Tout comprendre sur le réseau 4G LTE

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Suite au lancement commercial des offres 4G des trois opérateurs (Orange, SFR, Bouygues), nous venons de mettre à jour ce dossier assez complet sur la 4G LTE !

La croissance du marché des smartphones a poussé les constructeurs vers une surenchère technologique. Si les performances augmentent sans cesse au gré des nouveaux SoC, la connectivité est bien la clef de voûte des terminaux mobiles. C’est le fil d’Ariane qui les connecte au monde extérieur.

La norme de troisième génération (3G) a été poussée dans ses derniers retranchements avec l’introduction de la HSPA+ avec l’utilisation simultanée de 2 cellules radio (DC-HSPA). Ayant atteint ses limites, les constructeurs et opérateurs mobiles poussent désormais la norme de quatrième génération (4G LTE).

À cela, il y a plusieurs raisons, les bandes de fréquence allouées à la 3G voient de plus en plus d’utilisateurs les utiliser simultanément. Le réseau 3G est donc saturé, notamment en zone urbaine.

Le phénomène est mécanique et nécessite l’allocation de nouvelles bandes de fréquences. La 4G LTE tombe à pic puisqu’elle fait véhiculer les données sur des nouvelles bandes de fréquences. Les bandes sont plus larges et la modulation est encore optimisée. L’apogée de cette nouvelle norme étant la LTE de catégorie 5 qui prévoit un débit descendant maximum théorique de 300 Mb/s contre 42 Mb/s pour le HSPA+, soit un rapport de 7.

Mais les enjeux et les bénéfices de la 4G LTE dépassent la simple augmentation de la bande passante et du débit.

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La 4G LTE : un défi technologique

Avec la 4G LTE, ce sont avant tout des défis technologiques que les constructeurs doivent relever. Il suffit pour s’en rendre compte de constater que les ambitions ont dans un premier temps dû être revues à la baisse par rapport à ce qui était prévu par l’UIT-R.

La 4G LTE est en gestation du côté des constructeurs de terminaux mobiles, des opérateurs mobiles et des équipementiers télécom depuis plusieurs années. Les Scandinaves ont été les premiers à la mettre en oeuvre à Stockholm en Suède ainsi qu’à Oslo en Norvège dès décembre 2009 grâce à l’opérateur suédois TeliaSonera. Une date à marquer d’une pierre blanche tout comme le fut celle de la première communication GSM.

Depuis lors, les constructeurs ont planché sur des solutions afin de tirer profit de ce nouveau mode cellulaire. Samsung a été le premier à dégainer un téléphone mobile compatible 4G LTE avec le SCH-R900 au second semestre 2009.

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Mais avant cela, en 2008, la 4G LTE telle que la prévoyaient les spécifications « IMT-Advanced » (International Mobile Telecommunications Advanced) établies par l’organisme de normalisation UIT-R stipulaient que le débit devrait plafonner à 1 Gb/s afin de prétendre au titre de standard de 4ème génération pour la téléphonie mobile.

Or, l’UIT-R est un organisme administratif composé de près de 200 états membres qui doit prendre en compte les desiderata des différents pays, l’état d’avancement de la technologie, les attentes des utilisateurs pour les différents marchés, les besoins réels, les coûts de mise en oeuvre et identifier tous les problèmes qui pourraient ralentir la diffusion d’une nouvelle norme de télécommunication au niveau mondial.

L’ampleur de la tâche est vaste et l’équation extrêmement difficile à résoudre. C’est pourquoi l’organisme a décidé de transiger en faveur des industriels qui poussaient pour des spécifications revues à la baisse.

Appelée norme de 3G ultime ou encore 3,9G, le standard que l’on appelle actuellement « 4G LTE » a finalement eu l’aval de l’UIT-R pour pouvoir prendre cette appellation pour des raisons commerciales. Le Wimax a également bénéficié de ce « changement de statut opportun. »

Mais la véritable norme de 4G LTE sera finalement la 4G LTE Advanced.

