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norme de téléphonie mobile De Wikipédia, l'encyclopédie libre
Pour les articles homonymes, voir LTE.
Le LTE (Long Term Evolution) est une évolution des normes de téléphonie mobile GSM/EDGE, CDMA2000, TD-SCDMA et UMTS.
La norme LTE, définie par le consortium 3GPP[1], 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). La norme LTE n'est pas figée, le consortium 3GPP la fait évoluer en permanence (en général, une nouvelle version tous les 12 à 18 mois[1]).
En , l'UIT a reconnu la technologie LTE-Advanced (évolution de LTE définie par le 3GPP à partir de sa release 10) comme une technologie 4G à part entière[2],[3] ; puis, il a accordé en , aux normes LTE et WiMAX définies avant les spécifications « IMT-Advanced » et qui ne satisfaisaient pas complètement à ses prérequis, la possibilité commerciale d'être considérées comme des technologies « 4G », du fait d'une amélioration sensible des performances comparées à celles des premiers systèmes « 3G » : UMTS et CDMA2000[4].
Les réseaux mobiles LTE sont commercialisés sous l’appellation « 4G » par les opérateurs de nombreux pays, par exemple : Proximus, Base, VOO Mobile et Orange en Belgique, Swisscom et Sunrise en Suisse, Verizon et AT&T aux États-Unis, Vidéotron, Rogers et Fido Solutions au Canada, Orange, Bouygues Telecom, SFR et Free mobile en France, Algérie Télécom en Algérie, Maroc Telecom, Orange et Inwi au Maroc...
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 allant de 450 MHz à 3,8 GHz selon les pays. Il permet d'atteindre (pour une largeur de bande de 20 MHz) un débit binaire théorique de 300 Mbit/s en « liaison descendante » (downlink, vers le mobile). La « vraie 4G[5] », appelée LTE Advanced et affichée 4G+ sur le mobile[1] offrira un débit descendant pouvant atteindre ou dépasser 1 Gbit/s ; ce débit nécessitera l’utilisation de bandes de fréquences agrégées de 2×100 MHz de largeur qui sont définies dans les versions 10 à 15 (3GPP releases 10, 11, 12, 13, 14 et 15) des normes LTE Advanced[1].
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 (de la base vers le terminal) et SC-FDMA (du terminal vers la base). 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.
Le réseau est constitué de deux parties : une partie radio (eUTRAN) et un cœur de réseau « EPC » (Evolved Packet Core).
La partie radio du réseau, appelée « eUTRAN », est simplifiée comparée à celles des réseaux 2G (GERAN) ou 3G (UTRAN), par l’intégration dans les stations de base « eNode B » des fonctions de contrôle qui étaient auparavant localisées 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 locales ou distantes (liaisons 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.
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.
L’EPC d’un opérateur LTE est principalement constitué de passerelles de services, Serving Gateways (SGW) qui transportent le trafic de données (plan utilisateur) et concentrent le trafic de plusieurs eNodeB, de MMEs qui gèrent la signalisation (plan de contrôle) et donnent l’accès aux bases de données (HSS / HLR) contenant les identifiants et les droits des abonnés. Un (ou plusieurs) PGW servent de passerelles vers le réseau Internet ; le PGW a aussi pour rôle d’attribuer les adresses IP aux terminaux LTE.
L'EPC permet aussi, via d'autres passerelles, l'accès des terminaux au cœur de réseau LTE, en utilisant d'autres types d'accès radio : des points d'accès Wi-Fi ou des femtocells généralement connectés via des box ADSL ou FTTH.
L’utilisation du protocole IP de bout-en bout dans le cœur de réseau permet, par rapport aux réseaux 3G, des temps de latence réduits pour l’accès internet et les appels vocaux LTE.
Les normes LTE, définies par le consortium 3GPP[6] sont dérivées des normes UMTS, mais apportent de nombreuses modifications et améliorations, notamment :
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.
