LTE,LTE Advanced et 5G 1

1.Présentation Le LTE (Long Term Evolution) est une évolution des normes de téléphonie mobile GSM/EDGE,CDMA2000, TD-SCDMA et UMTS.téléphonie mobileGSMEDGECDMA2000TD-SCDMAUMTS La norme LTE, définie par le consortium 3GPP, a d'abord été considérée comme une norme de troisième génération « 3.9G » (car proche de la 4G), spécifiée dans le cadre des technologies IMT-2000, car dans les « versions 8 et 9 » de la norme, elle ne satisfaisait pas toutes les spécifications techniques imposées pour les normes 4G par l'Union internationale des télécommunications (UIT).3GPP4GIMT-2000Union internationale des télécommunications 2

Les réseaux mobiles LTE sont commercialisés sous l’appellation « 4G » par les opérateurs de nombreux pays, par exemple : Proximus, Base, VOO Mobile et Mobistar en Belgique, Swisscom en Suisse, Verizon et AT&T aux États-Unis, Rogers Communications et Fido Solutions au Canada, Orange, Bouygues Telecom, SFR et Free Mobile en France…réseaux mobilesopérateursProximusBaseVOO MobileMobistarSwisscomVerizonAT&TRogers CommunicationsFido SolutionsOrangeBouygues TelecomSFRFree Mobile 3

Le LTE utilise des bandes de fréquences hertziennes d’une largeur pouvant varier de 1,4 MHz à 20 MHz dans une plage de fréquences théorique de 450 MHz à 3,8 GHz, permettant ainsi d'obtenir (pour une bande 20 MHz) un débit binaire théorique pouvant atteindre 300 Mbit/s en « liaison descendante » (downlink, vers le mobile) ; la « vraie 4G », appelée LTE Advanced offrira un débit descendant pouvant atteindre 1 Gbit/s ; ce débit nécessitera l’utilisation de bandes de fréquences de 2×100 MHz de largeur qui sont définies dans les versions 10 et 11 (3GPP release 10 et 11) de la norme LTE Advancedlargeurdébit binaireliaison descendanteLTE Advanced 4

2.Architecture du réseau LTE Les réseaux LTE sont des réseaux cellulaires constitués de milliers de cellules radio qui utilisent les mêmes fréquences hertziennes, y compris dans les cellules radio mitoyennes, grâce aux codages radio OFDMA et SC-FDMA. Ceci permet d’affecter à chaque cellule une largeur spectrale plus importante qu'en 3G, variant de 3 à 20 MHz et donc d'avoir une bande passante plus importante et plus de débit dans chaque cellule.réseaux cellulairesOFDMASC-FDMAlargeur spectrale3 à 20 MHz Le réseau est constitué de deux parties : une partie radio (eUTRAN) et un cœur de réseau « EPC » (Evolved Packet Core). 5

Architecture de l’accès radio (eUTRAN) d’un réseau LTE.eUTRAN 6

3.La partie radio eUTRAN La partie radio du réseau, appelée « eUTRAN » est simplifiée, comparée à celle des réseaux 2G (GERAN) et 3G (UTRAN), par l’intégration dans les stations de base « eNode B » des fonctions de contrôle qui étaient auparavant implémentées dans les RNC (Radio Network Controller) des réseaux 3G UMTS.eUTRANGERANUTRANeNode BRNC La partie radio d’un réseau LTE (voir dessin) se compose donc des eNode B, d’antennes locales ou distantes, de liaisons en fibres optiques vers les antennes distantes (liens CPRI) et des liaisons IP reliant les eNode B entre eux (liens X2) et avec le cœur de réseau (liens S1) via un réseau de backhaul.eNode Bantennesbackhaul 7

4.Le cœur de réseau EPC Le cœur de réseau appelé « EPC » (Evolved Packet Core) utilise des technologies « full IP », c'est-à-dire basées sur les protocoles Internet pour la signalisation, le transport de la voix et des données. Ce cœur de réseau permet l’interconnexion via des routeurs avec les eNodeB distants, les réseaux des autres opérateurs mobiles, les réseaux de téléphonie fixe et le réseau Internet.IPInternetrouteurs L’utilisation du protocole IP de bout-en bout dans le cœur de réseau permet des temps de latence réduits pour l’accès internet et les appels vocaux LTE.temps de latence 8

