3G, H+, 4G LTE : un guide des normes réseau

3G, H+, 4G LTE : un guide des normes réseau

 

3G, H+, 4G LTE : un guide des normes réseau

 

GPRS, EDGE, UMTS, HSDPA, DC-HSPA, LTE, voilà une bouillie d'acronymes que les fabricants et les opérateurs servent souvent sans qu'on ne comprenne bien ce qu'ils désignent. Petit rappel sur ces normes réseau.


La radio-téléphonie


Les premiers travaux sur la téléphonie sans-fil remontent à la Seconde Guerre mondiale. Ils aboutissent aux premiers réseaux mobiles, dits réseaux 0G, en fait des systèmes radio-téléphoniques. Ils utilisent des antennes VHF, comme la radio FM ou les communication militaires, ce qui leur offre une excellente couverture, mais les expose à une forte congestion et à des interférences.


Un téléphone IMTS de voiture. Image Geoff Fors

 


Le MTS (Mobile Telephone Service) américain, comme les services similaires, nécessite l'intervention d'une opératrice : on prend la ligne, qui devient indisponible pour les autres utilisateurs, le temps de donner le numéro à contacter. Une fois la liaison établie, la ligne est libérée pour les autres utilisateurs. Ce système, opérationnel depuis 1946, est toujours utilisé dans les zones les plus reculées des États-Unis ou du Canada.


Le système IMTS (Improved Mobile Telephone Service), mis en place à partir de 1964, est le premier à permettre une liaison directe par numérotation. En IMTS, l'appel est purement analogique : la communication avec le réseau et la numérotation sont effectuées par impulsions sonores. L'Autotel, réseau de l'Ouest canadien, inaugure quant à lui l'utilisation d'un signal numérique pour ces opérations — la voix reste dans tous les cas analogique.


À l'époque, ces réseaux sont d'abord et avant tout utilisés pour les téléphones embarqués dans les voitures. Impossible en effet de concevoir un appareil portatif pouvant s'y connecter dans les conditions de l'époque : il fallait bien la batterie d'une berline et une antenne de toit pour obtenir des conditions de connexion passables.


Les réseaux de première génération


La téléphonie cellulaire est un premier pas vers une utilisation réellement mobile. Elle impose de mailler le territoire de manière plus serrée avec un tapis d'antennes définissant des cellules, mais permet à plusieurs utilisateurs de passer un appel en même temps sans encombrer la ligne et est moins soumise à perturbations en fonctionnant sur des bandes de fréquences plus élevées. Cerise sur le gâteau : on peut passer d'une cellule à une autre sans que la communication ne soit coupée.


Le Motorola Dynatac 8000x. Commercialisé pour 3 995 $, il dispose d'une autonomie d'une heure, la recharge en prenant pas moins de dix.

 


Chaque pays ou presque développe son propre système : AMPS aux États-Unis (Advanced Mobile Phone System, 1978), NMT en Scandinavie (Nordic Mobile Telephone, 1981), TACS en Grande-Bretagne et au Japon (Total Access Communication System, 1983), Radiocom 2000 en France (1986). Ces réseaux sont incompatibles entre eux, et se font parfois concurrence à l'intérieur d'un même pays : la Société française du radio-téléphone contre le Radiocom de France Télécom dès 1987 avec un réseau… NMT ! Ces réseaux sont encore utilisés majoritairement en voiture (90 % des abonnés Radiocom).


Le progrès des antennes et des batteries aidant, le marché des téléphones mobiles naît : le modèle le plus emblématique est sans doute le Motorola Dynatac 8000x (1983). On le présente souvent comme le « premier téléphone mobile », sans doute à cause de sa ressemblance avec le prototype utilisé par Martin Cooper en 1973 pour passer le premier appel sur un réseau 1G. Mesurant 25 cm sans l'antenne pour 780 grammes, c'est en fait le premier téléphone mobile suffisamment petit pour être transporté dans une sacoche commercialisé à grande échelle.


Le téléphone mobile devenant commun, les premiers usages détournés apparaissent. Comme l'Autotel, les réseaux 1G utilisent un signal numérique pour les opérations techniques et la modulation analogique pour la voix — un canal non sécurisé qui peut être observé avec un scanner radio. Les pirates, notamment aux États-Unis, récupèrent ainsi les identifiants uniques des téléphones et les clonent dans un autre : on peut alors téléphoner avec l'identifiant d'un autre… et donc sur sa facture.


