Technologies de radiocommunication mobile

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Technologies de
radiocommunication mobile
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Technologies de radiocommunication mobile
Une transmission de données rapide grâce à des procédés de transfert modernes
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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Table des matières
1 Introduction au thème................................................................................................................. 3
1.1 Nouvelles formes de travail ....................................................................................................... 3
1.2 Nette augmentation des bandes passantes............................................................................... 3
2 Evolution de la communication mobile........................................................................................ 4
2.1 Des réseaux analogiques aux réseaux numériques Natel .......................................................... 4
2.2 Evolution de la communication de données mobiles sur des réseaux GSM ................................ 5
2.3 Evolution de la communication de données mobile sur des réseaux UMTS ................................ 6
2.4 La quatrième génération sur le point d’être lancée: LTE ........................................................... 11
2.5 Développement prévu: LTE Advanced...................................................................................... 13
2.6 Complément à la 3G/4G: IP Multimedia Subsystem (IMS) ....................................................... 13
3
Wireless Local Area Networks (WLAN) ....................................................................................... 16
4
Glossaire ................................................................................................................................... 18
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1
Introduction au thème
1.1
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. Se pose alors la question de ce qui était là en premier: l’œuf ou la
poule? D’un côté en effet, 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. Il est impossible de déterminer si ces dernières
ont été initiées par ces premiers ou seulement soutenues. Quoi qu’il en soit, 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. Étant l'un des plus grands employeurs de Suisse,
Swisscom s'y est préparée 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 maximum associée à une transmission sûre des données constitue
une vraie plus-value pour l'utilisateur, qu’il s’agisse des collaborateurs internes ou de clients. Jusqu’à récemment,
la lenteur des réseaux mobiles a néanmoins freiné la large diffusion de la communication mobile des données.
De même, les coûts de transmission des données, jugés trop élevés par les clients, ont limité la propagation des
postes de travail mobiles. Grâce à des plans tarifaires attrayants et des offres combinées, cela n'est plus guère le
cas aujourd'hui.
1.2
Nette augmentation des bandes passantes
La disparition de ces deux obstacles donne lieu à un véritable boom 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 de 100 Mbps et plus. Cette tendance se retrouve dans les réseaux de communication mobile. Les
volumes de données transportés par Swisscom sur ces derniers ont triplé en un an et continuent à augmenter.
Ce phénomène s’explique notamment par la forte propagation des Smartphones, tels que l’iPhone et le
Blackberry, pour ne citer qu’eux. Le mobile traditionnel dédié à la téléphonie s’est transformé, grâce aux progrès
majeurs réalisés dans l’intégration de composants, en un terminal multifonction qui convient pour quasiment
toutes les utilisations tout en tenant dans la poche d’un pantalon. De même, les ordinateurs portables n’ont
cessé de gagner en popularité et ils ont depuis longtemps dépassé les ventes des PC stationnaires, sans être
beaucoup moins performants. Sont également venus s’ajouter les netbooks, nouveaux appareils compacts pour
le travail lors de déplacements. Pour l’interconnexion, la plupart des notebooks et netbooks disposent au moins
d’un module WLAN (Wireless Local Area Network) et, pour beaucoup, d’un module de radiocommunication pour
la liaison aux réseaux de communication mobiles 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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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 seconde génération, Natel B (1983). Même si les émetteurs et les récepteurs deviennent
plus compacts, il faut alors encore une mallette de 12kg pour les transporter. Ce n’est qu’avec le réseau à
sélection automatique Natel C (à partir de 1987) que les terminaux se compactisent réellement, devenant peu à
peu plus abordables. Dix ans après leur introduction 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 1re génération).
(© MfK, Berne)
Téléphone Natel A (1978): les dispositifs de transmissions remplissaient la moitié de l’espace
Le passage à l’ère de la communication mobile numérique se fait en 1993, à l’occasion du salon automobile de
Genève. Apparaît ainsi la 2G (2e génération). 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).