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Il n’en reste pas moins que les challenges sont multiples et très difficiles à résoudre pour rendre les terminaux mobiles compatibles avec le successeur de la 2G et de la 3G.

Pour s’en rendre compte, il suffit de comprendre que faire transiter des données (les émettre et les recevoir) consomme beaucoup de courant électrique. Or, si la conception des puces permet de les diminuer, c’est principalement la finesse de gravure des circuits intégrés qui les baisse de façon significative. Or, les débits visés par les normes 3, 4 et 5 de la 4G LTE sont respectivement de 100 Mb/s, 150 Mb/s et 300Mb/s, soit 2.4, 3.6 et 7 fois supérieures aux 42 Mb/s du DC-HSPA. Mais dans le même laps de temps, les technologies CMOS avancées n’ont pas progressé dans les mêmes proportions. Les puces sont bien passées d’une longueur de grille de 45 nm pour les transistors à 28 nm ou 32 nm (pour les derniers Medfied et Clover Trail+ d’Intel).

Rappelons que la finesse de gravure se traduit par des transistors plus performants pour une même consommation électrique (fréquence de transition plus élevée, gain plus important et courant de fuite moindre).

Il faudra attendre les technologies plus avancées (22nm puis 14nm) pour espérer voir arriver des smartphones supportant la 4G LTE et disposant d’une autonomie « satisfaisante ».

Concernant les débits, au-delà des largeurs de bande qui peuvent varier de 1.4 MHz à 20 MHz, le multiplexage OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) optimise l’utilisation spectrale et minimise les interférences. Le codage 64QAM est ainsi utilisé dans les zones qui le permettent.

Des techniques mettant en oeuvre plusieurs antennes (MIMO pour multiple-input and multiple-output) en émission et en réception (au niveau du terminal mobile et des stations de base) assurent également l’augmentation du débit ainsi que la portée.

L’adressage IP au coeur de la 4G LTE

Si les débits et les fréquences de la 4G LTE sont sous les feux des projecteurs, le réseau mis en oeuvre par cette norme LTE est basé sur l’adressage IP. Il n’y a plus de mode commuté tant et si bien que les communications téléphoniques se font en VoIP (Voice over Internet Protocol).

C’est la norme VoLTE (Voice over LTE) qui leur permet de transiter sur le réseau 4G LTE.

Les opérateurs disposent d’une autre option technique pour faire transiter la voix et les SMS via le « CSFB » (Circuit Switch Fall-Back). La procédure assure la coupure momentanée au réseau 4G LTE et fait basculer les appels téléphoniques sur les réseaux 2G et 3G.

Une problématique autour des fréquences

Dans le monde entier, les états ont orchestré la vente aux enchères des bandes de fréquences libres. Les opérateurs mobiles ont dû surenchérir afin de se les offrir. En France, c’est l’ARCEP qui a eu ce rôle et a attribué des bandes autour des porteuses situées à 800 MHz et 2,6 GHz (choix au niveau européen).

Les trois opérateurs historiques que sont Orange, Bouygues Telecom et SFR ont capitalisé sur les deux porteuses tandis que Free Mobile s’est offert un lot dans la bande des 2600 MHz.

Des fortunes diverses, mais aussi des choix stratégiques différents en fonction des opérateurs mobiles.

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Les enchères se sont révélées extrêmement onéreuses et c’est Orange qui a raflé le gros lot. L’opérateur historique bénéficiera de 20 MHz duplex dans la bande de fréquence 2600 MHz et de 10 MHz duplex dans la bande de 800 MHz.

SFR et Bouygues talonnent Orange de près avec des lots assez comparables tandis que Free Mobile se « contentera » de 20 MHz dans la bande de fréquence 2 600 MHz.

On notera d’emblée que la bande maximale n’excédera pas 20 MHz contre 5 MHz pour les bandes de l’UMTS (3G) et que les deux bandes de fréquence n’offrent pas la même « qualité ».

