de sorte que ce dernier doit être envoyé une deuxième fois. Du fait de l’utilisation de TCP dans les réseaux de téléphonie mobile, il apparaît des délais de latences moyens – gênants en fonction de l’application – de 200 ms à 300 ms pour l’UMTS. Grâce à de nouveaux mécanismes avec lesquels le HSPA peut réagir aux canaux radio fluctuants, le temps de latence s’est nettement réduit. Il ne se situe plus qu’aux alentours de 100 ms, ce qui constitue une énorme amélioration. Avec jusqu’à 42 Mbit/s en liaison descendante (downlink), le HSPA+ disponible sur tout le territoire constitue la toute dernière innovation sur les réseaux UMTS. Pour ce faire, un logiciel plus performant a été installé sur le réseau de téléphonie mobile pour soutenir le type de modulation supérieur 64 QAM. Dans toutes les stations de base, du nouveau matériel et des antennes plus puissantes en technique MIMO ont en outre été mis en place. Pour transférer les importants volumes de données dans le réseau, on équipe aussi progressivement les sites-antennes de fibres optiques.

Information complémentaire:

http://www.3gpp.org/RAN





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Spotlight: Multiple Input, Multiple Output (MIMO)

Des vitesses de transmission toujours croissantes ne nécessitent pas uniquement de nouveaux codecs ou des codecs optimisés, mais aussi de nouvelles technologies d’antennes. Les réseaux sans fil basés sur le MIMO opèrent avec plusieurs antennes émettrices et réceptrices, comprenant un traitement de signal numérique complexe. Ainsi, le rapport signal/bruit s’améliore, ce qui influence positivement le débit de données et la couverture de réseau. Cela est particulièrement important dans une zone de couverture «Non-line-of-sight», soit une situation de réception sans liaison visuelle entre l’antenne émettrice fixe et le récepteur mobile. Pour le MIMO, la même information est émise et reçue parallèlement via différentes antennes. Le débit de données peut ainsi être augmenté sans nouvelles licences.

Le principe technique de base du MIMO est utilisé depuis des années pour les WLAN. Le multiplexage à répartition spatiale met à profit des caractéristiques statistiques d’un canal radioélectrique à plusieurs titres. Il n’augmente pas obligatoirement à lui seul la puissance d’émission globale. Mais la transmission est constamment adaptée aux caractéristiques changeantes du canal. Toutes les couches du système de communication doivent présenter une forte flexibilité. L’un des défis consiste ici à mettre en place des installations d’émission et de réception complexes pour les systèmes multiantennes dans le matériel disponible de sorte qu’elles fonctionnent parfaitement dans des conditions de temps réel. La puissance de calcul requise à cet effet nécessite aujourd’hui une grande puissance d’accumulateur dans le terminal.

Le principe de fonctionnement du MIMO (Multiple Input, Multiple Output) (© R. Sellin)

Tout le potentiel des dispositifs multiantennes se développe lorsque l’on utilise un système global optimisé avec plusieurs usagers. La clé réside ici dans une attribution intelligente des ressources pour l’accroissement de la capacité du système global – tout en conservant la puissance d’émission globale. Aujourd’hui, il est inimaginable d’avoir des connexions mobiles rapides via des codecs intelligents comme le LTE, le LTE-A et le WLAN sans utiliser des dispositifs multiantennes.





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2.4 La quatrième génération sur le point d’être lancée: LTE

Introduction

Les travaux de standardisation chez 3GPP continuent d’avancer à un rythme soutenu. L’évolution technologique rapide a de quoi impressionner quand on regarde sur un axe temporel les différents standards de communication de données sur les réseaux de communication mobile numériques et leurs différentes versions depuis 1996 (GSM), avec en son centre les standards LTE et LTE Advanced.

Développement des standards 3GPP (© R. Sellin)

(Remarque: les données de vitesse se rapportent aux débits en téléchargement.)

