LTE (réseaux mobiles)

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).

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 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.

Articles connexes

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