LTE (réseaux mobiles)

Pays équipés début 2018 de réseaux mobiles LTE :
réseaux commerciaux.
réseaux en cours de déploiement.
réseaux en test.



Symbole LTE affiché dans la barre de notification d'un smartphone sous Android 5.



Symbole 4G affiché dans la barre de notification d'un smartphone sous Android 4.1.

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 octobre 2010, 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 décembre 2010, 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].

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 (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 eUTRAN

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 EPC



Architecture de la partie EPC d’un réseau 4G LTE.

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.

Principales différences entre les normes LTE et 3G UMTS

Les normes LTE, définies par le consortium 3GPP^[6] 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 ;
• 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 ;
• un débit de données trois à quatre fois plus important que celui de l'UMTS/HSPA^[1] ;
• 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 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 de la technologie multi-antennes MIMO du côté équipement terrestre (eNodeB) et du côté terminal (en réception uniquement) ;
• 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 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 ;
• 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 ;
• 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.

La voix sur LTE

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].

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 les normes 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 de terminaux 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, côté terminal et côté réseau (antenne relais) : le débit binaire maximal LTE de 300 Mbit/s par porteuse suppose des antennes MIMO 4×4 (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). À noter : le LTE Advanced permet d'atteindre et même dépasser les 300 Mbit/s avec seulement une antenne double MIMO 2×2, mais en utilisant plusieurs porteuses ;
• la distance entre le terminal et la (ou les) antenne(s) 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 rapide ;
• la capacité en débit et le nombre maximum d'utilisateurs simultanés permis par la station de base (eNode B) et le débit de la liaison en cuivre, faisceau hertzien ou fibre optique, 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 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).

Performances recherchées et calendrier prévisionnel

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.

Normes et fréquences

Normes 3GPP

La standardisation par le 3GPP de la 1^re 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.

Fréquences utilisées

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 avril 2016 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 14 février 2013, avec une date de mise en service fixée au 1^er octobre 2013^[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’avril 2014 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 mai 2016.

Attribution des fréquences en France métropolitaine

Bande des 700 MHz

Bande LTE n^o 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 avril 2016 (région parisienne) et juin 2019 (dans le Nord de la France)^[26].





Obligations de déploiement

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	17 janvier 2022	17 janvier 2027	8 décembre 2030
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:

• Des trains du réseau TER des régions métropolitaines, hors de l'Ile de france, et la Corse.
• Des trains du réseau Réseau express régional d'Île-de-France (lignes A à E).
• Des trains du réseau Transilien d'Ile de France (lignes H, J, K, L, N, P, R, U).
• Des trains du réseau de chemin de fer de la Corse.

Si une ligne de train devait être fermée, l'obligation de couverture ne s'applique plus pour cette ligne.

Bande des 800 MHz

Bande LTE n^o 20 FDD^[12],[7]. Cette bande de fréquence est dédiée au LTE et au LTE Advanced^[31] et est disponible depuis janvier 2012.





Bande des 1800 MHz

Bande LTE n^o 3 FDD^[12],[7]. Cette bande de fréquence a une utilisation mixte 2G (GSM) et LTE^[32].

Du 1^er octobre 2013 jusqu'au 24 mai 2016

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 juillet 2015^[33]). Depuis le 1^er janvier 2015, 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 juillet 2015)^[34].





Depuis novembre 2014, 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.

Depuis le 25 mai 2016

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 des 2100 MHz

Bande LTE n^o 1 FDD^[12]. Les fréquences dans la bande des 2 100 MHz sont historiquement utilisées pour l'UMTS. Néanmoins depuis le 16 juin 2017, 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 14 septembre 2017^[40]. L'Arcep a indiqué que les autres opérateurs (Free mobile) peuvent également en faire la demande.





Bande des 2600 MHz

Bande LTE n^o 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 22 décembre 2011^[31] et du 17 janvier 2012 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.

Avantages et inconvénients des diverses bandes de fréquences

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.

Caractéristiques des terminaux

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.

Catégories de terminaux LTE (3GPP rel.8)

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.

Technologies 3G et 4G concurrentes ou complémentaires

• Le HSPA et le HSPA+ (3.5G et 3.75G) qui constituent une évolution naturelle (peu coûteuse) des réseaux 3G UMTS existants, mais qui sont dotés de débits crêtes plus faibles (42 Mbit/s en HSPA+ « Dual Carrier » en 2015).

