LTE (réseaux mobiles)

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Pays équipés fin 2012 de réseaux LTE : réseaux commerciaux en rouge, réseaux en cours de déploiement en bleu foncé

Le LTE (Long Term Evolution) est l'évolution la plus récente des normes de téléphonie mobile GSM/EDGE, CDMA2000, TD-SCDMA et UMTS.

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. La norme LTE n'est pas figée, le consortium 3GPP la fait évoluer en permanence (en général une fois par an).

En octobre 2010, l'UIT a accordé aux normes LTE et WiMAX définies avant les spécifications « IMT-Advanced » et qui ne satisfaisaient pas complètement à ses pré requis, la possibilité commerciale d'être considérées comme des technologies «  4G », du fait du niveau substantiel d'amélioration des performances comparées à celles des premiers systèmes « 3G » (UMTS et CDMA2000).

Les réseaux mobiles LTE sont maintenant commercialisés sous l’appellation « 4G » par les opérateurs de nombreux pays, par exemple : Proximus en Belgique, Swisscom en Suisse, Verizon et AT&T aux États-Unis, Orange, Bouygues Telecom et SFR en France...

Le LTE utilise des bandes de fréquences hertziennes d’une largeur pouvant varier de 1,4 MHz à 20 MHz, 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 2x100 MHz de largeur qui sont définies dans la version 10 (3GPP release 10) de la norme LTE Advanced.

Caractéristiques principales

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

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, variant de 3 à 20 MHz et donc d'avoir une bande passante plus importante et plus de débit dans chaque cellule.

Le réseau est constitué de 2 parties : une partie radio (eUTRAN) et un cœur de réseau « EPC » (Evolved Packet Core).

La partie radio eUTRAN

La partie radio du réseau, appelée « eUTRAN » est simplifiée par rapport à celles 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.

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 liens IP reliant les eNode B entre eux (liens X2) et avec le cœur de réseau (réseau de backhaul).

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 autres eNodeB distants, les réseaux des autres opérateurs mobiles, les réseaux de téléphonie fixe et le réseau Internet.

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.

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 4X4;
• 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 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;
• un débit de données deux à trois fois plus important que celui de l'UMTS/HSPA;
• une efficacité spectrale (nombre de bits transmis par seconde par hertz) trois fois plus élevée que la version de l'UMTS appelée HSPA;
• un temps de latence RTT (Round Trip Time) proche de 10 ms (contre 70 ms à 200 ms en HSPA et UMTS);
• l’utilisation du codage OFDMA pour la liaison descendante et du SC-FDMA pour la liaison montante (au lieu du W-CDMA en UMTS);
• des performances et des débits radios améliorés par l’utilisation optionnelle de la technologie multi-antennes MIMO à la fois du côté terminal et du côté équipement terrestre (eNodeB);
• l'utilisation de codes correcteur d'erreur de type « Turbo codes » associés aux algorithmes de retransmission HARQ.
• 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 spectrale fixe de 5 MHz de l'UMTS / W-CDMA) ;
• une large gamme de bandes de fréquences hertziennes supportées, y compris celles du GSM, de l’UMTS et de nouvelles bandes spectrales à 2,6 GHz : 27 bandes sont normalisées par le 3GPP (dont 19 en LTE FDD et 8 en TDD). La possibilité d'utiliser des sous-bandes de fréquences non-contiguës ;
• 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; il y a donc des risques importants d'incompatibilité entre terminaux mobiles et réseaux nationaux ;
• 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.

Les réseaux et terminaux LTE disponibles en 2012 ne peuvent transmettre que des données (tout comme les protocoles GPRS et Edge sur les réseaux GSM). Les opérateurs mobiles offrant des accès LTE réutilisent leurs réseaux 2G ou 3G (UMTS) pour prendre en charge les appels vocaux de leurs abonnés via une procédure appelée « CSFB » (Circuit Switch Fall-Back). Le terminal mobile « coupe » provisoirement la connexion au réseau radio 4G LTE, le temps de l'appel vocal sur le réseau 3G. Une nouvelle norme est en cours d’implémentation : « VOLTE » (Voice Over LTE) qui supportera nativement la voix sur les réseaux uniquement LTE, à partir de smartphones compatibles.

