Les systèmes de téléphonie mobile sont classés en "génération"

Les systèmes de téléphonie mobile sont classés en « génération ». La première génération a été réalisée en analogique pour des applications vocales, alors que les 2 et 3G sont de type numérique, pour des applications voix et données. Et la 4G est annoncée !

1 - GSM

Le système européen GSM (Global System for Mobile communications), développé par l’ETSI, appartient à la seconde génération de téléphonie mobile (1985). L’itinérance permet à tout abonné mobile de transmettre ou de recevoir des appels comme s’il se trouvait dans son site d’origine. Le terminal mobile est identifié par une carte interne (la carte SIM, Subscriber Identity Module), ce qui lui permet de recevoir ou de lancer des appels sous un même numéro, en France ou à l’étranger. Le réseau des émetteurs commute les demandes, effectue les transferts vers le RTPC ou le RNIS et mémorise les messages vocaux ou de données (SMS, Short Message Service) qui sont transmis à 9,6 kbit/s en commutation de circuits.

La technologie UMA (Unlicenced mobile Access), qui est entrée maintenant dans l’ensemble normatif du 3GPP, permet d’entrer dans un réseau sans posséder de licence d’exploitation. Elle fait coexister, par exemple, sur un même terminal, les accès aux réseaux GSM et Wi-Fi tout en offrant des protocoles conformes à Bluetooth.

La technologie GSM-R (Global System for Mobiles - Railways) est un sous-système de l’ERTMS (European Railways Train Control System, ou Système européen de surveillance du trafic ferroviaire). Cette technologie utilisée pour la transmission des données entre les trains et les postes de régulation permet de réguler le mouvement des trains et se substitue à l’ancienne signalisation latérale. Mis au point en 1996, le GSM-R devrait être opérationnel dans tout le Royaume-Uni en 2013. En 2008, Huawei commercialise un GSM-R associé aux grandes vitesses ferroviaires (430 km/h) avec un très haut niveau de sécurité et de stabilité. Huawei propose un double plan de contrôle, un ensemble de ressources, un système de secours de type N+1, le « dual-homing MSC", la double couverture, la redondance des antennes et l’optimisation du réseau en anneau, afin de garantir la fiabilité des cœurs de réseaux et de doubler la couverture des réseaux d’accès. Enfin, Huawei fournit des technologies avancées de restriction d’accès incluant un contrôle du trafic multi niveaux et un système d’alarme automatique qui optimise la sécurité des réseaux GSM-R. La solution GSM-R de Huawei utilise la technologie AFC (Automatic Frequency Correction) afin de détecter et de compenser la fréquence Doppler grâce des algorithmes de transfert rapide. Cette technologie est en tout point conforme aux normes EIRENE qui permettent d’interconnecter des systèmes de signalisation.

2 - DECT

Le système de téléphonie numérique cellulaire DECT (Digital Enhanced Cordless Telephone), normalisé par l’ETSI et l’UIT, fonctionne dans la gamme des 1,9 GHz sur quelques centaines de mètres. Il a surtout été utilisé pour les usages vocaux dans le périmètre des entreprises et en liaison avec leurs PBX. Il repose sur un mécanisme d’accès TDD/FDD, avec débit et délai de transmission garantis. Les bornes DECT, selon l’ETSI, sont accessibles en ADSL et en IEEE802.11. La reprise des normes du DECT pourrait lui donner un nouvel élan. D’autre part, VoIP sur les IPBX peut être géré en Ethernet, grâce aux points d’accès qui convertissent le DECT en VoIP en assurant la synchronisation (DECT over IP).

3 - GPRS

Le GPRS (General Packet Radio Service) est une technique radioélectrique de transmission de données par paquets de génération 2,5. Les données sont transmises sur plusieurs circuits à la fois en mode paquet, ce qui permet d’atteindre des débits de l’ordre de 40 à 115 kbit/s (ou, en fixe, 171 kbit/s). Le GPRS peut être associé aux réseaux domestiques (PAN), tels que Bluetooth, pour l’envoi d’image couleur sur assistant numérique. Les réseaux GPRS sont ouverts depuis 2003 et permettent la messagerie multimédia.