• Le WiMAX, qui a acquis le 18 octobre 2007 le statut de standard international ITU comme norme IMT-2000 (3G). Les détenteurs d'une licence 3G pourraient donc, en théorie, déployer du WiMAX en sus ou à la place de l'UMTS, mais l’incompatibilité technique entre ces 2 normes et entre les terminaux mobiles associés, rend peu probable cette cohabitation.
  • Le WiMAX mobile (IEEE 802.16e) a commencé à être déployé en 2009 chez quelques opérateurs (KT, SK Telecom en Corée, Sprint aux États-Unis), cependant le débit maximal offert de plus de 150 Mbit/s pour le LTE contre 70 Mbit/s pour le WiMAX ainsi qu'une accessibilité supérieure (50 km en zone rurale) et le très faible nombre de terminaux WiMAX (smartphones) disponibles expliquent la domination commerciale du LTE depuis 2011.
  • Le WiMAX et ses évolutions sont des antagonistes forts des technologies LTE ; la disponibilité des technologies UMTS HSPA+ et LTE a réduit considérablement les chances de succès de déploiement à grande échelle du WiMAX, en particulier dans le domaine du haut-débit mobile. Le WiMax restera donc probablement limité, au marché de la boucle locale radio (BLR).

• Le LTE Advanced, dont les travaux de normalisation au sein du 3GPP ont abouti, en 2011, 2012 et 2014, aux normes 3GPP releases 10, 11 et release 12^[46], est une évolution du LTE qui le fait passer en « vraie 4G ». Ces évolutions apportent et apporteront les bénéfices suivants :
  • des débits plus élevés sur les liens montants et descendants du réseau, grâce à l’agrégation de porteuses (en anglais : Carrier aggregation^[47]) ;
  • 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.
  • moins d'interférences entre 2 cellules radio mitoyennes.

• Plusieurs opérateurs ont commencé à déployer des réseaux d'accès hybrides qui utilisent le LTE en combinaison avec l'ADSL pour atteindre des débits plus élevés, notamment pour fournir des services d'accès Internet à haut débit en zones rurales.

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.

Tests puis commercialisation



Modem USB LTE.

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 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 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 3^e trimestre 2012, plus de 16 millions d’abonnés (1^er 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 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^[50]). À la fin du 2^e trimestre 2014, la France avait 3,7 millions d’abonnés LTE^[51].

En Belgique, la 4G/LTE a été lancée par Belgacom le 5 novembre 2012 avec, pour commencer, la couverture de 258 villes et communes belges^[52].

Le LTE avait conquis à la fin du 2^e 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 mars 2014, 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 mars 2016^[56].

En juin 2017, 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 août 2016^[56] dont plus de 100 réseaux en Europe, puis plus de 790 opérateurs début 2020^[58].

En juin 2020, 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].