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2.2
Evolution de la communication de données mobiles sur des réseaux GSM
La norme GSM d’origine était toutefois fortement axée sur la communication vocale, de sorte que dans un
premier temps, les possibilités de communication de données mobile étaient limitées, et ce à des vitesses
réduites. Avec le CSD (Circuit Switched Data - données à commutation de circuit), le débit maximum était
seulement de 9,6 kbps, puis de 14,4 kbps. 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 kbps pour former un canal
allant jusqu’à 57,6 kbps. 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 beaucoup de ressources
radioélectriques, dont on avait plus que besoin pour la communication vocale mobile encore en plein
boom. Ce n’est qu’en 2001qu’une amélioration a pu être enregistrée avec le GPRS (General Packet Radio
Service), faisant partie de la génération GSM 2.5 (GSM 2.5G). D’une part, cette solution permettait pour la
première fois de proposer un service de données mobile à commutation de paquets. D’autre part, les
ressources de réseau GSM existantes s’en trouvaient nettement moins sollicitées. Néanmoins, le débit
n’était que de 30 - 40 kbits – ce qui n’était pas vraiment une vitesse enivrante pour la clientèle, mais tout
de même plus que les 9,6 kbps. Aujourd’hui encore, le GPRS est le premier choix pour la plupart des
téléphones portables lorsqu’il s’agit de consulter des brèves infos via le WAP (Wireless Application
Protocol). Sur les services de portails très populaires en particulier, cette combinaison a conquis une place
fixe. Ainsi, la presque totalité des opérateurs GSM proposent le GPRS dans leurs réseaux. Pour la
transmission mobile de gros volumes de données dans le cadre de téléchargements, le GPRS est toutefois
le deuxième choix. En effet, la solution EDGE (Enhanced Data Rates for the GSM Evolution), développement
du GSM 2,75G, est bien plus performante.
BlackBerry® Curve 8900: Business Phone sans UMTS, mais avec EDGE (© RIM)
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Comme le GPRS, EDGE fait partie de la norme GSM et on le trouve dans de nombreux Smartphones et
téléphones portables. Il utilise un système de modulation optimisé, raison pour laquelle on l'appelle souvent
EGPRS (Enhanced GPRS). En pratique, EDGE atteint des débits binaires supérieurs à 100 kbps (maximum
théorique: 256 kbps). Ses applications couvrent l’éventail du GPRS et de l’UMTS– soit pour les particuliers l
Internet sur le portail mobile des téléphones portables compatibles EDGE ou, pour les entreprises, la
communication de données mobile depuis des PDA ou des ordinateurs portables. En 2004, près d’un quart des
opérateurs de réseaux mondiaux ont rééquipé leurs réseaux GSM de près de 10 ans avec EDGE. Deux scénarios
se distinguent alors. Dans chacun d’entre deux, EDGE est mis en place de façon généralisée, c’est-à-dire dans
toutes les stations de base GSM. Dans le premier cas, assez rare, l'opérateur ne possède pas de licence 3G et
utilise EDGE en tant qu’unique technique High-Speed. T-Mobile, avec son réseau américain GSM1900, procédait
autrefois de la sorte, mais exploite aujourd’hui aussi des réseaux 3G. Dans le second scénario plus fréquent,
EGDE est indiqué lorsque l’opérateur propose l’UMTS uniquement sur des sites fortement et extrêmement
fréquentés et qu’il combine intelligemment l’UMTS et EDGE– l’UMTS dans les zones urbaines et EGDE ailleurs.
Des réflexions d’ordre financier, allant dans le sens d’une mise en place du réseau UMTS progressive et axée sur
la demande, peuvent aussi jouer un rôle. Pour offrir à la clientèle une couverture haut débit mobile sur tout le
territoire, l’UMTS est proposé dans les grands centres et EDGE, via le GSM, à tous les autres endroits. Si une
cellule UMTS venait à être surchargée, EDGE assurerait dans le cadre de la solution de repli (Fallback) à 2,75G une
communication de données parfaite. En France, les trois grands opérateurs (Orange, SFR et Brigs Telecom) ont
adopté ce modèle et en Suisse, deux des trois fournisseurs de GSM, dont Swisscom. Des opérateurs polonais,
italiens, hongrois, néerlandais et suédois, tout comme des fournisseurs de l’espace asiatique, comme l’Inde et
Hong Kong, proposent EDGE pour la communication de données sur des réseaux GSM. Aux Etats-Unis, AT&T
exploite EDGE dans son réseau GSM1900. Néanmoins, des investissements sont nécessaires pour les mises à
jour logicielles requises dans les stations de base GSM (BTS) et pour un équipement supplémentaire sur les sites
émetteurs. De nouvelles adaptations s’imposent sur le GSM Core Network, mais pas sur les antennes.