Les premiers réseaux et terminaux LTE disponibles en 2012 / 2014 ne pouvaient transmettre que des données sur le réseau radio (comme les protocoles GPRS et Edge réservés au transfert de données sur les réseaux GSM). Les opérateurs mobiles qui proposent des accès 4G LTE réutilisent alors leur réseau 2G ou 3G (CDMA ou 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 de déploiement : « VoLTE » (Voice Over LTE)[8] qui supporte nativement la voix, en mode voix sur IP, sur le réseau LTE, à condition d'utiliser des smartphones compatibles. Elle permet des appels plus rapides et apporte aussi une meilleure qualité vocale grâce à l'utilisation de codecs large bande AMR-WB (Adaptive Multi-Rate Wideband). Sa mise en œuvre a commencé fin 2014 sur les réseaux des principaux opérateurs mobiles nord-américains[9] et est prévue en France en 2015[10].
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 les normes LTE. Les principaux facteurs ayant une influence sur le débit effectif sont les suivants :
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 4 supporte 150 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 et capacité de batterie égale).
Avec le LTE et la 4G, les industriels et les opérateurs proposaient en France en 2013, des débits réels moyens descendants mesurés aux alentours de 30 Mbit/s et des débits montants moyens compris entre 6 et 8 Mbit/s[11], avec de fortes variations qui s’expliquent par les raisons listées au chapitre précédent. Avec les générations de terminaux (catégories 4, 5 et +), les opérateurs permettent depuis 2014 un débit crête atteignant 150 Mbit/s (terminaux catégorie 4) et visent 300 Mbit/s et plus à moyen terme via le « Carrier aggregation » (agrégation de porteuses) proposé dans l'évolution LTE Advanced. Le débit maximal théorique de la technologie LTE Advanced est supérieur à 1 Gbit/s.
La standardisation par le 3GPP de la 1re version de la norme LTE s'est achevée au début 2008 (3GPP version/rel 8[1]) et la disponibilité des premiers équipements pour tester la norme LTE a eu lieu en 2009. En 2009 et 2010, plusieurs opérateurs nord-américains qui utilisaient 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 a offert 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 acquise dans les réseaux 3G afin de permettre une évolution rapide et avec une compatibilité ascendante des terminaux vers les vrais 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 fréquence avec des ressources dynamiquement allouées à l'émission ou à la réception des données (multiplexage temporel)[12].
La variante TDD a l’avantage de s’adapter facilement à des débits upload / download déséquilibrés, ce qui est souvent le cas pour le trafic des smartphones utilisés pour consulter Internet ou pour visualiser des vidéos[13] ; l'ensemble des sous-porteuses définies par la modulation OFDMA peuvent être utilisées pour émettre et recevoir avec une répartition de la bande passante entre les débits montants et descendants qui est définie par l'opérateur mobile. Cette variante nécessite une synchronisation plus précise de tous les constituants du réseau, y compris les terminaux mobiles. La Chine a choisi de privilégier cette variante[13].
La variante FDD a été la première commercialisée (plus de 90 % du marché en 2013), elle est la plus simple à mettre en œuvre dans les antennes relais et les terminaux LTE ; les fréquences centrales des bandes de fréquence émission et réception y sont séparées d’au minimum 30 MHz[14] ; elle implique des contraintes de synchronisation moins sévères entre les terminaux mobiles et les stations de base car les terminaux utilisent en émission une bande de fréquence différente de celle de l'antenne-relais. Début 2014, les smartphones les plus récents sont compatibles avec les 2 variantes : FDD et TDD. L’Europe (via la CEPT) et la France ont choisi au début des années 2010 pour les réseaux européens la variante FDD et les bandes de fréquences associées.
Les bandes de fréquences hertziennes prévues par les normes 3GPP pour le LTE et le LTE Advanced sont très nombreuses (plus de 30) et s'étalent de 450 MHz à 3,8 GHz. Celles situées dans la zone des 450 à 900 MHz sont utilisables sur tous les territoires et sont particulièrement adaptées aux zones rurales car elles ont une plus grande portée que les micro-ondes de fréquences plus élevées. Le rayon de couverture de chaque cellule est variable, allant de quelques centaines de mètres (débits optimaux en zones urbaines denses) jusqu'à 30 km (zones rurales).