Notes et références

1. (en) 3GPP Standards update, slides 7, 13 et 15[PDF] ETSI - 3GPP, février 2011.
2. L'UIT prépare le terrain pour la prochaine génération de technologies mobiles : la 4G, communiqué de presse de l'UIT, octobre 2010.
3. (en) ITU-T confers 4G status to 3GPP LTE, 3GPP.org, le 20 octobre 2010.
4. UIT, communiqué de presse : « Ce terme (4G) peut également désigner leurs précurseurs, c'est-à-dire les technologies LTE et WiMAX, apportant une amélioration sensible de la qualité de fonctionnement et des capacités par rapport aux premiers systèmes de troisième génération », UIT (ITU-T), le 6 décembre 2010.
5. L'UIT utilise le terme « True 4G » pour les spécifications IMT-Advanced.
6. (en) normes LTE EUTRA, 3gpp.org, février 2012.
7. (en) [doc] norme LTE TS 36.101 v11.4.0 : terminaux (UE), Operating bands : Chapter 5.5 3gpp.org, juillet 2013.
8. La norme « Voice Over LTE » attendue en 2013 aux États-Unis, reseaux-telecoms.net, mai 2012.
9. (en) How to Enable Verizon Voice Over LTE (VoLTE) on the iPhone 6 tekrevue.com, le 21 septembre 2014
10. VoLTE : des appels via 4G améliorés, le point chez les 4 opérateurs clubic.com, le 4 juillet 2014
11. 4G (LTE) : Attendez-vous à un débit de 30 Mbit/s en moyenne, moyenne faite sur 137 000 tests, Frandroid.com, 12 avril 2013.
12. (en) Fréquences LTE radio-electronics.com, consulté en novembre 2015.
13. (en) FDD-LTE versus TDD-LTE, 4gsource.net, juin 2012.
14. (en) norme LTE TS 36.101 v9.12.0 : terminaux (UE), chapitre 5.7.4 : Séparation des bandes de fréquences Tx/Rx[PDF], 3gpp.org, juillet 2012.
15. L'ARCEP publie les résultats de la procédure d'attribution des licences mobiles 4G dans la bande 800 MHz (le "dividende numérique") Arcep, le 22 décembre 2011
16. ARCEP, Le dividende numérique - Bande 700 MHz
17. (en) « Le 1 800 MHz est la bande de fréquence la plus populaire pour le LTE avec des réseaux ouverts dans 29 pays dont 15 pays européens »^{(Archive.org • Wikiwix • Archive.is • Google • Que faire ?)}, GSAcom.com, novembre 2012.
18. « L’Arcep autorise Bouygues à utiliser la bande des 1 800 MHz pour la 4G », sur pcinpact.com, 14 mars 2013 (version du 17 mars 2013 sur Internet Archive)
19. Bouygues Telecom déploie la 4g-lte advanced grâce au refarming. bbox-news.com, le 11 mai 2014
20. 700 MHz : Orange grand gagnant devant Free Mobile frandroid.com, le 17 novembre 2015
21. [PDF] Revue stratégique du spectre pour le très haut débit mobile, bande 28 : pages 12 et 14 arcep.fr, mars 2015
22. [PDF] (en) Norme 36.101 rev 12.9.0, User Equipment (UE) radio transmission and reception, chapitres 5.5 et table 6.6.3.2-1 page 125 (bande 28) Etsi/3GPP, octobre 2015.
23. Réponse d'Orange en février 2015 à la consultation ARCEP sur la bande 700 MHz : « Il est également à noter que la spécification des exigences OOBE (émissions hors bande, en l’occurrence pour la protection de la télévision numérique) que les terminaux LTE700 devront respecter, est encore en discussion ; la norme harmonisée, produite par l’ETSI, à valeur réglementaire en Europe, n’était donc pas achevée en février 2015. » disponible dans http://www.arcep.fr/uploads/tx_gspublication/contribs-cp-THD-mobile-700mhz-310315.zip
24. (en) [PDF] APT700 band (band 28), creating a global LTE ecosystem opportunity, pages 5 et 8 : lower duplexer Ericsson.com, février 2014
25. Bande 700 MHz Résultat final de la procédure d'attribution Arcep.fr, novembre 2015.
26. BANDE 700 MHz : Les grandes dates : communiqué ANFR du 19 juin 2015 Arcep.fr, consulté le 29 novembre 2015
27. Décision n°2015-1569 de l’ARCEP en date du 8 décembre 2015 autorisant SFR à utiliser des fréquences dans la bande 700MHz en France métropolitaine
28. Décision n°2015-1568 de l’ARCEP en date du 8 décembre 2015 autorisant Orange à utiliser des fréquences dans la bande 700MHz en France métropolitaine
29. Décision n°2015-1567 de l’ARCEP en date du 8 décembre 2015 autorisant Free mobile à utiliser des fréquences dans la bande 700 MHz en France métropolitaine
30. Décision n°2015-1566 de l’ARCEP en date du 8 décembre 2015 autorisant Bouygues Télécom à utiliser des fréquences dans la bande 700 MHz en France métropolitaine
31. L'ARCEP publie les résultats de la procédure d'attribution des licences mobiles 4G dans la bande 800 MHz (le « dividende numérique ») Arcep.fr, décembre 2011.