Contrairement aux normes HSPA et HSPA+, qui utilisent la même couverture radio que l’UMTS, le LTE nécessite une couverture radio et des antennes relais qui lui sont propres mais qui peuvent être co-localisées avec celles d’un réseau 3G.

Débits théoriques et débits réels

Le débit réel de données observé par l’utilisateur d’un réseau LTE peut être très fortement réduit par rapport aux débits binaires théoriques annoncés et définis par la norme LTE. Les principaux facteurs ayant une influence sur le débit effectif sont les suivants :

• Le nombre d’utilisateurs actifs se partageant la bande passante au sein d’une cellule (surface radiante d'une antenne) LTE ; plus il y a d’abonnés en communication, moins chacun a de débit unitaire.
• La largeur de la bande de fréquence attribuée à l’opérateur du réseau. Le débit utile global est proportionnel à cette largeur de bande (qui peut varier de 1,4 MHz à 20 MHz en LTE et jusqu'à 100 MHz en LTE Advanced).
• Les types d’antennes utilisés, coté terminal et coté réseau (antenne relais) : le débit binaire maximal de 300 Mbit/s suppose des antennes MIMO 4X4 (quadruples) aux 2 extrémités de la liaison radio LTE (cas de figure peu réaliste pour un téléphone mobile ou un smartphone à cause de leur petite taille).
• La distance entre le terminal et la (ou les) antennes relais (le débit est très inférieur en périphérie de cellules radio à cause des interférences avec les cellules adjacentes) et les conditions de réception radio (interférences, bruit, échos liés aux réflexions sur les immeubles, …).
• La position fixe (statique) ou « en mouvement » du terminal de l’abonné ; le débit utile est réduit pour un terminal en mouvement.
• La capacité en débit et le nombre maximum d'utilisateurs simultanés permis par la station de base (eNode B) et le débit des liens cuivres ou optiques reliant cette station au cœur de réseau (réseau de backhaul).

Le type et la catégorie du terminal influent aussi sur le débit maximum possible ; par exemple un terminal LTE (UE "User Equipment" en anglais) de catégorie 1, ne supporte qu’un débit binaire de 10 Mbit/s alors qu’un autre de catégorie 3 supportera 100 Mbit/s (voir tableau ci-dessous). En contrepartie, plus la catégorie du terminal est élevée, plus le terminal sera complexe (coûteux) et moins son autonomie sera grande (à niveau technologique égal).

Buts recherchés et calendrier prévisionnel

Avec le LTE et la 4G, les industriels et les opérateurs cherchent à augmenter les débits réels aux alentours de 20/30 Mbit/s à l'horizon 2011-2012, puis 100 Mbit/s et probablement plus, à long terme. La cible de débit théorique maximal de la technologie LTE Advanced est de 1 Gbit/s.

Normes et fréquences

La standardisation par le 3GPP du LTE a été achevée au début 2008 (3GPP rel 8) et la disponibilité des premiers équipements pour tester la norme LTE a eu lieu en 2009. En 2009 et 2010, plusieurs opérateurs nord-américains utilisant la norme CDMA2000 ont décidé de passer à la norme LTE dès que les équipements seraient disponibles, abandonnant ainsi leur technologie historique : le CDMA, ce qui offre la perspective de créer sur la base du LTE une norme mondiale de communications mobiles.

Le but du LTE est de permettre l'utilisation du haut-débit mobile, en utilisant l'expérience et les investissements des réseaux 3G afin d'évoluer rapidement vers les réseaux de quatrième génération 4G « LTE Advanced », dont l'objectif est d'atteindre des débits encore plus élevés (> 1 Gbit/s).