Dans l'Union européenne, les discussions sur l'utilisation des bandes de fréquence des 700 MHz et 800 MHz qui étaient auparavant utilisées pour la télévision analogique UHF (canaux 50-60 et canaux 61-69), ont abouti en 2011, puis fin 2015, à l’affectation progressive de ces bandes spectrales aux réseaux mobiles 4G LTE. En France, les canaux de la bande des 800 MHz sont disponibles depuis début 2012[15], ceux de la bande des 700 MHz le seront entre et mi-2019[16], à la suite de la libération de ce que l'on appelle le « dividende numérique », obtenu par le passage à la TV numérique (TNT) dans tous les États membres européens.
Les autres 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) ; elles sont plus adaptées aux villes et aux zones urbaines. Pour ces fréquences, la taille de la cellule radio (zone de couverture) est de quelques kilomètres ou moins (quelques dizaines de mètres pour les femtocells et quelques centaines pour les small cells).
Pour pouvoir utiliser les bandes des 900 et 1 800 MHz, il est nécessaire d’effectuer un « réaménagement » du spectre en libérant des fréquences initialement attribuées au GSM (2G) et à l'UMTS (3G). Dans de nombreux pays européens, de nombreux opérateurs réutilisent déjà une partie ou la totalité de la bande de fréquence des 1 800 MHz pour le LTE ; cette bande de fréquence est la plus utilisée dans les réseaux 4G/LTE européens depuis 2012[17].
En France, l’autorisation d’utiliser une partie de la bande de fréquence des 1 800 MHz a été accordée à Bouygues Telecom par l’Arcep le , avec une date de mise en service fixée au [18]. Cette bande de fréquence a et aura pendant quelques années une utilisation mixte 2G (GSM) et LTE. Bouygues Telecom a, par exemple, commencé par attribuer 10 MHz duplex de sa bande de fréquence des 1800 MHz au LTE, puis à partir d’ il a, dans certaines zones géographiques, élargi à 15 MHz la part affectée au LTE (au détriment du GSM)[19] ; cette autorisation a été étendue aux 4 opérateurs français à partir de .
Bande LTE no 28 FDD[20],[21]. La norme 3GPP 36.101[22] définissant cette bande de fréquence a évolué en 2015 pour prendre en compte les contraintes de la TNT en Europe[23]. Le duplexeur utilisant les fréquences basses de la bande 28 (2 x 30 MHz) est utilisé en Europe[24].
Cette bande de fréquence est utilisable pour le LTE et le LTE Advanced[25]. Elle est devenue disponible, selon les régions, entre (région parisienne) et (dans le Nord de la France)[26].
Les titulaires de cette bande de fréquence sont tenus d'assurer un taux de couverture minimum par son réseau mobile à très haut débit, selon différents critères qui sont rappelés en annexe des autorisations d'émission délivrées par l'ARCEP[27],[28],[29],[30]:
| Échéance | |||
|---|---|---|---|
| Population métropolitaine | 98 % | 99,6 % | |
| Zone prioritaire | 50 % | 92 % | 97,7 % |
| Population de chaque département | 90 % | 95 % | |
| Axes routiers prioritaires | 100 % | ||
| Communes du programme "zones blanches" | 100 % | ||
| Lignes de train (couverture nationale) | 60 % | 80 % | 90 % |
| Lignes de train (couverture régionale) | 60 % | 80 % |
Les axes routiers prioritaires sont les autoroutes, les axes routiers principaux reliant au sein de chaque département le chef-lieu de département (préfecture) aux chefs-lieux d’arrondissements (sous-préfectures), et les tronçons de routes sur lesquels circulent en moyenne annuelle au moins 5000 véhicules par jour. Si plusieurs axes routiers relient une préfecture à une sous-préfecture, le titulaire est tenu d’en couvrir au moins un.