La bande des 800 MHz a été laissée vacante en partie après le passage de la TV analogique à la TV numérique (TNT). Elle a une portée plus importante que la bande des 2.6 GHz et permettra aux opérateurs qui peuvent l’exploiter de couvrir plus rapidement des zones données. Sa portée plus conséquente permet d’installer moins de stations de base qu’avec des fréquences plus élevées. C’est la raison pour laquelle, elles ont été qualifiées de fréquences en or. Pour faire simple, elles seront cruciales pour déployer la 4G LTE en zone rurale tandis que la bande des 2,6 G est considérée comme une bande destinée plus spécifiquement aux zones urbaines.

Si Free Mobile ne dispose donc pas de lot dans la bande 800 MHz, l’opérateur mobile pourra bénéficier d’un accueil en itinérance tout comme c’est déjà le cas actuellement pour la 3G (en partenariat avec Orange). Une seule condition est nécessaire pour que la demande de Free soit validée : son réseau autour des 2600 MHz doit avoir atteint une couverture de 25% de la population française.

Anticiper le passage au haut débit mobile

S’il est une spécification à regarder de près lors de l’achat d’un smartphone, c’est bien sa connectivité cellulaire. Que faire d’un smartphone ultra puissant, mais ne supportant pas les normes de connectivité cellulaires évoluées.

Il faut avant tout examiner ce à quoi votre forfait mobile vous permet d’accéder et notamment s’il supporte le DC-HSPA, c’est-à-dire, la possibilité de faire transiter deux bandes de signaux autour de deux porteuses.

Les constructeurs se sont rendu compte qu’il était plus facile de « saucissonner » les bandes en deux (voire en plus que deux à l’avenir) afin d’augmenter la somme de ces deux bandes plutôt que d’augmenter la bande en la laissant d’un seul tenant. Résultat : il est plus facile de « trouver » deux slots de 5 MHz qu’un slot de 10 MHz dans le réseau 3G mobile hyper saturé. C’est le DC-HSPA (pour dual carrier HSPA) qui tire la quintessence de la 3ème génération de téléphonie mobile.

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Les derniers téléphones haut de gamme supportent le DC-HSPA.

Enfin, il faut essayer de se projeter dans l’avenir, surtout si vous n’êtes pas du style à acquérir un nouveau smartphone tous les 6 mois.

Les modems intégrés aux smartphones étaient jusqu’alors qualifiés de catégorie 3 lorsqu’ils supportaient la 4G LTE. Les nouveaux modèles intègrent des modems supportant la 4G LTE de catégorie 4. On passe ainsi d’un débit maximum théorique descendant de 100 Mb/s à 150 Mb/s (puis plus tard à 300 Mb/s avec la catégorie 5).

Il faut donc regarder si le téléphone supporte l’une ou l’autre de ces normes.

Mais, les choses seraient bien trop simples si on en restait là.

L’iPhone 5 a été l’occasion de constater que les modems, s’ils sont multimodes, ne sont pas multibandes pour la 4G LTE. Plus de 40 bandes LTE sont et seront exploitées suivant les zones géographiques. Il s’agit d’un véritable cauchemar pour les constructeurs de composants mobiles et de smartphones.

Il est toutefois en passe d’être résolu puisque des modems supportant l’intégralité de ces bandes sont sur le marché (du côté de Qualcomm, Broadcom et ST-Ericsson).

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Ainsi, pour revenir à l’exemple de l’iPhone 5, malgré différentes versions, aucune ne supporte les bandes 4G LTE allouées en France (i.e. 800 MHz et 2.6 GHz) tout comme dans d’autres zones géographiques. Apple l’a appris à ses dépens avec le cas de l’Australie où l’appellation « 4G LTE » pour l’iPhone 5 a été qualifiée de frauduleuse. La firme de Cupertino a ainsi écopé d’une amende.

Les nouvelles générations de smartphones intègrent bien ce type de modem. Cela permettra à un utilisateur de bénéficier de la 4G LTE avec son smartphone (et/ou sa tablette) quel que soit le pays et le continent où il se trouve (attention aux frais d’itinérance toutefois).