5.Principales différences entre les normes LTE et 3G UMTS Les normes LTE, définies par le consortium 3GPP sont dérivées des normes UMTS, mais apportent de nombreuses modifications et améliorations, notamment : un débit descendant théorique allant jusqu'à 326,4 Mbit/s crête (300 Mbit/s utiles) en mode MIMO 4×4 ;descendantMIMO 4×4 un débit montant théorique allant jusqu'à 86,4 Mbit/s crête (75 Mbit/s utiles) ; cinq classes de terminaux LTE ont été définies, elles supportent des débits allant de 10 Mbit/s (catégorie 1), jusqu’au débit maximal descendant prévu par la norme LTE (300 Mbit/s pour la catégorie 5). Tous les terminaux LTE doivent être compatibles avec les largeurs de bandes de fréquence allant de 1,4 à 20 MHz ;terminaux LTEbandes de fréquence un débit de données trois à quatre fois plus important que celui de l'UMTS/HSPAUMTSHSPA 9

une efficacité spectrale (nombre de bits transmis par seconde par hertz) trois fois plus élevée que la version de l'UMTS appelée HSPA ;hertzHSPA un temps de latence RTT (Round Trip Time) proche de 10 ms (contre 70 à 200 ms en HSPA et UMTS) ;RTTHSPA l’utilisation du codage OFDMA pour la liaison descendante et du SC- FDMA pour la liaison montante (au lieu du W-CDMA en UMTS) ;codage OFDMASC- FDMAliaison montanteW-CDMA des performances et des débits radios améliorés par l’utilisation de la technologie multi-antennes MIMO du côté équipement terrestre (eNodeB) et du côté terminal (en réception uniquement) ;MIMOeNodeBterminal l'utilisation de codes correcteur d'erreur de type « Turbo codes » associés aux algorithmes de retransmission HARQ ;Turbo codesHARQ la possibilité d'utiliser une bande de fréquence allouée à un opérateur variant de 1,4 MHz à 20 MHz, permet une plus grande souplesse (par rapport à la largeur spectralefixe de 5 MHz de l'UMTS / W- CDMA).opérateurlargeur spectrale 10

une large gamme de bandes de fréquences hertziennes supportées, y compris celles historiquement attribuées au GSM et à l’UMTS et de nouvelles bandes spectrales notamment autour de 800 MHz et de 2,6 GHz : 39 bandes sont normalisées par le 3GPP (dont 27 en LTE FDD et 11 en TDD 7 ). La possibilité d'utiliser des sous-bandes de fréquences non-contiguës ;GSMFDDTDD 7 la contrepartie du grand nombre de bandes de fréquences prévues par la norme est la quasi impossibilité pour un terminal de prendre en charge simultanément toutes les fréquences normalisées ; il y a donc des risques importants d'incompatibilité entre terminaux mobiles et réseaux nationaux ; 11

la prise en charge de plus de 200 terminaux actifs simultanément dans chaque cellule ; un bon support des terminaux en mouvement rapide. De bonnes performances ont été enregistrées jusqu'à 350 km/h, voire jusqu'à 500 km/h, en fonction des bandes de fréquence utilisées. Contrairement aux normes 3G HSPA et HSPA+, qui utilisent la même couverture radio que l’UMTS, le LTE nécessite des fréquences radio et des antennes qui lui sont propres mais qui peuvent être colocalisées avec celles d’un réseau 2G ou 3G.HSPAHSPA+antennes 12

6.LTE Advanced LTE-Advanced est une norme de réseau de téléphonie mobile de 4e génération définie par l’organisme de normalisation 3GPP qui fait partie (avec le Gigabit WiMAX)réseau de téléphonie mobile3GPPWiMAX des technologies réseaux retenues par l’UIT comme norme 4G IMT-Advanced ; il représente la « vraie » 4G. 4G Le LTE Advanced, dont la normalisation de la première version s’est achevée fin 2011 au sein de l'ETSI et du 3GPP (normes 3GPP release 10 - version 10), est une évolution de la norme LTE qui lui permet d’atteindre le statut de « véritable norme 4G », tout en gardant une compatibilité ascendante complète avec le LTE, au niveau des terminaux (smartphones, tablettes, clés 4G) et au niveau du réseau, grâce aux fréquences identiques et aux codages radio (OFDMA et SC-FDMA) qui sont ceux déjà utilisés dans les réseaux LTE (accès radio EUTRAN).ETSI3GPPLTEsmartphonestablettesclés 4GOFDMASC-FDMAEUTRAN 13