La technologie de radiocommunication pour la 4G porte la désignation Long Term Evolution (LTE) et apporte des améliorations sensibles dans l’utilisation de l’Internet mobile. La transmission rapide de données mobiles avec des débits de téléchargement allant jusqu’à 150 Mbit/s est le principal atout du standard LTE, notamment pour l’utilisation mobile des services d'infonuagique (cloud). Des applications comme le vidéostreaming en qualité HD, les visioconférences ou les jeux en réseau bénéficient elles aussi de ces débits supérieurs et des faibles temps de latence d’environ 20 ms. Le LTE est basé sur une nouvelle architecture de réseau, avec entre autres un nouvel équipement et un réseau central en grand partie nouveau (Core Network). Partout où cela est possible, des stations de base LTE sont installées sur les sites émetteurs existants, tout en continuant de respecter les dispositions strictes des ordonnances en matière de radioprotection. Le MIMO intervient comme technique multiantennes avancée entre l’émetteur et le terminal LTE (voir encadré ci-dessus). Cette technique a déjà fait ses preuves avec les WLAN et le HSPA+. Elle améliore la qualité de réception, accroît le débit de données et réduit les temps de latence.

Outre l’augmentation des vitesses de transmission et une nouvelle réduction des temps de latence par rapport à l’UMTS/HSPA, le principal atout du standard LTE consiste aussi à pouvoir établir plus rapidement la connexion. Ces avancées sont notamment permises par une architecture de réseau allégée, qui réduit le nombre de messages de signalisation entre les différents éléments du réseau. L’établissement de la connexion ne dure plus que 100 ms, ce qui est très utile pour le Voice over LTE (voir ci-dessous) et les autres





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applications. A titre de comparaison, il fallait encore compter 1 à 2 secondes pour le HSPA. De plus, dans des conditions de réception optimales, les temps de réponse sont de 20 à 30 ms dans la communication entre les émetteurs et les récepteurs.

A l’inverse du GSM et de l’UMTS, le standard LTE repose entièrement sur le protocole Internet (IP). La philosophie du All IP (tout via IP) s’étend également de façon notable à la radiocommunication mobile depuis l’arrivée de la 4G. Même dans les régions sans extension LTE ou sur les réseaux LTE sans VoLTE (voir plus bas), la téléphonie reste bien évidemment possible. Tous les smartphones LTE sont fabriqués comme des modèles hybrides et possèdent une puce compatible avec l’UMTS et une puce compatible avec le GSM. En parallèle, il existe également sur le marché des clés USB («surf sticks»), ainsi que des modules de radiocommunication dans les notebooks et netbooks pour établir des communications de données rapides.

Architecture de réseaux

Le standard LTE s’accompagne d’une nouvelle conception de l’Access et du Core Network. Le nombre de nœuds de réseau et d’interfaces a été réduit pour simplifier l’architecture. De plus, pour les opérateurs LTE, les stations de base qui se configurent elle-mêmes sont très avantageuses car elles permettent une exploitation et un entretien à moindres coûts.

Architecture de réseaux LTE (description simplifiée) (© R. Sellin)

L’architecture de réseau LTE est également désignée par l'expression Evolved Packet System (EPS). L’EPS est répartie entre le réseau d’accès radio (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network, abrégé en EUTRAN) et le réseau central (Evolved Packet Core, abrégé en EPC). Dans l’EUTRAN, les terminaux mobiles sont appelés User Equipment (UE). Le fonctionnement des stations de base a été défini à partir de l’architecture de réseau UMTS. C’est pourquoi elles portent la même désignation que pour l’UMTS, eNode-B. Dans l’architecture de réseau LTE, les stations de base sont reliées à leurs stations de base voisines via l’interface X2, ainsi qu’au réseau central. L’interface X2 entre les stations de base permet une communication rapide entre les cellules LTE.

L’EPC est entièrement orienté sur un pack et utilise ainsi l’IP comme support de transport. La Management Mobility Entity (MME) sert à la connexion des utilisateurs sur le réseau ainsi qu’à leur localisation sur le





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réseau LTE. Pour cela, la MME accède au Home Subscriber Service (HSS). Si le terminal est doté d’une carte SIM valide, le compte du participant est affecté à une Serving Gateway (SGW). De là, une connexion s’établit avec la PDN-GW (Packet Data Network Gateway), qui attribue une adresse IP au terminal et établit à son tour une connexion avec le réseau IP de l’opérateur. L’EPC comporte également la PCRF (Policy and Charging Rules Function). Elle assure la facturation de l’utilisateur et lui affecte les caractéristiques et tarifs convenus contractuellement.