4 - EDGE

EDGE (Enhanced Data rate for Gsm Evolution) est une technique intermédiaire (2,5 G) entre le GPRS et l’UMTS. Il facilite la migration des réseaux, tout en économisant les ressources fréquentielles. Il utilise le mode paquet et le mode circuit. Dans la même gamme de fréquence en technique d’accès multiple à répartition dans le temps (AMRT), EDGE peut fournir entre 384 à 473,6 kbit/s au meilleur coût (60 kbit/s par intervalle de temps, soit trois fois plus qu’en GPRS). La modulation de phase 8-PSK et neuf schémas de codage (MCS-1 à 9) sont possibles. Une dizaine d’exploitants a introduit ce système en Europe dès 2003, les investissements étant beaucoup moins importants que ceux de l’UMTS. La 7ème version de la norme EDGE, appelée « Evolved Edge", (Edge évoluée), définit une efficacité spectrale meilleure, et offre des débits de canal proches de ceux du HSDPA, soit 1,3 Mbit/s théoriques (à comparer aux 384 kbit/s de la version actuelle).

5 - UMTS

L’UMTS (Universal Mobile Telecommunications Service) appartient à la 3ème génération de téléphonie mobile européenne (IMT-2000) qui s’inscrit dans un contexte mondial d’interopérabilité. L’interfaçage entre les normes peut s’effectuer soit par des fonctionnalités incluses dans les terminaux, soit par des passerelles entre réseaux (ISHO, Inter System Hand Over). Les choix de modulation retenus sont différents selon les pays, l’Europe utilisant la norme W-CDMA, l’Amérique du Nord le Cdma2000 et la Chine le TD-SCDMA. Ces normes, intégrées par le 3GPP (Third Generation Partnership Project) et le 3GPP2, visent à l’amélioration de la qualité vocale et à l’augmentation du débit de transfert de données (de 384 kbit/s à 2 Mbit/s, selon la vitesse de déplacement), tout en économisant les ressources fréquentielles. En génération 3G, les données peuvent utiliser les canaux dédiés à la parole s’ils sont libres. Comme en GPRS, l’UMTS offre une connexion permanente au réseau. L’ouverture des réseaux locaux par radio (WLAN) et la création de terminaux compatibles GSM/GPRS stimulent le marché grâce à l’image photographique numérique et de la vidéo à bas débit.

	2G et 2,5G	Transition			3G
Europe	GSM vers GPRS	EDGE			W-CDMA
Etats-Unis	TDMA et GSM vers GPRS	EDGE			W-CDMA
Japon	PDC				W-CDMA
Etats-Unis, Japon, Corée	CDMA vers Cdma2000				W- Cdma2000 et IX EV DO
Corée	CDMA				W-CDMA
Chine	GSM	EDGE			W-CDMA
Chine		GPRS			TD SCDMA
Chine	CDMA	Cdma2000			IX EV DO

Evolution des générations de réseaux mobiles

Pour augmenter les débits, les réseaux UMTS, CDMA 1x et les réseaux CDMA de 2nde et 3ème générations ont le choix entre deux types de modulation dans l’exploitation en mode duplex des canaux à 1,25 MHz. Le premier (le mode FDD, Frequency Division Duplexing) utilise en W-CDMA des canaux montants et descendants de fréquences appairées. Le second (le mode TDD, Time Division Multiplexing) utilise en TD-CDMA, les mêmes bandes de fréquences montantes et descendantes. L’existence des deux techniques permet à tous les exploitants d’ouvrir des services jusqu’à 2 Mbit/s quelles que soient les fréquences attribuées. Pour accroître encore les débits, ces deux techniques peuvent effectuer l’exploitation des canaux duplex en données seules (EV-DO, « data only") ou en utilisation mixte voix et données (EV-DV). EV-DO permet le transfert de paquets de données à haut débit. L’EV-DV (Evolution Data and Voice), norme complexe, englobe à la fois les capacités de la commutation de circuits vocaux et l’efficacité des données par paquet à haut débit (débits de 420 kbit/s et 1,7 Mbit/s).


