Dossier : Que va nous apporter la 4G+ LTE-Advanced ?
Les opérateurs se battent actuellement sur le déploiement de la "4G", cette fameuse technologie qui devrait leur permettre de se différencier par la qualité de leur réseau.
Pour simplifier le problème, l'idée de la LTE-Advanced est d'améliorer la technologie actuelle, la LTE (Long Term Evolution), afin d'atteindre les exigences de la véritable 4G telles que définies par l'Union Internationale des Télécommunications (UIT). Tout comme pour la téléphonie de troisième génération, l'UIT a défini à travers les spécifications "IMT-Advanced" les conditions requises pour la dénomination "4G" (quelques détails ici). Parmi les exigences, un débit maximal théorique de 1 Gbps (100 Mbps en mouvement). Nous n'y sommes pas encore...
Pourquoi les questions de tels débits se posent déjà
Comme nous le signalions déjà dans l'article "Avez-vous vraiment besoin de la 4G", le débit théorique disponible au sein d'une cellule (la zone couverte par une antenne) est à partager entre tous les utilisateurs se situant à l'intérieur de celle-ci. Dans les zones très denses (les grandes métropoles, les lieux touristiques, etc.), la taille des cellules est déjà suffisamment petite pour que le nombre d'utilisateurs soit acceptable (en campagne, une cellule peut faire plusieurs Km2). Cependant, les usages se multiplient et sont de plus en plus gourmands en données. Ils faut donc, dès maintenant, penser à augmenter les capacités théoriques de ces cellules, c'est-à-dire les débits maximaux partagés.
Une vraie conception data
Les réseaux 2G/3G n'ont pas été conçus pour faire face à cette explosion de la consommation data. Bien que suffisants pour beaucoup d'usages, leur conception limite leur potentiel pour les besoins de demain. Il faudrait considérablement diminuer la taille des cellules (ce qui reviendrait à diminuer le nombre d'utilisateurs par cellule) pour proposer des débits acceptables, ce qui n'est pas pertinent économiquement et très difficile techniquement.
Adoptée depuis peu, la technologie LTE permet déjà d'augmenter sensiblement les débits ; elle a été conçue pour tous ces usages data, elle permet donc un confort d'utilisation bien plus grand (notamment le temps de latence bien moindre). À ce stade, la 4G commerciale de nos opérateurs permet déjà d'observer ce gain de confort de manière non négligeable. Mais, la croissance de la consommation est telle que les limites de la technologie pourrait arriver bien plus tôt que l'on eût pu prévoir il y a quelques années encore.
La LTE-Advanced, mise à jour naturelle de notre LTE
La LTE-Advanced est la réponse idéale à ce futur problème dans la mesure où elle est constituée d'améliorations techniques préservant une compatibilité avec la technologie actuelle. Ainsi, les opérateurs pourront mettre à jour leurs matériels afin d'augmenter les capacités de leur réseau, et ce, sans trop de difficultés techniques et administratives. Les utilisateurs pourront, de leur côté, continuer à utiliser leur téléphone 4G sans aucun problème. Les mieux équipés (terminaux récents compatibles LTE-Advanced) bénéficieront quant à eux des débits supérieurs de la LTE-Advanced. Cette coexistence rappelle le cas de la génération GSM avec GPRS / EDGE ; la couverture est identique, seule la technologie du terminal différenciera le débit fourni à l'utilisateur.
Par ailleurs, personne n'ignore que les opérateurs hexagonaux livrent un combat assez féroce depuis l'arrivée d'un quatrième acteur sur le marché. Cette nouvelle donnée sur un tel marché pousse les opérateurs historiques à se différencier par le réseau. Le premier combat est celui de la couverture, leur ancienneté facilitant la domination. Le second combat sera celui du débit. La LTE-Advanced s'avérera donc particulièrement pertinente d'un point de vue concurrentiel. Les ressources spectrales (blocs de fréquences) des trois opérateurs historiques sont supérieures à celles du nouvel entrant, ce qui pourrait donner naissance à un nouvel argument de vente.