Une connexion à haut débit des stations de base à l’EPC est requise pour répondre au doublement annuel du trafic de données sur le réseau de communication mobile. A cette fin, la fibre optique est principalement utilisée ou (sur les sites non raccordés ou trop éloignés) des faisceaux hertziens dédiés sont mis en place. Une station de base LTE omnidirectionnelle avec trois secteurs à 120° requiert une bande passante d’environ 240 Mbit/s, soit bien plus que ce qui avait été estimé comme suffisant pour le GSM ou l’UMTS. Cela montre que même sur le réseau mobile, la fibre optique se rapproche toujours plus des sites émetteurs et des utilisateurs.

Méthode de transmission et fréquences

Le standard LTE fonctionne avec des canaux individuels et évolutifs, où plusieurs terminaux mobiles peuvent transmettre des données en même temps. Pour cela, le spectre de fréquences a été partagé et affecté à chaque appareil pour une durée bien définie. Pour le downlink, on utilise l’Orthogonal Frequency Division Multiplex Access (OFDMA). Il partage la bande de fréquences mise à disposition en de nombreuses bandes étroites (canaux). Le LTE travaille ainsi avec des bandes de fréquences de différentes tailles et permet d’attribuer des bandes passantes flexibles à chaque utilisateur. On obtient alors une puissance de transmission maximale sur les fréquences. Pour cela, des algorithmes spécifiques sélectionnent les canaux appropriés en tenant compte des conditions ambiantes. Ne sont utilisés pour la transmission que les supports les plus avantageux financièrement pour le service à utiliser. Pour l’uplink, on utilise le SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access), une technique d’accès des porteuses, similaire à l’OFDMA. Toutefois, le SC-FDMA présente des variations de puissance plus faibles et permet des amplificateurs de puissance plus simples, ce qui accroît l’autonomie des appareils mobiles.

Le LTE utilise des flux de données séparés physiquement. Pour cela, la spécification LTE prévoit quatre antennes dans la station de base et deux antennes dans le terminal. Le signal émetteur est ainsi transféré vers plusieurs antennes émettrices pour la transmission et est reçu par deux antennes (MIMO) dans le terminal. Par le biais d’algorithmes complexes, un signal amélioré est recomposé à partir des deux signaux. Dans le meilleur des cas, on obtient ainsi un débit de données optimisé car les canaux d’émission et de réception ne sont pas soumis aux mêmes perturbations. Cela permet d’éviter et de corriger plus efficacement les pertes de signal et les interférences. Le SC-FDMA est également utilisé dans les WLAN selon l’IEEE 802.11n, dans un format légèrement modifié.

Dans le monde entier, il existe plus de 40 bandes de fréquences différentes qui sont utilisées par chaque réseau national LTE. Au niveau mondial, 43% des utilisateurs LTE communiquent sur du 1.8 GHz, 34% sur du 2.6 GHz et 11% sur du 800 MHz. Alors que 23 fréquences LTE était dénombrées dans le monde à la fin 2013, ce chiffre devrait atteindre 38 en 2015 (toutes les infos: GSM Association/GSMA). La GSMA représente les intérêts de 800 opérateurs de communication mobile dans le monde et 200 sociétés d’acheminement et fournisseurs de réseau. Pour ce groupe d’intérêt, comme pour les utilisateurs, la diversité des fréquences a des effets sur les coûts car il est difficile d’avoir des produits LTE fonctionnant mondialement.





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En effet, cette diversité impose des défis majeurs aux opérateurs de réseau, tout comme aux fabricants d’appareils et de puces. Les coûts et les efforts à fournir augmentent avec chaque fréquence qui doit être prise en charge par la puce. Il est évident que toutes les bandes de fréquences LTE existant dans le monde ne peuvent pas être prises en charge par chaque terminal LTE. Selon le pays où des services LTE sont proposés, les terminaux doivent opérer sur différentes bandes de fréquences. Il est donc possible qu’un appareil LTE qui fonctionne dans un pays soit non opérationnel dans un autre car les bandes de fréquences existantes diffèrent les unes des autres.