Les lignes de train quotidiennes désignent les parties non souterraines des lignes où circulent:
Si une ligne de train devait être fermée, l'obligation de couverture ne s'applique plus pour cette ligne.
Bande LTE no 20 FDD[12],[7]. Cette bande de fréquence est dédiée au LTE et au LTE Advanced[31] et est disponible depuis .
Bande LTE no 3 FDD[12],[7]. Cette bande de fréquence a une utilisation mixte 2G (GSM) et LTE[32].
En France métropolitaine, Bouygues Telecom bénéficie depuis fin 2013 d'une largeur de bande de 21,6 MHz duplex qu'elle peut utiliser pour le GSM et le LTE (il y avait quelques exceptions locales jusqu'en [33]). Depuis le , Free Mobile bénéficie aussi d'une largeur de bande de 5 MHz duplex (il y avait quelques exceptions locales à Nice et Paris jusqu'en )[34].
Depuis , la société Free Mobile était autorisée à utiliser 5 MHz duplex dans la bande de fréquence des 1 800 MHz couplée (agrégée) avec les fréquences qu'il possède dans la bande des 2 600 MHz pour tester, sans but commercial, la technologie LTE Advanced.
Dans toute la France métropolitaine, Bouygues Telecom, Orange[35] et SFR[36] peuvent partager cette bande de fréquence entre le GSM et le LTE. Free mobile bénéficie d'une largeur de bande de 15 MHz duplex dans cette bande de fréquence[37] exploitée progressivement depuis mi 2016[38]. Les bandes de fréquence des 3 autres opérateurs ont été réduites à 20 MHz duplex.
Bande LTE no 1 FDD[12]. Les fréquences dans la bande des 2 100 MHz sont historiquement utilisées pour l'UMTS. Néanmoins depuis le , l'Arcep a autorisé les opérateurs Bouygues Télécom et SFR à utiliser ces fréquences, ou une partie de ces fréquences, pour la 4G[39] ; Orange a reçu la même autorisation le [40]. L'Arcep a indiqué que les autres opérateurs (Free mobile) peuvent également en faire la demande.
Bande LTE no 7 FDD[12],[7]. Cette bande de fréquence est dédiée au LTE et au LTE Advanced[41],[42],[43],[44].
L'Arcep dans ses décisions du [31] et du accordait un droit théorique d'itinérance dans la bande des 800 MHz à l’opérateur Free mobile sur le réseau 4G de SFR, car l'appel d'offre de l'ARCEP prévoit 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 ; en 2018, ce droit n'a pas été utilisé par Free mobile qui a passé des accords d'itinérance avec Orange.
La plus grande disponibilité des fréquences hautes (ex: 2 600 MHz) a permis d’attribuer à chaque opérateur mobile des bandes de fréquences plus larges (15 ou 20 MHz duplex en France) ; ces bandes supportent plus de sous-porteuses (voir article OFDMA) et permettent donc des débits plus importants comparé à la bande de fréquence des 800 MHz qui en France est découpée en sous bandes de 10 MHz duplex par opérateur.
Par contre, les fréquences basses ont une plus grande portée (une meilleure propagation dans l’atmosphère) et permettent donc de couvrir des zones de plus grande surface car l’atténuation des ondes électromagnétiques entre 2 antennes décroît avec la longueur d’onde ; une fréquence plus basse (donc une longueur d'onde supérieure) permet aux opérateurs d’atteindre plus d’abonnés avec un même nombre d’antennes.