Pour des informations complémentaires: http://www.3gpp.org/article/gprs-edge
2.3
Evolution de la communication de données mobile sur des réseaux UMTS
L'évolution technique de la communication mobile est vertigineuse. Néanmoins, le lancement de l’UMTS – 3e
génération de téléphonie mobile (3G) - en 2004 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 sur la forme de cartes réseau, simplement enfichées dans le slot
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 début, l’UMTS offrait des vitesses allant jusqu'à 384 kbps. En pratique, les 2
Mbps proclamés dans la norme ne pouvaient être obtenus que dans des conditions proches d’un HotSpot:
nombre réduit d’utilisateurs dans la cellule, grande qualité de signal sans trou de couverture et aucun
mouvement de l’utilisateur. Malgré tout, l’UMTS était une formidable avancée par rapport au GSM, surtout en
matière de transmission de données mobiles.
(Suite à la page 7.)
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Spotlight: comparaison du procédé de transmission des réseaux GSM et UMTS
Pour exclure une perturbation réciproque des différents appareils de téléphonie mobile
dans un réseau, différents procédés existent. Le principe le plus simple est utilisé avec la
radio analogique, pour laquelle tous les émetteurs fonctionnent à différentes fréquences.
Pour écouter une station précise, le récepteur choisit simplement la fréquence de
réception respective (multiplexage en fréquence). Les inconvénients sont évidents:
chaque fréquence possible a besoin de son propre émetteur. Comme ce procédé serait
trop complexe pour la téléphonie mobile, le GSM s’appuie principalement sur le procédé
de multiplexage par répartition dans le temps (en anglais Time Division Multiple Access).
Avec le TDMA, plusieurs appareils émettent consécutivement sur une fréquence, chaque
appareil disposant seulement d’un court intervalle de temps pour sa transmission de
données ou de voix. Un canal regroupe plusieurs intervalles de temps, sur lesquels tous
les appareils peuvent communiquer les uns après les autres.
Pour sa part, l’UMTS repose en Europe sur le procédé WCDMA (Wideband Code Division
Multiple Access), avec lequel toutes les données d’une cellule sont transmises sur la
même fréquence et au même moment. La séparation des flux d'informations se fait à
l'aide de différents codes de transmission échangés entre l’émetteur et le récepteur Si un
usager se déplace et atteint le bord de la cellule, la perte de signal est compensée par une
augmentation de la puissance d’émission. Toutefois, l’UMTS dispose pour chaque cellule
d’un total maximum admissible en termes de puissance d’émission et celui-ci ne doit pas
être dépassé (il est limité de façon variable d'un pays à l'autre). L’augmentation de la
puissance d’émission pour un usager peut donc aller de pair avec une baisse pour d’autres
utilisateurs. En cas de surcharge au sein d’une cellule, la cellule UMTS se prémunit contre
les nouvelles tentatives de trafic en réduisant le rayon de la cellule (phénomène appelé la
«respiration cellulaire»). L’excédent est ainsi transmis aux cellules voisines. S’il n’y en a
pas ou si celles-ci sont aussi surchargées, il y a un transfert (handover) vers le GSM. Ainsi,
les usagers se partagent la bande passante disponible de la cellule de façon dynamique et
automatiquement ajustée, ce qui augmente la vitesse de transmission et l’efficience du
réseau.