Les réseaux de deuxième génération


La Conférence européenne des administrations des postes et télécommunications se penche dès 1982 sur un nouveau type de réseau mobile censé combler les failles des systèmes précédents. Le Groupe spécial mobile, installé à Paris, définit en l'espace de cinq ans un standard européen de transmission numérique, aux informations chiffrées avec un lien au réseau par carte à puce, et beaucoup plus léger dans sa gestion des ressources réseau.


Le Nokia 1011, le premier téléphone GSM produit en masse. Haut de 19,5 cm, il pèse 476 grammes.

 


Le GSM (Global System for Mobile communications) est formalisé en 1990 (Phase 1), les bandes des 900 et 1800 MHz lui étant réservées : le premier appel est passé en 1991, le premier SMS est envoyé en 1992. Il dépasse rapidement le cadre européen : il est adopté en Australie dès 1993. Il n'est pourtant pas universel. Le GSM utile le multiplexage temporel (TDMA) : on découpe le temps disponible entre les différents utilisateurs, une bande de fréquence donnée pouvant ainsi être utilisée par plusieurs utilisateurs en même temps.


Chacun de leur côté, les militaires américains et russes développent des réseaux utilisant le CDMA, une technique qui partage une bande de fréquence entre plusieurs utilisateurs en utilisant un système d'encodage et une technique d'étalement de spectre (on retrouve ce fonctionnement dans le GPS, le Bluetooth ou le Wi-Fi). L'IS-95, incompatible avec le GSM, utilise ce système et est notamment déployé aux États-Unis.


Encore trop simple ? Au début des années 1990, France Télécom veut aussi passer au numérique, mais n'adopte pas le GSM : c'est la naissance du Bi-Bop. Les téléphones et les communications sont bon marché et l'opérateur convainc même Apple d'équiper une série de PowerBook 180 d'une connexion Bi-Bop, qui permet alors d'envoyer des faxs et de se connecter au minitel. Mais le Bi-Bop est construit sur la norme CT2, lointain ancêtre du DECT de nos téléphones domestiques sans-fil : il faut se trouver à proximité immédiate d'une des bornes déployées dans quelques villes pour pouvoir téléphoner, et on ne peut passer d'une borne à l'autre sans déconnexion. Le réseau est abandonné en 1997.


Le Nokia 7110, premier téléphone avec un navigateur WAP.

 


Le GSM est à ce moment doté d'une couche réseau, comme l'IS-95, limitée à 14,4 kbit/s, puis augmenté par le GPRS (General Packet Radio Service), qui permet d'atteindre 115 kbit/s. En 1999, Nokia présente le 7110, le premier téléphone doté d'un navigateur WAP : les pages sont certes allégées, mais l'on peut désormais surfer en mobilité. L'EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) ne tarde pas à suivre : avec ses 235 kbit/s de débit maximal, il permet de rêver de regarder des vidéos sur un mobile.


Les réseaux de troisième génération


Le CDMA2000 a l'avantage d'être une évolution de l'IS-95 et donc de n'avoir nécessité que peu de nouveaux investissements. Ses premières évolutions ne répondent néanmoins pas aux spécifications 3G (moins de 200 kbit/s) et ne permettent pas l'utilisation de la voix et des données en même temps : on parle d'ailleurs de 1xRTT (voix seulement) et de 1xEv-DO (données seulement). Techniquement, l'EDGE répond lui à la définition d'un réseau de troisième génération — mais il ne permet pas non plus d'utiliser voix et données en même temps.


L'iPhone original exploitait à fond les capacités des réseaux EDGE.

 


Les opérateurs CDMA auraient pu choisir de régler le problème avec la norme Ev-DO Rev. B, mais ont pour la plupart choisi de ne pas la déployer. Ceci explique pourquoi aux États-Unis, Sprint ou Verizon ont très tôt pris le chemin des réseaux de quatrième génération : imaginez-vous que la moitié des Américains disposent d'un réseau similaire à notre EDGE, simplement plus rapide (jusqu'à 3,1 Mbit/s). On retrouve ce problème dans certains pays asiatiques et d'Amérique latine.