Le LTE-Advanced sera capable de fournir des débits pics descendants (téléchargement) supérieurs à 1 Gb/s à l’arrêt et à plus de 100 Mb/s pour un terminal en mouvement, grâce aux technologies réseaux intelligentes qui permettent de maintenir des débits plus élevés en tout point de la cellule radio, alors qu’ils baissent fortement en bordure des cellules UMTS et LTE.téléchargementUMTS 14

6.1.Évolutions par rapport au LTE Les bénéfices suivants sont apportés par les évolutions de la norme LTE vers le LTE Advanced :  des débits plus élevés sur les liens descendants et optionnellement les liens montants, grâce à l’agrégation de porteuses (en anglais : « Carrier Aggregation ») qui permet d’utiliser un spectre hertzien (continu ou pas) pouvant atteindre 100 MHz de largeur (à comparer à 20 MHz maximum en LTE.liens descendantsliens montants  des performances radios accrues au niveau d'une cellule pour pouvoir servir plus de terminaux mobiles, grâce, entre autres, aux évolutions de la technologie MIMO (Mimo 8x8).MIMO 15

la possibilité de déployer des relais radio annexes à coûts plus faibles qui viennent étendre la couverture des cellules principales. de meilleures performances dans les zones mitoyennes de 2 cellules grâce aux techniques de micro-synchronisation entre cellules appelée « CoMP » (Coordinated Multi-Point) et SON (Self Organizing Network) et grâce au beamforming actif permis par les antennes MIMO.SONbeamforming 16

4G+ (LTE-Advanced) : quels smartphones sont et seront compatibles ? (Article d’un journal) La 4G+ (ou LTE-Advanced) arrive à grands pas en Europe et notamment en France.Bouygues Telecom vient en effet de lancer ses offres 4G+ pour bénéficier d’un débit de 220 Mbps dans certaines conditions contre 115 Mbps actuellement. Malheureusement, aucun smartphone n’est actuellement compatible avec ces débits. Quels seront alors ceux compatibles à l’avenir, quand arriveront-ils et surtout, qu’est-ce qui les différencie de ceux vendus actuellement ?4GBouygues Telecom vient en effet de lancer ses offres 4G+ pour bénéficier d’un débit de 220 Mbps dans certaines conditions 17

Bouygues Telecom a annoncé avoir commercialisé son offre 4G+ dans 7 villes françaises et que les 16 plus grandes villes de France allaient être couvertes à la rentrée.Orange prépare lui aussi son arrivée sur la 4G LTE- Advanced et SFR devrait suivre. Petit problème : actuellement, aucun appareil vendu n’est compatible avec les méthodes utilisées par la 4G+ pour augmenter les débits, à savoir l’agrégation de porteuses, c’est-à-dire l’utilisation simultanée de plusieurs bandes de fréquence comme nous l’avait expliqué Luc-Aurélien dans son dossier consacré à la 4G+.Bouygues Telecom a annoncé avoir commercialisé son offre 4G+ dans 7 villes françaisesOrange prépare lui aussi son arrivée sur la 4G LTE- Advancedcomme nous l’avait expliqué Luc-Aurélien dans son dossier consacré à la 4G+ Bouygues Telecom indique toutefois que le 1er juillet prochain, l’opérateur vendra aux professionnels et particuliers deux routeurs 4G+ : la box 4G+ de Huawei pour les premiers et le Hotspot 4G+ Bbox Nomad de Huawei pour les seconds. Celui-ci devrait être vendu 139,90 euros avec un forfait contre 259,90 euros nu. Et les smartphones dans tout ça ? Bouygues TelecomHotspot 4G+ Bbox Nomad de Huawei pour les seconds 18