Voice over LTE (VoLTE)

Comme mentionné, le trafic de données n’est actuellement possible que sur des réseaux LTE/4G. Les communications téléphoniques sont acheminées à l’aide du Circuit Switched Fallback (CSFB) via des réseaux GSM ou UMTS. Dans l’avenir, il sera possible d’établir des connexions vocales également via le réseau LTE. Il s’agit là d’une forme mobile du Voice over IP (VoIP). Cette alternative est appelée Voice over LTE (VoLTE) et devrait être proposée à partir de l’été 2015 sur le réseau LTE de Swisscom. VoLTE sera disponible sur l’ensemble du réseau mobile de Swisscom. Sur les sites sans couverture 4G/LTE, les appels sont acheminés via la 2G/3G au niveau de l’Access. Le contrôle d’appel est toutefois maintenu sur les systèmes VoLTE, l’IP Multimedia Subsystem (IMS) et l’Application Server.

VoLTE permet d’établir plus rapidement l’appel et d’améliorer la qualité vocale (HD Voice). Il existe également la possibilité, via des applis, d’enrichir la communication vocale avec des fonctions supplémentaires très utiles. Pendant l’appel via LTE, l’utilisateur continue de disposer de vitesses élevées, si bien qu’il peut utiliser d’autres services de données sur le réseau LTE en parallèle à sa communication. La nouvelle technologie offre encore d’autres avantages. Ainsi, l’efficacité spectrale pour le réseau et l’utilisation du spectre de fréquences sont encore renforcées par rapport au HSPA+ sur le réseau UMTS. La consommation d’énergie du smartphone est également réduite car le très consommateur CSFB disparaît en 3G/2G.

Les opérateurs Over-The-Top (OTT) classiques, comme Skype et Viber, offrent certes des services vocaux sur des réseaux de télécommunication basés sur l’IP mais ils ne garantissent aucune qualité du service (QoS). De plus, les opérateurs OTT ne peuvent pas gérer le «seamless handover» entre les différentes technologies (2G/3G/4G/PWLAN). Dans la pratique, cela signifie qu’une connexion sur le réseau LTE est abandonnée dès lors que la couverture radio est interrompue une fois sur le trajet. Par ailleurs, les applications OTT ne sont pas en mesure de garantir certaines obligations réglementaires comme les appels d’urgence ou la Lawful Interception (écoute et surveillance). Enfin, des extensions (plug-in) spécifiques sont requises pour pouvoir utiliser les applis OTT.

VoLTE est à l’inverse entièrement intégré dans les terminaux et répond à toutes les exigences réglementaires et de qualité, comme pour la téléphonie vocale mobile traditionnelle avec l’avantage déjà mentionné d’un établissement rapide de la connexion et d’une qualité vocale améliorée. Pendant la communication téléphonique, la bande passante utilisée pour la transmission des données est réduite car une connexion séparée est mise en place pour VoLTE. Celle-ci utilise ce qu’on appelle un «Dedicated Bearer», qui accorde une priorité supérieure au reste du trafic de données (QoS supérieure).


http://www.3gpp.org/LTE

http://www.ltemobile.de/lte-technik/sprachuebertragung-im-lte-netz





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2.5 Evolution du LTE: LTE Advanced (LTE-A) ou 4G+

Face au besoin toujours croissant en bande passante, des extensions de réseau sont nécessaires mais de nouvelles technologies doivent également être utilisées. Citons notamment le LTE Advanced (LTE-A), un développement de LTE. Là encore, LTE-A offre des débits de transmission de données supérieurs, en théorie jusqu’à 1 Gbit/s et en pratique 300 Mbit/s (pour le downlink) avec une efficacité spectrale optimisée. Le standard spécifie également de nouveaux systèmes de modulation et une utilisation à multiples antennes plus intensive avec au maximum huit antennes (8x8 MIMO).