En Europe, les opérateurs ont fait l'effort de déployer un nouveau réseau, basé sur le système UMTS, pour permettre l'utilisation simultanée de la voix et des données. Il est incompatible avec les réseaux GSM (les téléphones sont donc compatibles avec les deux types de réseau), mais offre des capacités d'évolution bien différentes des réseaux Ev-DO, ce qui explique que la 3G soit si présente en Europe.


Le 3GPP (3rd Generation Partnership Project), qui gère cette norme, l'a constamment amélioré, notamment pour augmenter les débits :


  • UMTS (Release 99, 2000) à 1,92 Mbit/s ;
  • HSPA (Release 5 et 6, 2002 et 2004) jusqu'à 14,4 Mbit/s en download (HSDPA) et 5,8 Mbit/s en upload (HSUPA) ;
  • HSPA+ (Release 7, 2007) qui monte à 21,6 Mbit/s en download ;
  • DC-HSPA+ (Release 8 et 9, 2008 et 2009), qui atteint 42 Mbit/s en download et 11 Mbit/s en upload.

Ces débits sont théoriques, et dépendent d'ailleurs des bridages imposés par les opérateurs : la HSPA a longtemps été limitée à 7,2 Mbit/s, et la DC-HSPA+ peut théoriquement atteindre 128 Mbit/s.


Ces acronymes, moins faciles à retenir que GSM ou EDGE, ont souvent été masqués derrière des marques commerciales. L'UMTS a souvent été simplement désigné par 3G ; les réseaux 3G+ sont des réseaux HSPA. Le terme H+ d'Orange désigne les réseaux HSPA+ (HSPA+ et DC-HSPA+), alors que l'expression Dual Carrier de SFR ne désigne que les réseaux DC-HSPA+. Bouygues Telecom appelle un chat un chat et parle tout simplement de « 3G jusqu'à 42 Mbit/s ». On les désigne parfois sous le nom de réseaux 3.75G.


Les réseaux de quatrième génération


Ces réseaux HSPA+ sont si rapides que certains n'hésitent pas à les commercialiser sous le nom de 4G : c'est par exemple le cas d'AT&T aux États-Unis. Même la LTE qui est si à la mode ces derniers mois est techniquement un réseau de troisième génération : elle n'atteint pas le seuil du gigabit, mais se limite à 300 Mbit/s (et sera la plupart du temps déployée en 100 Mbit/s). On l'appelle donc parfois 3.9G.


L'iPhone 5 prend en charge la LTE.

 


Cette « fausse » 4G est néanmoins le premier standard qui sera déployé dans le monde entier. Les opérateurs utilisant la CDMA ont sauté dessus : quitte à déployer un nouveau réseau, ils ont choisi le plus pérenne. Bien qu'elle nécessite des antennes-relais spécifiques, elle est aussi un choix naturel pour les opérateurs GSM/UMTS en tant que standard défini par la 3GPP.


La LTE utilise néanmoins un grand nombre de bandes de fréquences que les téléphones ne pourront pas toutes prendre en charge : un téléphone pouvant se connecter n'importe où dans le monde est encore un rêve. L'iPhone 5 distribué par AT&T aux États-Unis ne peut se connecter au réseau de Verizon, alors que tous deux utilisent la LTE. L'iPhone 5 distribué en Europe pourra se connecter aux réseaux LTE britanniques ou allemands, mais pas aux réseaux LTE scandinaves ou français.


La 4G est définie non seulement par un seuil de débits, mais aussi par l'abandon total du mode commuté, c'est-à-dire du canal voix. Il n'y a plus qu'un seul canal données, la voix passant sur IP (VoIP), avec comme avantage une augmentation drastique de sa qualité. La LTE-Advanced sera le premier réseau à répondre techniquement à la définition originale des réseaux de quatrième génération, mais il faudra attendre quelques années avant d'y goûter.



Les réseaux LTE commencent en effet à peine à être exploités aux États-Unis, en Europe, au Japon ou encore en Chine. Une nouvelle norme pourrait d'ailleurs prolonger l'intérêt de la LTE en lui offrant la VoIP : VOLTE (Voice Over LTE). Les prochaines évolutions ne devraient pas être publiées avant 2014 — elles amèneront sans doute de nouveaux acronymes qu'il faudra expliquer…