La technologie actuelle (LTE) n'est qu'une première étape
La technologie LTE actuellement déployée en France est, du point de vue des débits, une petite mise à jour. En effet, le débit par cellule ne passe "que" de 42Mbps en Dual-Carrier à, au mieux, 150Mbps (pour Orange et Free Mobile). Ce qui ne sera pas, pour beaucoup, un énorme gap. Cependant, il ne faut pas oublier que la technologie LTE est la première technologie conçue pour la data, même si la 3G permettait de bons débits. Cela se ressentira sur la qualité de navigation, notamment.
La LTE apporte un confort inégalable pour les usages data
Tous les utilisateurs de la 4G (sous réserve d'une bonne couverture...) ont pu constater le confort d'une connexion en 4G : meilleurs débits et moins de latence. Le confort est tel que les consommateurs ont tendance à utiliser davantage leur fair-use, Bouygues Télécom parlent de + 200 %... Ce n'est pas mal ! Mais attention, que les choses soient bien interprétées : ce qui fait augmenter la consommation ce n'est pas le débit, mais le confort. Certaines personnes usent de calculs fallacieux concluant que le fair-use est utilisé en quelques minutes... Ce qui n'a ni sens ni chance d'être considéré comme tel.
La moyenne d'utilisation actuelle du fair-use ne dépasse même pas les 500 Mo, les utilisateurs qui garderont leurs habitudes consommeront la même quantité de données, mais avec une meilleure instantanéité. Pour autant, les opérateurs devront augmenter leur fair-use assez rapidement, quand la couverture 4G sera suffisante (la 3G actuelle, au fair-use coûteux, supporterait difficilement une augmentation de celui-ci dès à présent, surtout pour les gros opérateurs).
La jeune et naissante LTE a un petit potentiel, la LTE-Advanced en a un gros
L'efficacité spectrale théorique se mesure en quantité de données (bits) pouvant être transférées durant 1 seconde sur une largeur de bande de 1 Hz. Celle de la technologie LTE classique peut atteindre les 15 bits/s/Hz en download et 6,75 bits/s/Hz en upload. Si l'on prend les ressources spectrales des deux opérateurs Orange et Free Mobile dans la bande 2600 MHz, soit 20 MHz pour le download (contre 15 MHz pour SFR et Bouygues Télécom), le débit maximal théorique pourrait alors théoriquement atteindre : 15 bits/s/Hz x 20000 Hz = 300 Mbits/s. Or, la technologie actuelle ne permet d'obtenir que 150 Mbps. Ce qui nous donne une efficacité spectrale deux fois moindre. Autant dire que la LTE actuellement déployée en France n'est pas encore au maximum de ses capacités.
Cependant, même en atteignant une efficacité spectrale à 15 bits/s/Hz en download, les opérateurs devront posséder environ 70 MHz en un seul bloc (pour la LTE classique) afin d'atteindre les débits de la norme 4G, à savoir 1 Gbps. Ceci n'est tout simplement pas possible avec la technologie actuelle : 70 MHz contiguës dans la même bande est difficile à obtenir, compte tenu du nombre d'opérateurs devant se partager le spectre et de la rareté des fréquences dans ledit spectre.
Finalement, la LTE-Advanced sera nécessaire pour atteindre les spécifications de la véritable 4G. Cette LTE-Advanced va apporter beaucoup de changements techniques pour augmenter les débits. Nous avons choisi de développer ici deux grandes améliorations qui s'appuient sur deux principes : augmenter l'efficacité spectrale et augmenter la largeur de bande disponible pour utilisateur.
Augmenter l'efficacité spectrale
Nous n'allons pas rentrer dans le détail de l'ensemble des techniques et améliorations qui permettront d'augmenter l'efficacité spectrale. Nous allons nous contenter de développer l'une des avancées que nous connaissons déjà : le MIMO, pour Multiple-Input Multiple-Output. Aujourd'hui, la technologie MIMO est présente dans certaines connexions WiFi, ainsi que pour certaines antennes 3G Dual-Carrier (jusqu'à 84 Mbps par cellule dans ce cas précis [MIMO 2x2]).
Plus d'antennes de chaque côté pour recevoir davantage
Cette technologie consiste donc à envoyer et recevoir les données avec plusieurs antennes simultanément. La manière dont sont envoyées les données pourra varier selon les situations (diversité spatiale ou multiplexage spatiale), mais l'idée est la même au final : doubler le nombre d'antennes output (au niveau du relais) permet de doubler (on va simplifier) l'efficacité spectrale et ainsi permettre de supporter plus d'utilisateurs. Du côté du terminal, si l'on double le nombre d'antennes en réception (input), on ira jusqu'à doubler les performances et le débits en download. Simple et efficace.