Autre différence importante entre le GSM et l’UMTS: la bande passante des fréquences
utilisées. Pour les réseaux 2G, elle se monte à 200 kHz, contre 5 MHz pour la 3G. Ainsi, on
parvient à des taux de transmission de données rapides avec l’UMTS, qui n’atteignaient
que 2 Mbps au début. Aujourd’hui, des débits encore supérieurs sont possibles grâce au
HSPA. Les opérateurs de réseau proclament pour l’heure des bandes passantes allant
jusqu’à 14,4 Mbps en transfert descendant (downlink) et 1,4 Mbps en ascendant (uplink)
(toutes les indications en débit binaire brut). Et HSPA+ permet des vitesses encore
supérieures à celles de HSPA.
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(Suite de la page 5.)
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 – au plus tard avec l’introduction de l’iPhone, dont les propriétaires entendent rester informés en
permanence de ce qui se passe sur Facebook même lors de leurs déplacements. En outre, les Smartphones,
comme ceux de Samsung, HTC, Sony Ericsson ou Nokia, 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. Avec son Blackberry, précurseur des
Smartphones professionnels, l’entreprise canadienne Research in Motion (RIM) était pionnière de ce domaine.
Grâce à leur développement constant, ces Smartphones sont restés «state-of-the-art» jusqu’à ce jour, surtout en
termes d’intégration dans l’IT des entreprises, de sécurité et d’efficience de la communication de données.
(© Samsung und HTC)
Portables Android avec écran tactile: Samsung Galaxy S (à gauche) et HTC Desire, alternative à l’iPhone
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 de 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, des 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 (voir Tableau 1).
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Modulation
Inter Transmission
Time Interval (TTI)
Débit avec 5 codes
QPSK
1
> 1,8 Mbps (1)
QPSK
2
0,9 Mbps (Cat. 11)
QPSK / 16QAM
1
3,6 Mbps (Cat. 5 & 6)
QPSK / 16QAM
2
1,8 Mbps (Cat. 3 & 4)
QPSK / 16QAM
3
1,2 Mbps (Cat. 1 & 2)
Débit avec 10 codes
Débit avec 15 codes
7,2 Mbps (Cat. 7 & 8)
14,4 Mbps (Cat. 9 & 10)
Tableau 1: débits de données max. pour les catégories de terminaux HSDPA (source: 3GPP)
L’attribution des codes se fait de façon dynamique dans un intervalle de 2 ms, soit 500 fois par seconde (!!!). Il
faut s’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 basés sur 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 les conditions du
canal. Si la qualité du canal s’améliore à nouveau, TCP ajuste très 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 384kbps promise dans la première version de
l’UMTS n’a guère été atteinte. Un effondrement de canal requiert que le destinataire reçoive un paquet de
données de façon erronée, de sorte que celui-ci 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 200ms à 300ms pour l’UMTS et même de 700 ms pour le GPRS. Grâce à de nouveaux
mécanismes avec lesquels le HSDPA peut réagir aux canaux radio fluctuants, le temps de latence d’un canal
radioélectrique HSDPA est nettement réduit. Il ne se situe plus qu’aux alentours de 100 ms, ce qui constitue une
énorme amélioration. Installé sur certains sites, le HSPA+ (également appelé «HSPA Evolution») et ses 21
respectivement 28 Mbps en downlink, constitue la toute dernière innovation. Pour ce faire, on installe sur le
réseau de téléphonie mobile un logiciel plus performant, qui soutient le type de modulation supérieur 64 QAM.
Dans les stations de base, du nouveau matériel et des antennes plus puissantes en technique MIMO sont en
outre mis en place. Pour transférer les importants volumes de données dans le réseau, on équipe aussi
progressivement les sites-antennes de fibre optique.
Pour des informations complémentaires: 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-ofsight», 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
multiplexe 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.
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. Depuis 2006, des progrès significatifs ont été recensés,
comme au «Fraunhofer Institut für Nachrichtentechnik» de Berlin (www.hhi.fraunhofer.de),
en collaboration avec Alcatel-Lucent, Ericsson, Nokia Siemens Networks et d’autres
fournisseurs de télécommunication.