Les terminaux LTE (appelés User equipment ou UE 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[45]. Tout terminal, quelle que soit sa catégorie, doit être capable de s’adapter aux six 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 par sens de transmission (mode FDD) et des conditions de transmission radio optimales.
| Catégorie | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |
| Débits crête (Mbit/s) | Descendant | 10 | 50 | 100 | 150 | 300 |
| Montant | 5 | 25 | 50 | 50 | 75 | |
| Caractéristiques fonctionnelles | ||||||
| Bande passante radio par sens de transmission | 1,4 à 20 MHz | |||||
| Modulations | Descendante | QPSK, 16QAM, 64QAM | ||||
| Montante | QPSK, 16QAM | QPSK, 16QAM, 64QAM | ||||
| Antennes | ||||||
| MIMO 2×2 | Non | Oui | ||||
| MIMO 4×4 | Non | Oui | ||||
Les débits sont proportionnels à la largeur de la bande de fréquence attribuée à chaque opérateur mobile ; par exemple, en France, les largeurs de bandes attribuées à chaque opérateur dans la bande des 800 MHz sont de 10 MHz duplex, ce qui divise par deux le débit crête pour chacune des catégories de terminaux lorsqu'ils sont utilisés dans cette bande de fréquence.
Douze nouvelles catégories de terminaux LTE ont été définies par les normes 3GPP release 10, 11 et 12 (LTE Advanced), elles sont décrites dans l'article LTE Advanced.
De nombreux équipementiers (Alcatel-Lucent, Ericsson, Nokia Siemens Networks, Huawei…), opérateurs télécoms (Verizon, AT&T, Orange, Vodafone, T-Mobile, NTT-DoCoMo, China Mobile…) et fabricants de puces électronique (Qualcomm, Samsung), ont travaillé et travaillent ensemble au sein du 3GPP pour compléter la standardisation des réseaux et des terminaux LTE (Long Term Evolution) et LTE Advanced.
La société britannique Vodafone avait annoncé en 2009 avoir achevé dans ses laboratoires des évaluations de produits LTE destinés à la plupart des pays européens où elle opère.
L’opérateur japonais NTT Docomo a commencé la commercialisation du LTE dès la fin 2009 au Japon, il avait plus de 6 millions d'abonnés LTE en .
Le , 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 appuyé sur Ericsson (Stockholm) et Huawei (Oslo), tandis que les dispositifs de réception (clés LTE USB) sont fournis par Samsung.
Aux États-Unis, la société Verizon Wireless a lancé une première offre commerciale LTE fin 2010 qui avait attiré, à la fin du 3e trimestre 2012, plus de 16 millions d’abonnés (1er réseau mondial LTE)[48]. Les trois autres plus gros opérateurs mobile américains (AT&T, Sprint et T-Mobile US) ont aussi lancé une offre LTE entre fin 2011 et mi 2012.
Une étude sur l'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 (crête) en réception (download)[49] et jusqu’à 10 Mbit/s en émission (upload).
En France, Orange et Bouygues Telecom ont annoncé le leur intention de commercialiser une offre LTE pour début 2013 et l'ouverture de réseaux pilotes dès (respectivement à Marseille et à Lyon[50]). À la fin du 2e trimestre 2014, la France avait 3,7 millions d’abonnés LTE[51].
En Belgique, la 4G/LTE a été lancée par Belgacom le avec, pour commencer, la couverture de 258 villes et communes belges[52].
Le LTE avait conquis à la fin du 2e trimestre 2012, 27 millions d’abonnés dans le monde dont plus de 15 millions en Amérique du Nord[53] ; puis 58 millions d’abonnés dans le monde fin 2012[54] (dont environ la moitié en Amérique du Nord).
Le nombre d’abonnés à des réseaux LTE dans le monde a dépassé 250 millions fin , dont plus de 100 millions en Amérique du Nord et 16 millions en Europe[55] ; le total mondial atteint 1,292 milliard d'abonnés fin [56].
En , il y avait 2,37 milliards d'abonnés LTE et LTE-Advanced dans le monde[57].
521 opérateurs mobiles dans le monde commercialisaient une offre LTE en [56] dont plus de 100 réseaux en Europe, puis plus de 790 opérateurs début 2020[58].
En , il y avait 5,55 milliards d'abonnés LTE et LTE-Advanced dans le monde[59] puis 6,67 milliards d'abonnés fin 2021[60].
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