La LTE et le MIMO 4x4
Actuellement, les antennes 4G déployées par les opérateurs sont prévues pour un usage MIMO 2x2, soit deux antennes en output au niveau du relais. Cette configuration permet d'obtenir un débit de 150 Mbps pour une largeur de bande de 20 MHz. Ce qui équivaut à une efficacité spectrale de 7,5 bits/s/Hz en réception. Quand la technologie le permettra, nous pourrons passer au MIMO 4x4, nous serons toujours dans la norme LTE. Le débit théorique sera doublé, on parlera alors de LTE catégorie 5 (voir ici pour plus de détails sur les différentes catégories de terminaux, à noter que la LTE-Advanced amène de nouvelles catégories).
L'adoption du MIMO 4x4 nécessitera déjà quelques années. D'une part, il faudra que les antennes des opérateurs supportent la technologie. Le déploiement prendra plusieurs mois. D'autre part, les terminaux mobiles devront intégrer les puces ainsi que le nombre d'antennes suffisant ; la disposition de celles-ci posera sans doute énormément de problème pour les appareils mobiles de petite taille.
L'étape suivante avec la LTE-Advanced
La LTE-Advanced apporte le MIMO 8x8 en download (toujours 4x4 en upload) ; 8 antennes de chaque côté (antenne relais - terminal), ce qui permet de doubler l'efficacité spectrale : 30 bits/s/Hz. Pour donner un ordre d'idée, les 20MHz de Free Mobile et Orange permettraient d'atteindre des débits de 600 Mbps, toute chose égale par ailleurs. C'est très prometteur sachant que l'adoption de cette technologie ne modifie en rien la compatibilité ascendante. Du côté antenne, on double les capacités et le nombre d'utilisateurs potentiels. Aucun frein à l'adoption donc, si ce n'est la difficulté d'intégration de la technologie elle-même.
L'efficacité spectrale au bord de la cellule
En augmentant le nombre d'antennes en output, on augmente l'efficacité spectrale et on permet à plus d'utilisateurs de recevoir un signal. C'est un très bon point, sachant que le nombre d'objets connectés ne va cesser de croître dans les prochaines années. Pour autant, il ne faut pas oublier l'un des problèmes majeurs des connexions cellulaires : le cas des frontières ou des bords. Plus on s'éloigne de l'antenne, et plus le signal faiblit (à cause de la distance et des divers obstacles). Cependant, un autre problème apparait à ces frontières cellulaires : le signal des autres antennes peut être perçu comme des "interférences" dans la mesure où il perturbe la stabilité de la connexion.
La LTE-Advanced va apporter plusieurs améliorations afin d'améliorer le confort au bord de ces cellules. L'une de ces améliorations, appelée Coordinated Multi Point Operation, devrait permettre aux terminaux de ne plus être perturbés par les antennes voisines. Plus loin encore, grâce à cette technologie, le terminal pourrait recevoir le signal de différentes antennes afin d'augmenter la bande passante disponible, de manière transparente. C'est un point essentiel pour la stabilité de la connexion. Une telle barrière franchie permettra à beaucoup d'utilisateurs se situant dans ces zones frontières d'obtenir une connexion de bien meilleure qualité, également pour les utilisateurs en mouvement.
Augmenter la largeur de bande disponible
Les 600Mbps disponibles grâce à l'augmentation de l'efficacité spectrale seraient extrêmement confortables, mais cela ne permettra pas d'obtenir le Gbps exigé par l'UIT. Par ailleurs, les techniques d'augmentation de l'efficacité spectrale sont difficiles à intégrer (notamment côté terminal) et ne devraient donc pas être totalement déployées avant plusieurs années (côté utilisateur en tout cas, les relais pourraient quant à eux supporter plus d'utilisateurs). Il faut donc avoir sous la main d'autres techniques pour augmenter encore le débit, d'autres techniques aussi plus rapides à déployer.