19 Le hotspot 4G+ de Bouygues Telecom

Les smartphones ne connaissent pas (encore) la 4G+ Pour le moment, aucun terminal mobile (smartphone ou tablette) n’est compatible avec la 4G+. La raison est simple : les constructeurs n’ont pas intégré de modems compatibles dans leurs terminaux puisqu’aucun fabricant de modems n’en propose encore. Ils se sont sûrement laissés prendre de court par les opérateurs français, en pleine guerre des services dans laquelle posséder le meilleur réseau et les meilleurs débits est important. Actuellement, aucun constructeur de smartphones n’a communiqué officiellement sur le support prochain de la 4G+. Mais heureusement, les fabricants de processeurs et les rumeurs nous permettent d’en savoir un peu plus. 20

Les modems qui supportent les 300 Mbps Avant d’entrer dans les détails, signalons que pour être compatible avec les réseaux 4G+ (LTE-Advanced), le modem intégré dans les smartphones doit être de catégorie 6, c’est-à-dire permettre des débits maximum théoriques de 300 Mbps en téléchargement grâce à l’agrégation des porteuses. Pour le moment, seuls Qualcomm et Intel ont annoncé des modems qui seront de catégorie 6. Le Gobi MDM9x35 de Qualcomm supportera donc bien la 4G+ alors que chez Intel, ce sera le XMM 7260 qui prendra en charge l’évolution des réseaux 4G. Pour le moment, les autres fabricants de modems n’ont pas fait part de leur intention de supporter la 4G LTE-Advanced mais nul doute que les annonces devraient bientôt tomber. 21

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Les SoC et smartphones qui bénéficieront de la 4G+ Chez Qualcomm, on sait déjà que le Gobi MDM9x35 se retrouvera dans le Snapdragon 805, le successeur du 801. La firme américaine avait d’ailleurs réalisé une démonstration du 805 dans un Galaxy Note 3 lors du MWC Chez Intel, certaines versions des Atom Moorefield Z3560 et Z3580 intégreront le modem XMM Pour le moment, seul Asus a annoncé des produits intégrant les puces Moorefield d’Intel : les FonePad et MemoPad.Malheureusement, la firme taiwanaise n’a pas indiqué la version du modem utilisée et donc leur compatibilité 4G+.Asus a annoncé des produits intégrant les puces Moorefield d’Intel : les FonePad et MemoPad. 23

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Concernant le Snapdragon 805, si aucun constructeur n’a encore indiqué qu’il allait utiliser ce SoC dans ses futurs produits, de nombreuses rumeurs indiquent que le processeur de Qualcomm et son modem compatible 4G+ devraient se retrouver dans les futurs smartphones des gros constructeurs comme les HTC One M8 Plus et Advance, le Samsung Galaxy F ou encore le LG G3 Prime. Bouygues Telecom a précisé que des smartphones compatibles 4G+ seraient disponibles à la rentrée. Rappelons également que l’an dernier,Samsung avait lancé une version LTE Advanced du Galaxy S4 dont le nom était particulièrement trompeur. En effet, avec son Snapdragon 800 et son modem Gobi MDM9x25, le smartphone de Samsung devait se limiter à 150 Mbps.HTC One M8 Plus et AdvanceSamsung Galaxy FLG G3 PrimeSamsung avait lancé une version LTE Advanced du Galaxy S4 25

Et sans modem 4G+, on fait quoi ? Si votre smartphone actuel ne possède pas de modem 4G de catégorie 6 mais qu’il est limité à la catégorie 4, il n’y a pas de raison de s’inquiéter : votre smartphone se limitera à un débit de 150 Mbps mais continuera de capter le réseau 4G même lorsque tous les opérateurs seront passés intégralement à la 4G+. En fait, la 4G+ se sert des antennes 4G existantes, c’est simplement le smartphone qui se connecte à plusieurs antennes pour améliorer sa vitesse de connexion. En attendant la prochaine génération de réseau, la fameuse 5G qui commence, peu à peu, à prendre forme, avec de premiers accords conclus entre l’Europe et la Corée du Sud… pour un déploiement prévu à l’horizon 2020.premiers accords conclus entre l’Europe et la Corée du Sud… pour un déploiement prévu à l’horizon

7.Réseaux 5G Contexte: La 5G n'est pas encore définie et n'est donc pas officielle, mais le terme est utilisé pour désigner la prochaine génération successeur de la 4G dans certains journaux et documents.4G La 5G, déjà évoquée par les industriels de l'électronique dans les années 1980 pourrait voir le jour vers