Deux variantes exclusives de la norme LTE ont été définies au niveau radio : le FDD (Frequency Division Duplexing) qui utilise 2 bandes de fréquences distinctes pour l'émission (upload) et la réception (download) et le TDD (Time-Division Duplex) qui utilise une seule bande de fréquences avec des sous-porteuses dynamiquement allouées à l'émission ou à la réception des données.
La variante TDD a l’avantage de s’adapter facilement à des débits upload / download déséquilibrés, ce qui est souvent le cas pour les smartphones utilisés pour consulter Internet ou pour visualiser des vidéos. La variante FDD est plus simple à implémenter (dans les antennes relais et les terminaux LTE) car les bandes de fréquences émission et réception sont séparées d’au minimum 30 MHz ; elle nécessite donc des filtres plus simples et elle implique des contraintes de synchronisation moins sévères entre les terminaux mobiles et les stations de base car ils utilisent en émission des bandes de fréquences différentes. L’Europe (via la CEPT) et la France ont choisi la variante FDD.

Les bandes de fréquences hertziennes prévues par les normes 3GPP pour le LTE et le LTE Advanced sont très nombreuses (plus de 20) et s'étalent de 600 MHz à 3,8 GHz. Celles situées dans la zone des 800 MHz et 900 MHz sont utilisables sur tout le territoire et particulièrement dans les zones rurales car elles ont une plus grande portée que les ondes radio de fréquences plus élevées. Le rayon de couverture de chaque cellule est variable, allant de quelques centaines de mètres (débits optimaux en zones urbaines) jusqu'à 50 km (zones rurales).

Dans l'Union européenne, les discussions sur l'utilisation de la bande de fréquence des 800 MHz qui était auparavant utilisée pour la télévision analogique UHF (canaux 61-69), ont abouti à l’affectation de ces bandes spectrales aux réseaux mobiles 4G LTE. Ces canaux sont disponibles en France depuis début 2012, suite à la libération de ce que l'on appelle le « dividende numérique », obtenu par le passage à la TV numérique (TNT) de tous les États membres européens.

Dans les villes et zones urbaines, les bandes hertziennes affectées, au LTE ont des fréquences plus élevées (entre 2,5 et 2,7 GHz en France et au sein de l'UE). Dans ce cas, la taille de la cellule radio (zone de couverture) sera de quelques km ou moins (small cells).

En ce qui concerne l'utilisation des bandes des 900 MHz et 1 800 MHz, il est nécessaire d’effectuer un « réaménagement » du spectre en libérant des canaux initialement attribués au GSM (2G) et à l'UMTS (3G). Dans de nombreux pays européens, certains opérateurs ont déjà réutilisé une partie de la bande de fréquence des 1800 MHz pour le LTE; cette bande de fréquence est la plus utilisée dans les réseaux 4G/LTE européens fin 2012.

En France, l’autorisation d’utiliser une partie de cette bande de fréquence des 1800 MHz a été accordée à Bouygues Télécom par l’Arcep le 14 février 2013 avec pour date de mise en effet le 1er octobre 2013. Cette bande de fréquence aura donc pendant quelques années une utilisation mixte 2G (GSM) et LTE.

Attribution des fréquences en France

Bande des 800 MHz

Bande LTE n°20 FDD. Cette bande de fréquence est dédiée au LTE et au LTE Advanced.

Bande des 1800 MHz

Bande LTE n^o 3 FDD. Cette bande de fréquence a une utilisation mixte 2G (GSM) et LTE.