L'agrégation de porteuses
Une étape intermédiaire consiste simplement à augmenter la largeur de bande : plus de Hz = plus de débit à efficacité spectrale constante. Pour cela, la LTE-Advanced prévoit la technologie d'agrégation de porteuses. Autrement dit, on combine les différentes blocs de fréquences entre eux pour augmenter la bande passante. Cette technologie va permettre de combiner des porteuses à l'intérieur de la même bande de fréquence (2600 MHz par exemple, on parlera d'agrégation intra-bande), mais également des porteuses de bandes différentes, par exemple 800MHz + 2600 MHz (agrégation inter-bande).
L'agrégation inter-bande répond bien à la difficulté pour les autorités de mettre à disposition de grandes largeurs de bandes contiguës, dans un spectre limité. Niveau terminal, l'agrégation de porteuses permettra de "combiner" plusieurs blocs de fréquences non nécessairement contigus, de sorte que l'on obtienne un bloc "virtuel" plus large.
Les possibilités (autrement dit la largeur totale disponible) dépendront néanmoins de la situation de l'utilisateur ; certaines fréquences couvrent mieux le territoire (cellule plus grande, meilleure pénétration dans les bâtiments) et il ne sera probablement par rare de ne pouvoir combiner que certaines fréquences et non la totalité. En revanche, la possibilité de combiner ses fréquences rendra la connexion plus robuste : nous ne devrions pas sauter d'une fréquence à une autre. Le terminal se connectera à la fréquence la plus stable (dans les fréquences en or) et utilisera les autres si cela est possible, un gain pour la batterie à n'en pas douter.
Le nombre de blocs pouvant être agrégés augmentera au fil des années
Certains documents disponibles font état d'un maximum théorique de 5 blocs agrégés. Cependant, tout comme avec le MIMO, l'adoption de l'agrégation de porteuses se fera au fil des années. Qualcomm propose déjà des puces permettant l'agrégation de deux porteuses (deux blocs), notamment Gobi LTE modem 9x35 annoncé en novembre dernier qui permet d'agréger deux blocs de 20 MHz, pour un total de 40 MHz donc. Cela permettra dès 2014 d'atteindre des débits de l'ordre de 190 Mbps chez Bouygues Télécom ou SFR et de 225 Mbps chez Orange. Free Mobile ne pourra pas proposer cette technologie, ses ressources spectrales ne lui permettant pas (il possède un seul bloc de fréquences).
Assez rapidement, le nombre de blocs pouvant être agrégés devrait augmenter. Cela devrait d'ailleurs inciter les opérateurs (autres que Bouygues Télécom) à utiliser la bande des 1800 MHz, initialement destinée à la 2G, pour la LTE (au moins une partie [10MHz] comme le fait BT actuellement). Cela permettrait, à efficacité spectrale constante, d'augmenter encore les débits de 75 Mbps (donc au maximum 300 Mbps pour Orange). Puis, quand le nombre d'utilisateurs du réseau 2G aura suffisamment diminué, les opérateurs pourront réallouer la totalité des 20 MHz de la bande 1800 MHz (Free Mobile obtiendra 15MHz), soit 150 Mbps supplémentaires (115 Mbps pour Free Mobile). Enfin, l'État devrait mettre aux enchères quelques MHz supplémentaires dans la bande des 700 MHz, ces fréquences en or issues du second dividende numérique (télévision).
Par ailleurs, la LTE-Advanced permet aux opérateurs de créer des micro-cellules aux contraintes techniques moindres. Cela permettrait de disposer dans les zones denses de petites cellules émettant dans une bande de fréquences moins sollicitée, mais aux propriétés moins couvrantes : la bande des 3,5 GHz par exemple. Cette bande est déjà prévue par quelques opérateurs dans le monde (NTT DoCoMo notamment) et Orange a déjà commencé à expérimenter l'agrégation de deux blocs de 20 MHz sur les deux bandes 2,6 GHz et 3,5 GHz. On double alors le débit disponible avec un seul bloc de 20 MHz, ce qui permet, à efficacité spectrale constante (actuelle), d'atteindre les 300 Mbps.
Conclusion
Avec l'explosion de la consommation de données, le risque de congestion des réseaux 4G pourrait rapidement poser problème. L'idée est donc d'augmenter les capacités de la LTE, c'est-à-dire d'augmenter le débit par cellule pour augmenter le débit moyen par utilisateur et/ou le nombre d'utilisateurs.