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La quatrième génération sur le point d’être lancée: LTE
La 4G repose sur deux technologies: le WiMAX et le Long Term Evolution (LTE). Les licences du WiMAX ont bien
été mises aux enchères en Suisse mais également retournées à l’OFCOM, faute de développement d’un réseau
commercial. Cette technologie 4G est incompatible avec les réseaux mobiles existants et aurait exigé une mise
en place de réseau onéreuse. En Allemagne, quelques réseaux WiMAX ont été installés à partir de 2007, mais
seulement dans quelques villes et régions. Les bandes passantes sont nettement inférieures à 1 Mbps et ne
conviennent guère pour remplacer le DSL, contrairement à ce qui avait été dit au début. Chez les exploitants
également, l’intérêt pour le WiMAX diminue. Cisco, plus grand fournisseur mondial de réseaux de données, a
annoncé en mars 2010 qu’il ne développerait plus de stations de base WiMAX. Au lieu de cela, on encourage en
Suisse l’extension de l’UMTS et la mise en place du LTE de façon ciblée. Ces deux technologies partagent très
efficacement la bande passante disponible entre les utilisateurs d’une cellule radioélectrique. Jusqu’ici,
l’infrastructure UMTS existante a été constamment développée par des extensions matérielles et logicielles. De
ce fait, elle est toujours plus performante, notamment avec l’introduction du HSPA dans des réseaux UMTS. Pour
le HSPA+ à 21 Mbps, une mise à niveau logicielle suffit dans un premier temps. Pour 28 Mbps en revanche, il faut
un nouveau matériel en plus du logiciel. On utilise alors le MIMO, une technique multiantennes ultradéveloppée
(voir encadré ci-dessus), qui a déjà fait ses preuves dans le WLAN. Le MIMO améliore la qualité de réception,
augmente le débit de données tout en limitant la latence. Il sera également utilisé pour le LTE.
L’intérêt mondial pour le LTE en tant que technologie 4G s’accroît et des fréquences seront bientôt proposées
aux enchères. Le passage de la 3G à la 4G se fera en douceur et amènera de nouvelles améliorations pour
l’utilisation de l’Internet mobile. Le LTE utilise une nouvelle technologie d’accès (Orthogonal Frequency Division
Multiplex Access, ou OFDMA) avec une nouvelle architecture de réseau, assortie de nouvelles stations de base et
d’un nouveau réseau principal (Core Network). Dès que possible, des réseaux LTE seront mis en place sur la base
des sites d’émetteurs existants. Le LTE fait actuellement l’objet de test sur le terrain. Son lancement commercial
en Suisse est prévu pour 2012. Après une vente aux enchères des fréquences en 2011, l’introduction se fera
progressivement, comme pour l’UMTS, d’abord dans les lieux très fréquentés et à haut volume de données. En
théorie (soit en conditions de laboratoires), cette solution permet des vitesses allant jusqu’à 300 Mbps en
download et 75 Mbps en upload. Dans la première phase de développement, on table - dans des conditions
idéales - sur un débit maxi. de 150 Mbps en download et 50 Mbps en upload. Dans les premiers réseaux LTE
exploités commercialement à Stockholm et Oslo, ces valeurs sont déjà atteintes, avec une charge de trafic
inférieure par rapport aux débits binaires bruts.
En Allemagne, les fréquences LTE ont été vendues aux enchères au printemps 2010. Le lancement est prévu pour
fin 2010/début 2011 et l’accent est clairement porté sur la transmission mobile des données. Ce sont avant tout
des applications telles que le Video-Streaming en qualité HD, les visioconférences et les jeux en réseau qui
profiteront du débit supérieur et des délais de latence réduits. Contrairement au GSM et à l’UMTS, le LTE ne
proposera pas de canaux voix. Seule exception: les applications VoIP telles que Skype, pour lesquels le LTE
convient tout à fait, mais qui ne seront pas prioritaires. Pour cette raison, les premiers portables 4G seront des
modèles hybrides dotés en plus d’une puce UMTS et/ou GSM pour les communications téléphoniques. Toutefois,
les portables LTE ne feront guère leur apparition avant 2011. L’atout majeur des terminaux LTE sera donc la clé
USB («clé Internet»), gage d’un échange de données rapide pour les netbooks et notebooks.