De surcroît, le standard LTE prévoit deux modes de fonctionnement : via un multiplexage des fréquences (FDD) et via un multiplexage temporel (TDD). Dans ce dernier mode, émission et réception se font autour d’une même fréquence porteuse, mais à des instants différents tandis qu’en FDD, elles se font simultanément, mais à des fréquences porteuses différentes.
La FDD est actuellement supportée par les réseaux 4G LTE qui sont déployés.

Les offres 4G en France

La 4G n’est plus une chimère puisque trois opérateurs mobiles français proposent des forfaits qui intègrent cette connectivité cellulaire.

Bouygues Telecom

Bouygues Telecom est le troisième opérateur à entrer en lice avec une contre-offensive de nature à dynamiser le marché de la 4G en France. Depuis le 1er octobre 2013, l’opérateur français a en effet ouvert son réseau 4G LTE. Si la couverture initialement annoncée devait porter à 40% de la population, elle est finalement de 63% (23 points de plus que prévu).

Bouygues estime ainsi que 40 millions de français sont en mesure d’accéder à son réseau cellulaire à très haut-débit. Et l’opérateur d’ajouter dans une volonté de séduction des professionnels, que 70% des entreprises seraient couvertes par son réseau 4G et que 100% de ses offres Entreprises incluent la 4G. De surcroît, concernant les forfaits Entreprises, les débits ne sont désormais plus bridés au-delà de l’enveloppe data. Ils sont désormais facturés au Mo avec un plafond ne pouvant excéder les 120€ HT. A sa discrétion, le client pourra toutefois opter pour un débit bridé au-delà de l’enveloppe data afin d’éviter toute facturation supplémentaire.

Bouygues Telecom a pu accélérer le déploiement grâce à l’utilisation de la bande des 1800 MHz, une bande initialement allouée à la 2G (GSM et EDGE). Mais l’Arcep a autorisé l’opérateur à procéder à un refarming (reversement) de la 2G vers la 4G sur cette bande.

L’opérateur a visiblement mis les bouchées doubles durant l’été et entend bien convaincre les français avec ses offres 4G. Dans cette optique, il donne la possibilité à tout un chacun de découvrir son réseau 4G LTE grâce une offre d’essai gratuite et sans engagement d’un mois (il suffira de résilier sans aucun frais le forfait souscrit pour mettre fin à l’essai).

Pour en bénéficier, il suffit de se rendre dans une boutique Club Bouygues Telecom entre le 1er octobre et le 17 novembre 2013 pour y souscrire un Forfait Sensation 4G en version éco (c.-à-d. sans mobile).

Une idée bien sentie de la part de Bouygues Telecom qui mise sur la frustration fréquente des utilisateurs de mobiles, la 3G étant arrivée à saturation en zones urbaines. Le gain de vitesse et la latence réduite de la 4G LTE offrent un tel confort que de nombreux clients ferrés avec cette offre pourraient ne pas faire machine arrière.

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Il y a un mois, Bouygues Telecom renouvelait sa gamme de forfaits mobiles et introduisait une offre avec 8 Go de data. Au gré de son nouveau forfait baptisé « Sensation », l’opérateur surenchérit avec 16 Go de data, une manière à peine dissimulée d’annoncer le débit offert par son réseau 4G et les modes de consommation de vidéos et autres contenus qui, mécaniquement, vont augmenter exponentiellement.

Pour le décrire, Bouygues parle de forfait « Ultra-premium ». En plus d’une enveloppe données de 16 Go, la plus importante proposée à ce jour en France, l’abonnement intègre aussi les appels, SMS et MMS illimités, les communications vers 121 destinations, le cloud illimité ainsi qu’un forfait de 100 Mo d’Internet en itinérance depuis l’Europe et les départements d’outre-mer.

Les prérogatives des abonnés à Sensation englobent également le renouvellement du smartphone tous les 12 mois à un tarif préférentiel.

Pour bénéficier de Sensation, il faudra toutefois consentir à débourser 59.99€ (sans mobile) ou bien 69.99€ avec mobile subventionné compatible 4G, cette dernière étant adossée à un engagement de deux ans.

