Dossier : tout savoir sur la 4G LTE

Smartphone

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Update 03/10/2013 : 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.

Sommaire du dossier :