LTE (3GPP Release 8/9) LTE Advanced (3GPP Release 10)

Catégorie de terminaux 3 4 5 6 7 8

Downlink (Mbit/s) 100 150 300 300 300 1000-3000

Uplink (Mbit/s) 50 50 75 50 150 500-1500

MIMO Links 2x2 2x2 4x4 2x2 divers < 8x8 (DL), < 4x4 (UL)

Bande passante (MHz) 1.4, 3, 5, 10, 15 et 20 20-100

Efficacité spectrale 16.3 bit/s par Hertz 30 bit/s par Hertz

Carrier Aggregation (CA) non oui

Technique de modulation pour le downlink (DL)

QPSK/16QAM/64QAM 64QAM

Technique de modulation pour l’uplink (UL)

QPSK, 16QAM

QPSK 16QAM 64QAM 64QAM

Comparaison des deux technologies LTE et LTE-A

QPSK: Quadrature Phase Shift Keying, une modulation par changement de phase avec deux porteuses séparées de 90°. Le signal est réceptionné par addition (par l’émetteur) ou par soustraction (récepteur) des signaux de porteuse.

MIMO: Multiple Input Multiple Output, technique multiantennes où le signal utile est envoyé en parallèle sur plusieurs canaux et via plusieurs antennes.

QAM: Quadrature Amplitude Modulation avec 16 codes (16QAM) ou 64 codes (64QAM). QAM est une combinaison de la modulation par amplitude et par changement de phase.

La Carrier Aggregation (CA) est une spécificité du LTE-A. Elle permet d’augmenter encore le débit de données par utilisateur. Pour LTE-A, Swisscom utilise actuellement trois fréquences porteuses, dans les bandes de fréquences de 800, 1800 et 2600 MHz (et peut-être aussi en 2100 MHz prochainement). Au sein de ces bandes de fréquences, l’utilisateur dispose (selon la disponibilité locale) de blocs de fréquences plus ou moins larges (5, 10, 15 ou 20 MHz de largeur) et une combinaison se fait avec CA. Par exemple, il est possible de combiner deux blocs de 10 MHz chacun sur les fréquences 800 et 1800 MHz et de proposer au total 20 MHz via CA à l’utilisateur final. L’autre possibilité serait de combiner deux blocs avec 15 MHz sur 1800 MHz et 20 MHz sur 2600 MHz, pour obtenir au total 35 MHz via CA. Le débit de données maximal par





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utilisateur augmente ainsi avec le nombre de blocs de fréquences. Le débit de données total par cellule est également accru par une meilleure utilisation des ressources.

Principe de la Carrier Aggregration (CA) pour LTE-A (© Qualcomm/R. Sellin)

L’utilisation du LTE-A nécessite de nouveaux terminaux, au minimum à partir de la catégorie 6. Aussi bien la CA que la technique multiantennes (MIMO) avec plusieurs voies de transmission de données requièrent une grande puissance de calcul au niveau des circuits intégrés dans les terminaux. Du côté du récepteur, cela consiste à recomposer plusieurs flux de données en un signal global cohérent dans les meilleurs délais afin de réduire la latence. Il s’agit d’une performance considérable dans la mesure où des réflexions de signaux peuvent aboutir à des durées différentes et où des signaux peuvent arriver chez le récepteur avec plusieurs 100 Mbit/s. Dans ce domaine, les fabricants de puces ont réalisé de véritables prouesses.


http://www.3gpp.org/LTE-Advanced

http://www.ltemobile.de/lte-technik/lte-advanced

http://www.swisscom.ch/fr/clients-prives/mobile/reseau-mobile/4g-lte.html





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2.6 Perspectives pour 2020: 5G

Depuis plusieurs années déjà, des travaux de standardisation sont lancés sur la cinquième génération de communication mobile 5G, aussi bien en Asie qu’en Europe. Il faut noter dans ce contexte la concurrence acharnée que se livrent l’Asie (en clair la Chine et la Corée du Sud) d’un côté et l’Europe (avec les premiers tests sur site de la 5G au Japon et le soutien renforcé de l’UE) de l’autre côté. La 5G devrait normalement fonctionner sur la plage de 60 GHz car toutes les autres bandes de fréquences sont déjà occupées par d’autres services. Avec les fréquences sur la plage gigahertz supérieure, on constate des microcellules, une pénétration compliquée des bâtiments et de faibles portées.