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Evolution technologique dans le domaine de la communication mobile à large bande (© Ericsson)
Ainsi, on s’approche de l’idée de la 4G– un Internet mobile à large bande et haut débit. Avec la meilleure
technique d’antennes du LTE, l’utilisation des notebooks et, plus tard, des Smartphones devrait nettement
s’améliorer face aux réseaux 3G. Le xDSL ne deviendra pas superflu, mais le LTE donnera lieu à des offres de
services intéressantes même dans les parties reculées du pays – comme c’est le cas aujourd’hui pour l’UMTS. Il
est tout à fait imaginable que des routeurs WLAN proposent à ces foyers des services Internet à large bande. Les
routeurs seront alors reliés par radio à la station de base LTE et distribueront les données par WLAN ou câble de
réseau vers les habitations. Bien sûr, il sera aussi possible d’acheter une clé Internet. Comme l’UMTS, le LTE
n’accède pas de façon optimale aux terminaux dans les bâtiments, si bien que le routeur LTE (si possible avec
antenne extérieure) semble être la meilleure solution.
Pour des informations complémentaires:
http://www.3gpp.org/LTE
http://www.ltemobile.de/lte-technik/sprachuebertragung-im-lte-netz
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2.5
Développement prévu: LTE Advanced
Dès aujourd'hui, on travaille dans la standardisation au développement du LTE, sous le nom de «LTE Advanced».
Cette solution s’accompagnerait d’encore moins d’interférences et d’une utilisation encore meilleure des canaux
radioélectriques. Avec le LTE Advanced, les stations de base doivent collaborer beaucoup plus étroitement, en
échangeant p. ex. des informations sur les signaux utiles et perturbateurs. Les interférences sont ainsi mieux
isolées et bloquées, ce qui donne lieu à une meilleure efficience spectrale (soit le nombre de bits par seconde
pouvant être transportés par hertz utilisé). De plus, les signaux utiles qui arrivent par propagation diversifiée
locale avec décalage temporel sur les stations de base peuvent être mieux additionnées. On obtient ainsi un
meilleur rapport signal/bruit, au lieu de se contenter de bloquer (comme jusqu’à présent) les signaux arrivant en
différé.
Pour ces architectures de réseau également, on emprunte de nouvelles voies. Dans les réseaux GSM et UMTS,
une «station de base Master» était jusqu’ici chargée de l’envoi des données – un BSC (Base Station Controller)
pour les réseaux GSM et un RNC (Radio Network Controller) pour les réseaux UMTS. En cas de défaillance de
cette instance ou de dérangements, toutes les stations de base raccordées étaient également concernées. Avec
le LTE Advanced, la technique intelligente intègre progressivement chaque station de base, avec une
interconnexion accrue de ces dernières. L’ensemble du réseau de téléphonie mobile est donc moins exposé aux
pannes et assure une transmission de données plus efficiente. L’objectif consiste à parvenir à 500 Mbps en
upload et 1 Gbps en download (débit maximum dans des conditions idéales).
http://www.3gpp.org/LTE-Advanced
2.6
Complément à la 3G/4G: IP Multimedia Subsystem (IMS)
Jusqu’à récemment, on aurait cru impossible que l’IP puisse endosser ce rôle de protocole de transport universel.
Grâce à de nombreuses extensions fonctionnelles, l’IP transporte même des images animées haute résolution,
comme le prouve notamment Swisscom TV. Toutefois, l’utilisation de l’IP comme passerelle entre les réseaux de
téléphonie fixes et mobiles requiert un pilotage plus perfectionné de tous les services proposés. C’est ici qu’entre
en jeu l’IP Multimedia Subsystem (IMS), également défini par l’entité 3GPP. L’IMS a une architecture NGN (Next
Generation Networks) et permet l’exploitation de services multimédias sur les réseaux fixes et mobiles, existants
et futurs. L’IMS supporte la convergence des données, de la voix et de diverses technologies d’accès au réseau via
une unique infrastructure, basée sur IP. Il devrait combler la lacune entre la technologie traditionnelle de la
télécommunication et la technologie Internet. L’IMS permet aux opérateurs de réseaux publics de proposer des
services nouveaux, novateurs et simples à utiliser, dont les clients peuvent profiter sur un seul terminal.
