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. Mais, dans cette course effrénée vers la performance, la technologie derrière cette 4G, la LTE, devrait rapidement atteindre ses limites. La consommation de données explose et le combat de la couverture ne devrait pas suffire à ce que chacun se démarque. Essayons de comprendre en quoi la LTE-Advanced évoquée par les opérateurs devrait changer les choses au cours des années à venir.

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

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 %… ! 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…

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.

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…