Dans le domaine de la 5G, la Corée du Sud montre une forte inquiétude par rapport à la concurrence internationale. Selon le gouvernement local, d’autres pays comme la Chine et les Etats-Unis mais aussi certains Etats européens, ont une longueur d’avance dans l’investissement dans la technologie 5G. En réalité, l’intérêt est fort chez le voisin chinois et en Europe. Par exemple, de concert avec l’opérateur DoCoMo au Japon, Ericsson réalise déjà de premiers tests avec de nouvelles stations de base 5G. Face aux fréquences élevées en jeu, nous entrons là véritablement en terres inconnues. Concernant la 5G, Ericsson s’attend d’ici 2020 à ce que le volume de données 5G soit multiplié par 1000 sur les réseaux mobiles, qu’il y ait 10-100 fois plus de terminaux mobiles, une latence cinq fois inférieure, des débits de transmission de données 10-100 plus élevés pour les utilisateurs finaux et donc une autonomie dix fois plus importante.

Le fournisseur d’équipement réseau et fabricant de smartphones Huawei souhaiterait lui aussi investir près de 440 millions d’euros dans le développement des réseaux 5G d’ici 2018. La Corée du Sud veut prendre les devants et lancer le départ du nouveau standard 5G dès 2020. De premiers tests sur site sont prévus pour 2017, selon les informations du gouvernement. Le ministre de l’économie sud-coréen souhaite investir l’équivalent d’un milliard d’euros dans la recherche sur la 5G et compte sur des ressources supplémentaires de la part du secteur privé. Cela cadre bien avec l’implantation de Samsung en Corée du Sud, l’un des précurseurs dans le développement de la 5G. Dans son ensemble, l’Asie reste ainsi le moteur des nouvelles évolutions dans la communication mobile, ce qui est une tradition depuis l’arrivée de l’UMTS au début du siècle.

Les Européens tiennent la dragée haute à ces avancées grâce à leurs propres recherches, et notamment dans le cadre du projet METIS (Mobile and wireless communications Enablers for the Twenty-twenty Information Society). Financé par l’UE, il réunit 29 partenaires avec 2500 mois-hommes et un programme financier de 29 millions d’euros. Du côté des équipementiers engagés, on retrouve Alcatel-Lucent, Ericsson, Huawei, Nokia et Nokia-Siemens Networks (NSN), ainsi que Deutsche Telekom, DoCoMo, Orange, Telecom Italia et Telefonica au niveau des opérateurs. 13 écoles supérieures (et notamment l’Université technique de Rhénanie-Westphalie à Aix-la-Chapelle RWTH Aachen et le Fraunhofer Institut/HHI) et BMW comme représentant de l’industrie automobile viennent compléter la liste des membres du projet METIS. La première phase «Usage scenarios and fundamental technology» (jusqu’à la mi-2015) sera suivie de la phase 2 («Detailed concept development», jusqu’à la fin 2017).


www.metis2020.com





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3 Wireless Local Area Networks (WLAN)

Au sens strict, les normes IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) de la série 802.11x font également partie de la communication mobile. Cette vaste série comprend les spécifications techniques de différents Wireless Local Area Networks (WLAN). Ses origines remontent au milieu des années 1990. Stimulée par le succès de l’Ethernet (IEEE 802.3) et de la communication mobile sur les réseaux publics, IEEE a eu l’idée de donner une dimension mobile à l’interface Ethernet également. La première norme de la famille 802.11x a été publiée dès 1997. Après la 802.11b, le 802.11a, g et h ont suivi les années suivantes. D’autres normes 802.11x sont développées en continu, tels que la 802.11n, encore récente. Les requêtes adressées à l’IEEE ont toujours les meilleures chances de succès quand elles sont spécifiées et remises par un groupe aussi ample que possible. Pour la 802.11n, 27 entreprises au total du domaine du WLAN se sont regroupées au sein du «Enhanced Wireless Consortium (EWC)», sous la houlette d’Intel. Parmi les membres de l’EWC, on recense notamment Apple, Atheros, Broadcom, Buffalo, Cisco, Conexant, D-Link, Lenovo, Linksys, Netgear, Sanyo, Sony, Ralink et Toshiba. L’ébauche de la norme IEEE 802.11n (Draft 1.0) a été adoptée en janvier 2006, mais il a encore fallu quelques années et plusieurs autres ébauches avant que la norme définitive ne soit enfin adoptée en septembre 2009.