L'arrivée de la LTE-Advanced
L'intérêt premier de la LTE-Advanced est de proposer des améliorations techniques permettant de garder une compatibilité ascendante tout en promettant des débits supérieurs au Gbps. Nous vous avons présenté deux d'entres elles : l'agrégation de porteuses et la technologie MIMO. L'avantage est que ces améliorations pourront se faire au fil des années afin d'absorber l'augmentation de la consommation de données, et ce, sans remettre en cause le réseau actuel. Des mises à jour en quelque sorte.
Finalement, la première étape du déploiement de la LTE-Advanced consistera à agréger les porteuses. En combinant seulement deux blocs de fréquences dans les deux bandes 800 MHz et 2600 MHz, Orange peut dès à présent proposer 225 Mbps, 190 Mbps chez SFR et Bouygues Télécom. Ensuite, le refarming des fréquences 2G permettra, à terme, de récupérer 20MHz pour les trois opérateurs historiques, Free Mobile pourrait alors obtenir 15 MHz. Ce qui, au final, permettra des débits maximaux théoriques par cellule de 375 Mbps pour Orange, 337Mbps pour SFR et Bouygues Télécom et enfin 262 Mbps pour Free Mobile. Viendra alors l'attribution de fréquences dans la bande des 700MHz (second dividende numérique).
L'agrégation de porteuses, une fois bien maîtrisée, permettra aux opérateurs de déployer un réseau de micro-cells, des cellules réseaux de petites couvertures (fréquences dans les 3,5GHz), mais dont les largeurs de bande pourraient dépasser les 20MHz, permettant ainsi d'obtenir des débits très élevés - les ressources spectrales sont plus abondantes dans les fréquences élevées. Le terminal garderait une connexion "support" dans les fréquences en or pour plus de stabilité, tout en profitant des débits élevés des micro-cells.
En parallèle, l'efficacité spectrale des réseaux pourrait être améliorée (quadruplée en fait), notamment grâce à la technologie MIMO qui multiplie le nombre d'antennes du côté relais et du côté terminal. Actuellement, l'efficacité spectrale est à 7,5 bits/s/Hz en réception. Les données théoriques concernant la LTE-Advanced promettent une efficacité spectrale de 30 bits/s/Hz ! Autrement dit, Orange et Free Mobile pourraient théoriquement proposer 600 Mbps grâce à leur bloc de 20 MHz dans la bande des 2600 MHz, un gain non négligeable. La connexion au niveau du bord des cellules devrait également être améliorée grâce à diverses techniques dont l'une permettra de combiner les signaux de chacune des antennes voisines pour augmenter le débit théorique.
Ce que l'on peut espérer au final
Avec l'ensemble des blocs actuellement à disposition des opérateurs, et en considérant le refarming 2G des fréquences 1800MHz, nous aurions au final grâce à la LTE-Advanced (sans micro-cells, ni second dividende) : 1500 Mbps pour Orange, 1350 Mbps pour SFR et Bouygues Telecom et enfin 1050 Mbps pour Free Mobile. Les micro-cells permettront sans doute d'ajouter 600 Mbps (blocs de 20 MHz), puis le second dividende devrait au minimum proposer 10MHz aux opérateurs les plus généreux, soit 300 Mbps. Avant que la 5G n'arrive, à partir de 2020, nous aurons sans doute dépassé les 2 Gbps.
Malheureusement, la technologie LTE-Advanced mettra du temps à être déployée. De plus, elle sera toujours la source d'une certaine fracture numérique, les grandes villes étant bien moins coûteuses à couvrir avec les dernières technologies. Dans l'ensemble, cette montée en débit sera bénéfique pour le consommateur. Non pas parce qu'individuellement le débit supplémentaire est vital, mais tout simplement parce que l'utilisation du réseau devrait être de plus en plus forte dans les années à venir avec l'avènement des objets connectés (en 4G), des voitures connectées, de la multiplications des smartphones, etc. Le réseau devrait donc évoluer très rapidement, au bonheur des plus technophiles : la LTE-Advanced comprend une multitude d'améliorations passionnantes, et là, nous ne parlons que des 5 ou 8 prochaines années...