Le 3GPP a inclus la fonction HSDPA qui permet d’augmenter le débit en mode paquet sur la voie descendante dans un facteur voisin de trois. Des améliorations portent ces débits en mode paquets de 3,6 à 10 ou à 14,4 Mbit/s, à la condition de pouvoir mettre à jour de façon corrélée les performances et d’accroître la taille mémoire des terminaux distribués aux abonnés. La faisabilité de ces débits doit compter avec l’encombrement du réseau et la diminution de la taille des cellules occasionnée par les pointes de trafic. Le HSDPA est bien adapté aux téléchargements de fichiers vidéo. La technologie HSUPA (High Speed Uplink Packet Access), prévue dans la 6ème édition de la norme, permet des débits descendants de l’ordre de 5,8 Mbit/s. L’ensemble de ces innovations des 5ème et 6ème éditions de la norme est en cours dans plusieurs réseaux. Le HSPA permet aux exploitants d’accroître leur revenu par des offres nouvelles de service, le SMS ne permettant qu’une augmentation de 6 % des recettes moyennes. Le HSPA stimule la demande en appels vocaux et en connexions sur la Toile, l’abonnement mensuel étant souvent inférieur à celui du DSL. De plus, le HSPA ouvre l’opportunité de la télévision mobile personnelle.

Ces performances sont acquises grâce au canal additionnel, le HS-DSCH, (pour High Speed - DownLink Shared Channel), commun à plusieurs utilisateurs. La technique 16QAM a été ajoutée à la modulation adaptative QPSK, avec des codages correcteurs d’erreurs pour chaque abonné de façon à faire varier le débit de façon dynamique en fonction de la qualité du lien radio. La version 6 de l’UMTS permet d’augmenter le débit grâce à l’amélioration du HSDPA jusqu’à 28,8 Mbit/s ainsi que le débit de la voie montante en W-CDMA, par la norme « Enhanced Uplink for FDD". Les techniques d’antennes multiples (MIMO) et d’ajustement de la puissance d’émission vers l’utilisateur (beam forming), ainsi que la technologie UMA (Unlicensed Mobile Access) qui permet la fusion des accès GSM-UMTS/Bluetooth ou GSM-UMTS/Wi-Fi, sont incluses dans les mises à jour de la norme. Bientôt, la modulation OFDM devrait être introduite, ainsi que d’autres aménagements de modulation (temps de latence inférieur à 30 ms), afin d’atteindre des débits de 50 ou 100 Mbit/s par cellule.

Qualcomm a commercialisé la seconde version de sa technologie CDMA2000 1xEV-DO à haut débit, appelée "Revision B". Les solutions MSM (Mobile Station Modem) liées à la révision B de EV-DO permettent des fonctionnalités nouvelles qui combinent en simultanéité les ressources de trois canaux à haut débit de 1,25 MHz chacun. Chacun de ces canaux permet un débit de 4,9 Mbit/s (voix et textes simultanés sur Internet, musique en transmission continue, etc.). La technologie EV-DO Rev. B est liée aux performances de la plateforme DMMX (DO Multicarrier Multilink eXtensions).

6 - Bilan mondial et national

Selon le groupe industriel 3G Americas, les technologies associées du GSM et UMTS/HSPA ont dépassé les 3,5 milliards d’abonnés dans le monde. Le GSM représente 88 % de ce parc avec 700 réseaux dans 220 pays. La technologie radio EDGE, déployée dans 291 réseaux et 141 pays permet des services de données à débits moyens. Le haut débit mobile en 3G UMTS est représenté par le HSPA (déployé dans 213 réseaux, 89 pays pour 205 millions d’utilisateurs), bientôt suivi par la technologie LTE (Long Term Evolution) et WiMAX.

La France compte 55,73 millions d’abonnés aux divers réseaux mobiles au premier trimestre 2008 (pénétration de 81,8 %), selon l’Idate. Fin 2006, Orange disposait de 42 % de part de marché, SFR de 36 % et Bouygues Telecom 16 % (MVNO et marques 6 %).

7 - Le NGMN, évolution de l’UMTS

Le NGMN (Next Generation Mobile Network) est l’acronyme du réseau de téléphonie mobile de quatrième génération, tel que défini par le 3GPP. Des améliorations peuvent être apportées à la norme UMTS d’ici à 2010 pour aboutir au NGMN. Cette nouvelle technologie exploite les capacités de transmission des fréquences UMTS actuelles, afin d’offrir des débits théoriques de l’ordre de 100 Mbit/s en OFDM pour la 3G et la 4G.



La technologie 4G devrait permettre des débits de l’ordre de 100 Mbit/s lorsque l’utilisateur est en déplacement à 60 km/h et d’un Gbit/s lorsqu’il est immobile et des services équivalents à ceux disponibles sur les ordinateurs connectés en haut débit. L’image fixe, l’image animée (vidéo) et l’accès à la Toile en haut débit devraient être au cœur de ces nouvelles applications. Le lancement commercial de la 4 G est en préparation sous au moins deux formes.