L’IEEE 802.11n est un développement des normes existantes (802.11a/b/g). Elle combine plusieurs techniques. Le signal porteur est déplacé entre quatre phases différentes. De plus, les données sont codées dans des schémas particulièrement faciles à distinguer les uns des autres et par rapport aux bruits. Les standards 802.11a/g emploient des techniques qui séparent le spectre de fréquences en plusieurs canaux de transmission parallèles, dans l’objectif d’éviter les interférences entre canaux voisins et de répartir les flux de données sur tous les canaux, ce qui permet de minimiser les interférences locales. On distingue fondamentalement deux possibilités pour développer de réseaux plus rapides: avoir plus de canaux ou avoir des canaux plus larges. Le standard 802.11n utilise ces deux possibilités et affiche des taux binaires allant jusqu’à 600 Mbps. Comme par le passé, c’est l'utilisation des bandes de fréquences sans licence qui pose problème. On ne peut y placer d’autres canaux dans les bandes de fréquence attribuées au plan international avec 2,4 GHz et 5 GHz. Ainsi, 802.11n superpose plusieurs canaux sur les mêmes fréquences. La procédure MIMO requise à cet effet fonctionne avec plusieurs émetteurs et récepteurs dotés d’antennes séparées.

Pour distinguer les signaux, on tire profit des écarts minimum des distances physiques entre antenne émettrice et réceptrice. Dès que le réseau a calculé ces écarts, il peut démêler par voie mathématique les signaux combinés de chaque canal, même s’ils utilisent la même fréquence. En théorie, toute combinaison de deux antennes peut être utilisée intégralement pour la transmission de données, de sorte qu'avec deux antennes émettrices et réceptrices, quatre canaux spatiaux sont disponibles. La deuxième mesure de la norme 802.11n est l’augmentation de la bande passante des canaux. Au lieu de canaux d’une largeur de 20 MHz, on utilise 40 MHz pour doubler encore le débit de données. Mais les lois physiques ne peuvent pas être totalement abolies:si chaque canal est deux fois plus large, le nombre de canaux est divisé par deux dans une bande de fréquences donnée. Pour les utilisateurs de ces bandes, il y a alors beaucoup moins de possibilités de se rabattre sur d’autres canaux.





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La pratique avec les WLAN selon la norme IEEE 802.11n fait état d’un basculement rapide sur la bande 2.4 GHz déjà très occupée dès que des problèmes de réception surviennent sur la bande 5 GHz. Le problème est d’ordre physique: plus la fréquence est élevée, plus la pénétration des murs, vitres et autres obstacles s’affaiblit et se complique. Ratifiée à la fin 2013, la norme IEEE 802.11ac vient délester la bande 2.4 GHz en assurant une communication exclusivement sur la bande 5 GHz. Les environnements WLAN dans les grands bureaux pâtissent de plus en plus de la tendance «BYOD» (abréviation anglaise de «Bring Your Own Device», en français «Apportez vos appareils personnels»). La très convoitée bande de 2.4 GHz fait difficilement le poids face à l’assaut des terminaux mobiles privés et offre trop de peu de débit avec des bandes passantes de 20 MHz. A l’inverse, la norme IEEE 802.11n propose un spectre suffisant pour les canaux de 80 MHz ou 160 MHz et permet des débits de téléchargement allant jusqu’à 7 Gbit/s, même s’ils se limitent encore à un maximum de 1.3 Gbit/s dans la pratique.

Vue d’ensemble des standards et conceptions d’IEEE de série 802.11x (© R. Sellin)


http://www.ieee802.org/11





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4 Glossaire

3GPP Third Generation Partnership Project

CSD Circuit Switched Data

EDGE Enhanced Data Rates for the GSM Evolution

GPRS General Packet Radio Service

GSM Global System for Mobile Communications

HSCSD High Speed Circuit Switched Data

HSDPA High Speed Downlink Packet Access

HSPA High Speed Packet Access

HSUPA High Speed Uplink Packet Access

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

IP Internet Protocol

LTE Long Term Evolution

LTE-A LTE Advanced

MIMO Multiple Input, Multiple Output

QAM Quadrature Access Modulation

QPSK Quadrature Phase Shift Keying

SIM Subscriber Identity Module

SIP Session Initiation Protocol

UMTS Universal Mobile Telecommunications System

VoLTE Voice over LTE

VPN Virtual Private Network

WLAN Wireless Local Area Network

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