L’IMS a pour objectif de proposer des services identiques par le biais d’accès différents. Peu importe alors par
quel réseau (fixe, mobile) ou depuis quel endroit (Suisse, étranger) l’utilisateur accède à la plate-forme de
services IMS. Pour Voice over IP (VoIP), c’est par exemple l'implémentation standardisée par 3GPP qui est utilisée
par le Session Initiation Protocol (SIP). SIP est un protocole de signalisation pour la mise en place, la modification
et l’achèvement de liaisons entre homme et machine ou entre plusieurs personnes.
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Ces liaisons peuvent être utilisées pour des appels téléphoniques et des conférences multimédia ou pour la
distribution de services multimédia. La communication peut alors se composer de plusieurs éléments (voix,
texte, images, vidéos) ou d’une combinaison de ces éléments. Cette possibilité permet une individualisation des
services, la sécurité de la communication étant intégralement assurée. Les systèmes téléphoniques existants, à
communication par paquet ou de circuit, sont ici totalement supportés.
En Suisse également, il se passe des choses en matière d'IMS. A Berne, Ericsson AG a scellé un partenariat IMS
avec le Fraunhofer-Institut FOKUS de Berlin. Ces deux partenaires ont regroupé leurs environnements IMS
respectifs et testent de nouvelles applications IMS. Fraunhofer FOKUS supporte Ericsson AG dans l’organisation
de forums destinés aux développeurs et aux clients. En exclusivité, l’application Facebook du Fraunhofer FOKUS
a été mise à sa disposition. Le monde de la télécommunication est ici intégré dans l’univers du Web sur la base
de l’IMS. Cette coopération a pour but de promouvoir l'introduction accélérée d'applications IMS dans le marché
de masse. De même, on teste à Berne des prototypes de terminaux universels, tels que «Berta». Ericsson, en
qualité de fournisseur de systèmes IMS commerciaux de bout en bout, et le Fraunhofer-Institut FOKUS, l'un des
plus grands centres de développement et de recherche pour les NGN sont ici complémentaires. Ces deux
partenaires disposent déjà d’environnements tests IMS pour NGN sur lesquels les opérateurs de réseaux de
développeurs peuvent tester des applications telles que Web 2.0 et IPT.
Prototype d’un terminal multimédia universel avec liaison à des réseaux rapides
(Prototype «BERTA» © Ericsson)
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Les plus grandes opportunités de l’IMS se situent dans les réseaux publics. Il représente ici un complément
essentiel à l’UMTS et au LTE et permet l’apparition de nouveaux services convergents sur des raccordements
rapides du réseau fixe mais aussi sur des réseaux mobiles rapides. L’une des principales raisons de l’introduction
de l’IMS se situe dans la mise à disposition d’une meilleure méthode pour le décompte de services multimédias.
La consultation de produits proposés isolément peut être tarifiée individuellement ou forfaitairement avec un
flatrate. Chez plusieurs opérateurs de réseaux, de nouveaux services ont souvent été un échec faute de
mécanismes de décompte. En Suisse, Ericsson a livré une solution IMS à Swisscom. Les Suédois mettent à
disposition le réseau principal IMS, les systèmes de support, les serveurs d’applications et d’autres prestations
(intégration de réseau, etc.). Pour Swisscom, l’IMS est un module important dans la migration des réseaux
actuels de téléphonie fixe et mobile vers les réseaux All-IP. Du fait de l’abandon progressif des plates-formes
propriétaires, les coûts d’exploitation sont en recul. De nouvelles offres multimédias peuvent être développées et
fusionner plus aisément et à meilleur prix. A l’aide de plates-formes basées sur IP telles que l’IMS, la téléphonie
fixe, la télévision, l’Internet et les solutions de téléphonie mobile sont réunies au sein d’applications intégrées de
communication et multimédia. A l’avenir, on utilisera ainsi un seul répertoire pour son portable, son fixe, la
télévision ou l’ordinateur. Sur demande, des émissions de télé pourront être transmises directement sur le
mobile d’un collègue sans que celui-ci ne doive entreprendre au préalable de recherches laborieuses.