8 - Vers une double 4G ?

Les exploitants China Mobile, KPN, NTT DoCoMo, Orange, Sprint Nextel, Vodafone et l’exploitant japonais Softbank, collaborent afin de définir les modalités de la future génération 4G. Le laboratoire commun de l’innovation JIL (Joint Innovation Lab) a reçu le rôle de promouvoir le développement des technologies, des applications et des services de l’internet mobile.

En Octobre 2007, l’UIT a introduit le WiMAX (IEEE802.16) au sein des normes du 3GPP et au cœur de la famille des normes IMT-2000 de la 3G, ce qui ouvre un marché potentiel de 4 milliards d’utilisateurs. La mise en œuvre du WiMAX est un peu plus coûteuse que celle de la 3G, puisqu’une exploitation à 3,5 GHz demande plus de stations de base qu’en 3G. On estime qu’une station de base WiMAX est capable de partager entre 20 utilisateurs un débit global de 30 Mbit/s (ce qui peut être accompli par multiplexage). Théoriquement, un débit de 70 Mbit/s peut être assuré par une station dans un rayon de 50 km. En pratique, 40 Mbit/s sont atteints entre 3 et 10 km et 15 Mbit/s en mobilité sur 3 km (IEEE802.16.e). Le WiMAX peut aussi être associé à la technologie MIMO. Les sociétés Sprint et Clearwire ont fusionné leurs activités WiMAX pour former une nouvelle entreprise qui rassemblera les leaders américains des communications, de l’innovation technologique et de la diffusion de contenus (parmi eux, Intel, Google, Comcast, Time Warner Cable et Bright House Networks). Les investisseurs stratégiques figurent parmi les plus grands acteurs américains des technologies de télécommunication, des jeux de composants ainsi que de la publicité, des contenus et de la diffusion Internet. La nouvelle structure diligentera la mise en place du premier réseau WiMAX mobile à couverture nationale aux Etats-Unis (de 120 à 140 millions de personnes d’ici à la fin 2010). La Corée étudie Wibro, version dérivée du WiMAX.

La version finale (version 8) de la norme LTE (Long-Term Evolution) rédigée par le 3GPP devrait être disponible à la fin de 2008. En raison de son retard, elle se heurte aux prévisions de déploiement en technologie WiMAX. Le LTE est compatible avec la 3G, ce qui le rend moins coûteux à mettre en œuvre par rapport au WiMAX. C’est une technologie qui offre les options de duplexage en fréquence (FDD, frequency division duplex) ou dans le temps (TDD, time division duplex), à l’image des technologies CDMA, W-CDMA, et TD-SCDMA. Les débits par cellule devraient être proches de 100 ou 160 Mbit/s. L’exploitant japonais NTT DoCoMo a récemment atteint les débits de 250 Mbit/s sur la liaison descendante de son système LTE. Les essais ont été effectués à l’aide de quatre antennes MIMO (Multiple Input Multiple Output) à la station de base dans la bande de transmission des 20 MHz. Ils se prolongeront jusqu’à la phase de commercialisation prévue en 2009. En technologie LTE, les exploitants de réseau mobile utilisent les bandes de fréquences situées dans les 700 MHz, 2,6 GHz, ainsi que les bandes réattribuées pour répondre à la demande des réseaux mobiles haut débit visant à fournir des contenus médias mobiles. La bande de spectre 2,6 GHz vise à satisfaire les exploitants de réseau GSM. Des plateformes LTE, compatibles en FDD et en TDD, permettent des économies d’échelle.

Mais, le rapprochement réciproque du WiMAX vers la technologie LTE en TDD semble aussi possible. Le WiMAX Forum explore cette solution, de façon à être en mesure d’offrir des avantages aux exploitants en fonction de leurs disponibilités dans le spectre hertzien. Vodafone envisage d’intégrer le WiMAX TDD avec le LTE TDD, ce qui réduirait les coûts de réseau. WiMAX et le LTE sont proches l’un de l’autre à 80 %, la différence portant sur le logiciel. Les industriels Motorola, Nokia Siemens Networks, Alcatel-Lucent, Samsung et Nortel, travaillent sur les deux normes LTE et WiMAX. L’adaptation des stations de base GSM/UMTS vers la technologie LTE n’est pas toujours réalisable, sauf pour les équipements récents. Alcatel-Lucent et NEC présenteront des produits LTE avant la fin 2009.

Source : Stratégies Télécoms & Multimédia