Si ces deux forfaits s’adressent aux gros consommateurs de data, le réseau 4G de Bouygues Telecom est également accessible via d’autres forfaits moins onéreux avec un premier tarif de 29.99€ sans engagement et 3 Go de données.

Bouygues Telecom entend bien rentabiliser au plus vite ses investissements.

Pour y parvenir, l’opérateur a notamment signé un accord avec Virgin Mobile le 18 septembre 2013. La société de Richard Branson pourra ainsi utiliser les réseaux de Bouygues Telecom afin de proposer des offres 4G dès le premier semestre 2014.

Un véritable succès pour Bouygues Telecom puisque Virgin Mobile, premier MVNO en France avec 1.7 millions d’abonnés en 2012, avait jusqu’à présent recours aux réseaux mobiles de SFR et Orange.

Orange

Orange a également profité de la rentrée pour annoncer l’extension de son réseau 4G à 10 nouvelles agglomérations tandis que 16 autres le sont depuis la fin septembre 2013. La couverture 4G d’Orange englobe actuellement 54 agglomérations, soit 390 communes. Fin décembre 2013, 37 autres agglomérations seront couvertes par la 4G d’Orange.

Au gré de ce déploiement, la couverture 4G d’Orange couvrira ainsi 40% de la population française dès la fin 2013 (c’est 10 points de plus que ce qui était prévu).

Orange, par la voix de son PDG Stéphane Richard, précise qu’il est actuellement le seul à offrir des débits pouvant atteindre 150 Mb/s. Pour y parvenir, les stations de base sont reliées entre elles par de la fibre optique assurant le très haut débit de bout en bout.

Symbole parmi les symboles, Paris est depuis début septembre 2013 couvert entièrement (l’ensemble de ses arrondissements) par le réseau 4G de l’opérateur. Une prise de la Bastille qui témoigne de la volonté farouche d’Orange d’être en pole position, une zone urbaine aussi dense que Paris étant particulièrement complexe à couvrir intégralement.

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Côté forfait, l’opérateur historique ne propose pas, à proprement parler, de forfaits 4G. La 4G s’ajoute aux forfaits Origami Play existants (avec 2 Go ou 4 Go) moyennant la modique somme supplémentaire de 1€, soit respectivement 30.99€ et 40.99€. Empressons-nous d’ajouter que ces tarifs sont limités dans le temps : à compter des 9 octobre (pour le forfait 2Go) et 20 novembre (pour le forfait avec 4 Go), il faudra ajouter, non plus 1€, mais respectivement 10€ et 15€ pour bénéficier de la 4G. Les offres Origami Play avec 4G seront alors proposées à 39.99€ et 54.99€.

Avec mobile subventionné et engagement de 12 mois, les tarifs passent respectivement à 46.99€ et 56.99€. Si on opte pour un engagement de 24 mois, ces offres baissent de 6€. Ces tarifs restent limités dans le temps aux dates citées ci-dessus. Passés celles-ci, ils seront alors à 55.99€ et 75.99€ respectivement pour les offres avec 2 et 4 Go. Avec un engagement de 24 mois, il faudra toujours en revanche retrancher la somme de 6€ (soit 49.99€ et 69.99€).

Pour bénéficier de 6 Go de données, il faudra plutôt se tourner vers le forfait Origami Jet à 59.99€/mois sans mobile ou à 85.99€/mois avec mobile subventionné.

SFR

SFR n’est pas en reste dans cette course à l’échalote et a annoncé récemment des changements relatifs à ses offres 4G remodelées pour l’occasion.

Si sa couverture 4G s’étend à une dizaine de villes actuellement, elle devrait englober 55 agglomérations d’ici la fin 2013.

Toujours basées autour des Formules Carrées, elles s’enrichissent de nouveaux contenus pour proposer la 4G à partir de 30.99€.