Du 1^er octobre 2013 au 24 mai 2016

En France métropolitaine, Bouygues Telecom bénéficiera d'une largeur de bande de 21,6 MHz duplex, à partager entre GSM et LTE :

Exceptions

Dans les zones très denses, Bouygues Telecom bénéficie temporairement d'une largeur de bande de 23,8 MHz duplex :

• Toulouse entre 1^er octobre 2013 et 1^er avril 2014
• Bayonne, Strasbourg et Lille entre 1^er octobre 2013 et 1^er juillet 2014
• Lyon entre 1^er octobre 2013 et 1^er janvier 2015
• Marseille-Aix entre 1^er octobre 2013 et 1^er avril 2015
• Nice et Paris entre 1^er octobre 2013 et 1^er juillet 2015

À partir du 25 mai 2016

Dans toute la France métropolitaine : largeur de bande de 20 MHz duplex, à partager entre GSM et LTE :

Bande des 2600 MHz

Bande LTE n^o 7 FDD. Cette bande de fréquence est dédiée au LTE et au LTE Advanced.

On peut aussi noter que l'Arcep dans ses décisions du 22 décembre 2011 et du 17 janvier 2012 accorde un droit d'itinérance dans la bande des 800 MHz à l’opérateur Free Mobile sur le futur réseau 4G de SFR, car l'appel d'offre de l'ARCEP prévoyait ce droit pour l'opérateur ayant obtenu une autorisation d’utilisation de fréquences dans la bande des 2 600 MHz et pas dans celle des 800 MHz.

Caractéristiques des terminaux

Les terminaux LTE (appelés User Equipment dans les spécifications 3GPP) peuvent être des téléphones (smartphones), des tablettes, des clés-modems USB ou tout autre type d’équipements fixes ou mobiles (GPS, ordinateur, écran vidéo, …)

Le 3GPP et l'ETSI dans les normes release 8 (version 8), ont défini 5 classes de terminaux LTE correspondant aux débits maximaux (montant et descendant) que doit supporter l’équipement et au type d’antenne qu’il intègre. Tout terminal, quelle que soit sa catégorie, doit être capable de s’adapter aux 6 largeurs spectrales allant de 1,4 à 20 MHz, définies par le 3GPP. Les débits de données listés dans le tableau supposent une largeur de bande de 20 MHz.

Catégories de terminaux LTE (3GPP rel.8)

Catégorie		1	2	3	4	5
Débits pics (Mb/s)	Descendant	10	50	100	150	300
	Montant	5	25	50	50	75
Caractéristiques fonctionnelles
Bande passante radio		1,4 à 20 MHz
Modulations	Descendante	QPSK, 16QAM, 64QAM
	Montante	QPSK, 16QAM				QPSK, 16QAM, 64QAM
Antennes
MIMO 2x2		Non	Oui
MIMO 4x4		Non				Oui

Technologies 3G et 4G concurrentes ou complémentaires

• Le LTE Advanced, dont les travaux de normalisation s'achèvent au sein de l'UMTS Forum et du 3GPP (normes 3GPP release 10), est considéré comme une évolution de LTE qui le fera passer en « vraie 4G ». Cette évolution apportera les bénéfices suivants :
  • des débits plus élevés sur les liens montants ou descendants du réseau, grâce à l’agrégation de porteuses (en anglais : Carrier aggregation) ;
  • des performances radios accrues au niveau d'une cellule pour servir plus de terminaux, grâce aux évolutions de la technologie MIMO ;
  • la possibilité de déployer des relais radio à coût plus faible qui viendront étendre la couverture d'une cellule ;
  • une plus grande souplesse en termes de capacité de trafic et de nombre de terminaux supportés par le réseau.

• Le WiMAX, qui a acquis le 18 octobre 2007 le statut de standard international ITU comme norme 3G. Les détenteurs d'une licence 3G pourraient donc déployer du WiMAX en sus de l'UMTS, mais l’incompatibilité technique entre ces 2 normes rend peu probable cette cohabitation.
  • Le WiMAX est déjà en cours de déploiement, cependant le débit maximal offert de plus de 100 Mbit/s pour le LTE contre 70 Mbit/s pour le WiMAX ainsi qu'une accessibilité supérieure (100 km en zone rurale) laisse supposer une domination du LTE à partir de 2011.
  • Le WiMAX et ses évolutions sont des antagonistes forts des technologies LTE ; la disponibilité de la technologie UMTS HSPA+ et du LTE, réduit considérablement les chances de succès de déploiement du WiMAX à grande échelle, en particulier dans le domaine de l'Internet et du haut-débit mobile. Le Wimax restera donc probablement limité en Europe, au marché de la boucle locale radio (BLR).