7.1.Enjeux de la norme 5G Enjeux économiques : De nombreux acteurs voient là un marché émergent, potentiellement riche en applications et débouchés nouveaux ; la 5G pourrait par exemple permettre de nouveaux usages numériques dans des domaines variés tels que la santé (diagnostic automatique ou distant, chirurgie et médication commandées à distance), du travail (télétravail), du déploiement d'objets communicants, de détecteurs et senseurs du e-commerce, des smartgrids, de l'intelligence artificielle, de la sécurité (téléprotection, gestion des flux de personnes, véhicules, denrées, biens et services en temps réel...), de l'éducation et de l'accès à l'information.santétravailtélétravailobjets communicantse-commercesmartgridsintelligence artificielletéléprotectionéducation 28

Enjeux éthiques : Des questions éthiques nouvelles, et des défis techniques et de soutenabilité se posent concernant la gestion et gouvernance de la bande passante (Cisco annonce d'ici 2018 une multiplication en 4 ans par 11 du trafic de données mobiles dans le monde ; par rapport à 2014 ), mais aussi concernant de possibles effets pervers du très haut débit dans les domaines de la vitesse de l'information sécurité informatique, flux financiers, bancaires et gestion boursière, de stockage des informations qui tendront à beaucoup grandir, voire d'« épidémiologie virale » et de protection des données privées (le piratage pouvant devenir quasiment instantané). L'analyse du cycle de vie(consommation d'énergie et de métaux rares par les serveurs et réseaux).éthiquessoutenabilitébande passanteCiscosécurité informatiqueviralecycle de vieserveursréseaux 29

Enjeux environnementaux : Des questions se posent encore concernant les incertitudes en termes d'effets de la multiplication du nombre et de la puissance des antennes et relais en termes de smog électromagnétique et de santé environnementale, de même pour d'éventuels effets du haut-débit sur la psyché humaine. Un défi énergétique consiste à atteindre une meilleure efficience énergétique, voire une sobriété ou indépendance énergétique d'appareils qui auraient fait l'objet d'une écoconception permettant des économies et un recyclage intégral (économie circulaire) de ressources rares et toxiques. Ceci implique des moyens plus intelligents, propres, sûrs et sobres pour alimenter les appareils mobiles mais aussi tout le réseau Interneteffetsantennesrelaissmog électromagnétiquesanté environnementalehaut-débitécoconceptionéconomie circulaire 30

Enjeux techniques: De nombreux défis sont à relever, qui vont d'une moindre consommation, voire d'une autonomie énergétique à la gestion du big data et d'un très grand nombre d'IP. 31

7.2.Techniques 5G Le 12 mai 2013, Samsung a annoncé avoir testé pour la première fois avec succès des techniques de sa future offre de réseau 5G qu'il prévoit pour 2020, avec des débits de données de 1 Gb/s (1 gigabit par seconde) et allant dans le futur jusqu'à 10 Gb/s.Gb/s 32

7.3.Recherche, tendances et prospective pour 5G Tous les grands opérateurs du secteur des télécommunications s'intéressent au sujet ainsi que de grandes institutions et de nombreux États : Par exemple l'Union européenne a financé ou co- financé de grands programmes comme 5G now, IJoin, Tropic et METIS est l'acronyme de (Mobile and wireless communications Enablers for the Twenty-twenty Information Society).Union européenne Lors du Mobile World Congress 2014 a été présenté le Tethercell, un dispositif qui fait de presque n'importe quel appareil à piles en objet compatible Bluetooth (une pile AA associée au Tethercell transforme la pile en « batterie intelligente», programmable et contrôlable à distance ou capable d'alerter avant que le dispositif ne manque d'énergie).Tethercellbatterie intelligente 33

De grandes entreprises et des réseaux de chercheurs essayent d'imaginer et préfigurer un « 5G vert », c'est-à-dire à moindre empreinte carbone et écologiquement plus respectueux des ressources naturelles pas, peu, difficilement ou lentement renouvelables car jusqu'ici, les progrès techniques ont toujours été compensés ou dépassés par l'« Effet rebond » induit par l'augmentation des usages et des usagers et par l'obsolescence programmée de certains dispositifs.empreinte carbone« Effet rebond »obsolescence programmée 34