A partir de ce tarif, 4 Formules Carrées 4G sont déclinées

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Les Formules Carrées 4G avec 3 Go et 5 Go de données sont adossées aux services GOLD. Le tarif est à 30.99€/mois avec 3 Go de données. Il passe à 40.99€/mois avec 5 Go et s’enrichit des appels illimités vers les fixes à l’international. Ces offres sont proposées sans mobiles avec un engagement de 12 mois. Il faut leur ajouter 12€ pour ne plus avoir à s’engager sur une quelconque durée.

Mais l’opérateur au carré rouge propose également les offres Formules Carrées International 7 Go et 9 Go (formule Premium pour cette dernière) proposées aux tarifs respectifs de 69.99€/mois et 119.99€/mois (sans mobile avec engagement de 12 mois). Les offres montent respectivement à 89.99€ et 139.99€ sans engagement.

La Formule Carrée 7 Go est agrémentée des appels illimités vers les fixes et mobiles à l’international et de 2 heures d’appels plus 100 Mo de données depuis l’étranger. Pour la déclinaison Premium (avec 9 Go), depuis l’étranger, les appels gratuits passent à 6 heures et les données à 1 Go en plus des SMS. Ces offres sont adossées aux services PLATINE de SFR.

Toutes ces offres ont bien évidemment en commun les appels illimités vers tous les opérateurs et les fixes ainsi que les SMS et MMS illimités. On notera qu’en cas de dépassement de l’enveloppe data, le débit est réduit de manière conséquente (i.e. à 128 ko/s).

Au rayon des nouveautés, SFR propose le « Multisurf » qui permet de disposer gratuitement de 3 cartes SIM supplémentaires au gré des Formules Carrées à partir de 5 Go. SFR tv ainsi que le stockage dans les nuages via SFR cloud sont aussi proposées aux clients des Formules Carrées 4G.

SFR ajoute les Extras à ses Formules Carrées 4G. Au nombre de 5, ces Extras sont proposés en illimité. Il y a Napster pour le streaming musical, iCoyote pour l’infotrafic, SFR Presse (choix de 5 titres parmi un catalogue de 200 titres), Gameloft (l’éditeur propose plus de 80 jeux en téléchargement) et Canal Play pour de la VOD.

Les 4 Formules Carrées donnent d’emblée droit à un de ces Extras gratuitement qu’il sera possible de changer chaque mois.

Concernant l’offre 4G, Free Mobile est toujours aux abonnés absents même si, depuis le 1er août 2013, il est autorisé par l’ARCEP à disposer de sa licence 4G.

Conclusion

On le voit, les opérateurs consentent à des ristournes afin d’accélérer le basculement des abonnés vers les offres 4G. Des promesses de couverture et de débits mais aussi des partenariats noués avec différents services pour démontrer l’intérêt d’un forfait mobile à très haut-débit.

Reste à voir si les promesses de débit (et de faible latence) seront à la hauteur des annonces.

Précisons également qu’il faudra bien veiller à disposer d’un smartphone de dernière génération compatible avec la 4G LTE, l’idéal étant qu’il soit compatible avec les bandes des 800 MHz et 2.6 GHz. Les choses se compliquent quelque peu puisque les bandes des 1.8 GHz (visée par le refarming) et 700 MHz (bande initialement allouée à la TNT mais visée par Free Mobile) sont ou seront également utilisées pour la 4G LTE. La catégorie LTE avec laquelle le mobile est compatible est également essentielle : pour bénéficier de débits maximals descendant de 150 Mb/s (soit 18.75 Mo/s) et montant de 50 Mb/s (soit 6.25 Mo/s), il faut qu’il soit mentionné « catégorie 4″ (avec un terminal mobile LTE dit de catégorie 3, ces débits plafonnent respectivement à 100 Mb/s (soit 12.5 Mo/s) et 50 Mb/s).

Un dossier rapporté par notre superviseur Jarryel sur un nouveau processeur Octo-core prenant en charge la 4G LTE : Mediatek MT6595 : de l’octo-core avec de la 4G LTE : http://tablette-chinoise.net/mediatek-mt6595-de-l-octo-core-avec-de-la-4g-lte-t3580

 

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