32. L'ARCEP autorise Bouygues Telecom à mettre en œuvre la 4G dans la bande 1 800 MHz, à partir du 1^er octobre 2013, sous réserve qu'elle restitue préalablement des fréquences (4G - Refarming 1 800 MHz) Arcep.fr, 14 mars 2013.
33. Dans les zones très denses, Bouygues Telecom bénéficiait temporairement d'une largeur de bande de 23,8 MHz duplex : à Lyon jusqu'au 1^er janvier 2015, à Marseille-Aix-en-Provence jusqu'au 1^er avril 2015 et à Nice et Paris jusqu'au 1^er juillet 2015.
34. [PDF] Décision n° 2014-1542 de l'Arcep Arcep, le 16 décembre 2014
35. [PDF] Décision du 30 juillet 2015 modifiant la décision n° 2006-0239 autorisant la société Orange à utiliser des fréquences dans les bandes 900 MHz et 1800 MHz Arcep, 31 juillet 2015
36. [PDF]Décision du 30 juillet 2015 modifiant la décision n° 2006-0140 autorisant la société SFR à utiliser des fréquences dans les bandes 900 MHz et 1800 MHz Arcep, 31 juillet 2015
37. [PDF] Décision autorisant la société Free Mobile à utiliser des fréquences dans la bande 1800 MHz Arcep.fr, le 8 septembre 2015
38. L'OBSERVATOIRE ANFR anfr.fr, consulté en novembre 2016
39. Communiqué de presse de l'ARCEP : L'Arcep autorise Bouygues Telecom et SFR à utiliser la bande 2,1 GHz en 4G arcep.fr, le 16 juin 2017
40. Orange autorisé par l’ARCEP pour utiliser le 2100 MHz pour sa 4G degroupnews.com, le 28 septembre 2017
41. Décision autorisant la société Bouygues Telecom à utiliser des fréquences dans la bande 2,6 GHz en France métropolitaine pour établir et exploiter un réseau radioélectrique mobile ouvert au public, Décision n^o 2011-1168 en date du 11 octobre 2011[PDF].
42. Décision autorisant la société Free Mobile à utiliser des fréquences dans la bande 2,6 GHz en France métropolitaine pour établir et exploiter un réseau radioélectrique mobile ouvert au public, Décision n^o 2011-1169 en date du 11 octobre 2011[PDF].
43. Décision autorisant la société Orange France à utiliser des fréquences dans la bande 2,6 GHz en France métropolitaine pour établir et exploiter un réseau radioélectrique mobile ouvert au public, Décision n^o 2011-1170 en date du 11 octobre 2011[PDF].
44. Décision autorisant la société française du radiotéléphone à utiliser des fréquences dans la bande 2,6 GHz en France métropolitaine pour établir et exploiter un réseau radioélectrique mobile ouvert au public, Décision n^o 2011-1171 en date du 11 octobre 2011[PDF] arcep.fr, octobre 2011.
45. (en) 3GPP TS 36.306 rel.8 - (E-UTRA) ; User equipment (UE) radio access capabilities; chapitre 4 : catégories UE, etsi.org, juin 2011 [PDF]
46. (en) 3GPP, E-UTRA; User equipment (UE) radio access capabilities, rel-11 3gpp.org, consulté en novembre 2015
47. (en) LTE Resources - Carrier Aggregation, artizanetworks.com.
48. (en) Au 3^e trimestre 2012 le nombre d’abonnés LTE de Verizon atteint 16,1 millions C114.net, 6 décembre 2012.
49. (en) AT&T, Verizon LTE nets offer similar data download, computerworld.com, décembre 2011.
50. Bouygues Telecom et Orange sortent du bois dans le LTE, Le journal des télécoms - 22 mars 2012.
51. 4G LTE : 3,7 millions de clients en France igen.fr, le 5 juillet 2014
52. Belgacom lance la 4G le 5 novembre 2012, Astel.be.
53. (en) Statistiques WCDMA et LTE – 27 millions d’abonnés LTE mi 2012, Global mobile Suppliers Association, décembre 2012.
54. [(en) 58 millions d’abonnés LTE dans le monde fin 2012 et 103 millions de terminaux 4G LTE vendus en 2012, Fiercemobileit.com, 5 janvier 2013.
55. (en) GSA confirms North America closes 2013 with 101 million of global 200 million LTE subscribers, Gsacom.com, le 10 mars 2014.
56. [PDF] (en) GSA : Mobile fast facts : 521 commercially launched LTE networks in 170 countries, Gsacom.com, le 4 août 2016.
57. (en) Global LTE Connections Grow 59% over 12 Months to 2.37 Billion 5gamericas.org,le 8 septembre 2017
58. (en) GSA : GAMBoD Database Update: Networks Technology Spectrum - There are 791 operators with commercially launched LTE networks., Gsacom.com, janvier 2020.
59. (en) LTE & 5G Subscribers 2020 – Global Growth gsacom.com, septembre 2020
60. (en) Subscription Update January 2022 gsacom.com, janvier 2022

Voir aussi

Articles connexes

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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

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