• Le HSPA et le HSPA+ (3.5G) qui constituent une évolution naturelle (peu couteuse) des réseaux UMTS existants.

Plusieurs équipementiers (Alcatel-Lucent, Ericsson, Nokia Siemens Networks, Huawei, …) et opérateurs télécoms (Verizon, AT&T, Orange, Vodafone, T-Mobile, NTT-DoCoMo…) travaillent ensemble au sein du 3GPP pour développer la standardisation des réseaux et des terminaux LTE (Long Term Evolution) et LTE Advanced.

Tests et commercialisation

modem USB LTE Samsung

La société Vodafone a annoncé en 2009 avoir achevé dans ses laboratoires des évaluations de produits LTE destinés à la plupart des pays européens où elle opère.

Le Japonais NTT DoCoMo a commencé la commercialisation du LTE dès la fin 2009 au Japon, il a plus de 6 millions d'abonnés LTE en octobre 2012.

Le 15 décembre 2009, TeliaSonera débute, en Suède et en Norvège, la commercialisation d'offres proposant des équipements et terminaux LTE, en continuant avec des extensions vers les autres pays densément peuplés du Nord de l'Europe. Pour le soutien technique de la dernière technologie de troisième génération, TeliaSonera s'est appuyée sur Ericsson (Stockholm) et Huawei (Oslo), tandis que les dispositifs de réception (USB) (clés LTE) sont fournis par Samsung.

Aux États-Unis, la société Verizon Wireless a lancé une offre commerciale LTE fin 2010 qui a attiré, à la fin du 3^e trimestre 2012, plus de 16 millions d’abonnés (1^er réseau mondial LTE). Les deux autres plus gros opérateurs mobile américains (AT&T et Sprint) ont aussi lancé une offre LTE fin 2011 et mi 2012.

Une étude d'utilisation des terminaux LTE en environnement réel sur les réseaux d'AT&T et de Verizon a montré fin 2011 des débits réels plutôt élevés, de 10 à 40 Mbit/s (pic) en réception (download) et jusqu’à 10 Mbit/s en émission (upload).

En France, Orange et Bouygues Telecom ont annoncé le 22 mars 2012 leur intention de commercialiser une offre LTE pour début 2013 et l'ouverture de réseaux pilotes dès juin 2012 (respectivement à Marseille et à Lyon). SFR a aussi annoncé fin mars prévoir le déploiement, dès 2012, de 2 réseaux LTE à Lyon et à Montpellier.

En Belgique, la 4G/LTE a été lancée par Belgacom le 5 novembre 2012 avec la couverture de 8 villes belges.

Le LTE avait conquis à la fin du 2 trimestre 2012, 27 millions d’abonnés dans le monde dont plus de 15 millions en Amérique du Nord ; puis 58 millions d’abonnés dans le monde fin 2012 dont environ la moitié en Amérique du Nord.

Voir aussi

Articles connexes

• Téléphonie mobile
• Réseau de téléphonie mobile
• GSM
• GPRS
• EDGE
• UMTS
• HSPA+
• WiMAX
• LTE Advanced
• 4G
• eNode B
• OFDMA
• SC-FDMA
• Liste des sigles de la téléphonie mobile

Liens externes

• (en) Présentation de la LTE sur le site du 3rd Generation Partnership Project.
• (en) Global mobile Suppliers Association Association regroupant les principaux fournisseurs d'équipements GSM, UMTS et LTE.