Swisscom a été l’un des premiers opérateurs européens à se lancer dans le passage progressif à l’IMS. Sur cette
base, un raccordement Internet purement IP et Voice-over-IP (VoIP) a été testé de juillet 2008 à avril 2009 par
près de 1000 collaborateurs et clients de Swisscom. Swisscom en a tiré de précieuses informations, qu’elle
intègre dans de nouveaux produits et processus, tout comme dans des prestations de services et de support. On
cherche ainsi à faire entrer dans l’assortiment les meilleurs services de télécommunication et de multimédia,
avec la qualité, la disponibilité et la fiabilité habituelles. Depuis le 11 mai 2009, Swisscom propose Infinity plus,
d’abord auprès de clients test puis aux clients Infinity. Il s’agit du premier faisceau de produits basés sur l’IP.
Infinity plus est la variante VoIP de l’offre Infinity existante, proposant une connexion Internet rapide (jusqu’à 20
000 kbps) et la téléphonie gratuite sur le réseau fixe suisse. Cette solution prépare les raccordements des clients
pour les futurs services supplémentaires intégrés qui seront uniquement possibles sur de purs réseaux IP. Ce
sont d’abord les petites et moyennes entreprises (PME) puis les gros comptes de Swisscom qui profiteront de
l’IMS.
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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 première norme 802.11b dispose au maximum de 12 canaux dans la bande 2,4-GHz, le nombre exact pouvant
varier en fonction du pays. La norme 802.11g limite en principe ce nombre à trois canaux (1, 6 et 12), même si
l’on peut encore paramétrer les access points sur un canal quelconque de 1 à 12 dans la pratique. Du fait de
l’augmentation de la bande passante à 40 MHz, les canaux sont si larges que le risque d’interférences est
nettement accru si l'on ne place pas des émetteurs physiquement voisins sur les canaux 1, 6 et 12. La question
centrale est la suivante: que se passe-t-il en cas de changement vers un émetteur pour la norme 802.11n qui
possède déjà, sans l’embrouillamini des systèmes précédents, une forte sensibilité aux interférences entre deux
canaux et qui doit déduire les signaux? De plus, il convient de mentionner que de nombreux appareils
802.11a/b/g ne sont pas conçus pour repousser les interférences des canaux voisins. Cela peut poser des
problèmes dans l’optique de l’utilisation de bandes de fréquences sans licences. En effet, qui veut être tenu pour
responsable, lorsqu’un réseau radio fonctionnant bien jusque-là selon 802.11b/g est sujet à des dérangements
parce qu’un nouveau voisin utilise aussi la bande, dans le total respect des règles 802.11n? D'un autre côté, la
technique MIMO assure de meilleures distributions et couvertures radio, selon les premiers utilisateurs 802.11n,
avec une mise à profit intelligente de plusieurs signaux d’antennes reçus.
http://www.ieee802.org/11/
Aperçu des standards et projets IEEE de la série 802.11x (© R. Sellin)
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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
IMS
IP Multimedia Subsystem
IP
Internet Protocol
LTE
Long Term Evolution
MIMO
Multiple Input, Multiple Output
MVA
Mobile VPN Access
QAM
Quadrature Access Modulation
QPSK
Quadrature Phase Shift Keying
SIM
Subscriber Identity Module
SIP
Session Initiation Protocol
UDM
Unlimited Data Manager
UMTS
Universal Mobile Telecommunications System
VPN
Virtual Private Network
WLAN
Local Area Network
WiMAX
Worldwide Interoperability for Microwave Access
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Technologies de radiocommunication mobile

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