Les publicités commencent à apparaître chez les opérateurs pour promouvoir la téléphonie de 4ème génération (4G ou LTE). Les fabricants de téléphones mobiles ne sont pas en reste puisque tous les téléphones haut de gamme arborent désormais fièrement un logo « 4G ». Ce billet est l’occasion de faire le point sur cette technologie de téléphonie mobile en l’abordant sous l’aspect des fréquences radios.

L’explosion du trafic des données en mobilité

Le 2ème Génération (2G) de téléphonie mobile (GSM) fournit principalement des services d’appels téléphoniques et de transmission de SMS, l’utilisation des données y étant très limitée (GPRS et EDGE). C’est l’une des raisons pour laquelle la 3ème génération (3G) de téléphonie mobile (UMTS) a été introduite afin de proposer des transmissions de données suffisamment rapides pour permettre l’accès Internet, écouter de la musique ou même regarder des vidéos en ligne. Cependant malgré les récentes évolutions de la 3G (HSPA, et HSPA+), la technologie actuelle se révélera incapable de supporter les challenges des prochaines années : croissance exponentielle du trafic, croissance du nombre d’utilisateurs, besoin de diminution du temps de réponse, etc.
Le schéma ci-dessous établit par CISCO présente les prévisions de croissance mondiale du volume de données transportées par les réseaux mobiles dans les prochaines années exprimé en Exabytes/mois (1 Exabyte (EB) = 1 Exaoctet = 1018 octets = 1 milliard de Go). Durant la période de 2012 à 2017, la croissance prévue est de 67% par an.

Ainsi les prévisions pour 2017 sont de 11,2 Milliards de Go / mois ce qui, rapportées à une base de 5 milliards d’utilisateurs actifs sur Internet mobile donnera une consommation moyenne d’un peu plus de 2Go/mois/utilisateur.

Du LTE (Long Term Evolution) à la 4G

Le LTE a été envisagé dès novembre 2004 comme l’évolution long terme de l’UMTS (d’où son nom de Long Term Evolution) afin d’accroître les débits de données et l’efficacité du spectre de fréquences radioélectriques.
Le LTE vise une efficacité en matière de spectre de fréquence d’environ 3 à 4 fois supérieure à l’UMTS HSPA (High Speed Packet Access), pour un coût de réseau relativement bas, c’est-à-dire un faible coût par bit transféré.
Contrairement au H+(HSPA+) qui vient d’être ajouté récemment au 3G pour atteindre des débits jusqu’à 42 Mbits/s, la mise en place du LTE implique une évolution importante des infrastructures des opérateurs de téléphonie mobile, ainsi que la création de nouveaux terminaux mobiles.
Du fait du saut technologique qu’il représente par rapport au HSPA, le LTE est considéré comme une étape importante de l’évolution des réseaux d’accès mobiles. Le marketing aidant, le LTE a pris le nom de quatrième génération (4G) de téléphonie mobile.

Principales caractéristiques du LTE

Le LTE présente de multiples qualités, en particulier des débits élevés entre la station de base (antenne) et les terminaux : jusqu’à 300 Mbit/s en voix descendante et 75Mbit/s en voix montante.
Cela augmente donc la capacité de transmission totale de l’antenne ce qui permet d’accueillir davantage d’utilisateurs ou de fournir des débits plus élevés au même nombre d’utilisateurs.
En outre, la réduction de l’intervalle de transmission des données (latence) devrait améliorer considérablement la réactivité du réseau et favoriser le développement d’applications mobiles interactives avec des débits élevés.
Le LTE permet de s’adapter à des largeurs de bandes de fréquences de 1,4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz et 20 MHz. La 3G(UMTS) était prévue pour utiliser uniquement 5Mhz de spectre, même si les évolutions récentes comme le DC-HSPA (Dual Carrier) permettent de combiner 2 bandes de 5Mhz pour améliorer le débit.
L’utilisation du LTE devrait être possible en mobilité jusqu’à 500 km/h, bien que techniquement il soit optimisé pour un déplacement jusqu’à 15 km/h
Les bandes de fréquences hertziennes prévues par le LTE sont très nombreuses (plus de 20) et s’étalent de 600 MHz à 3,8 GHz.

La 4G signe-t-elle la mort de le 3G ou de la 2G ?

La 4G est un nouveau standard, mais la 3G n’est pas morte pour autant comme le démontre les récentes évolutions HSPA+ qui permettent d’atteindre des débits de 42 Mb/s. Le 3GPP a d’ailleurs défini d’autres évolutions de la 3G permettant de monter à 84 Mb/s (Release 9), 168 Mb/s (Release 10) et même 366Mb/s (Release 11). Certaines de ces évolutions seront probablement déployées dans les prochaines années.


Il n’en reste pas moins que le 4G est l’évolution qui à terme prendra le dessus car son architecture est plus adaptée aux besoins à venir. On considère qu’il s’écoule environ 20 ans entre le lancement commercial d’une technologie radio et l’arrivée à son pic d’utilisation. Pour la 2G, le pic d’utilisateurs a été atteint vers 2008, et cette technologie est actuellement en perte de vitesse. Pour la 3G la prévision de pics d’utilisateurs est prévue vers 2020, et celle de la 4G vers 2028.


Le réseau 3G n’est donc pas prêt de disparaître. Il sera d’ailleurs d’un grand secours pour les utilisateurs du réseau 4G dans les zones où la couverture de ce dernier sera insatisfaisante.
Le réseau 2G est pour sa part en perte de vitesse, son pic d’utilisateurs ayant été atteint en 2008, il y a fort à parier que certaines bandes de fréquences utilisées par la 2G soient progressivement récupérées par la 4G.

Les fréquences de la 4G en France

Pour pouvoir déployer la 4G, il faut avoir l’autorisation d’émettre dans une bande de fréquence radio la plus large possible. La 4G s’adapte à des bandes de fréquences de diverses largeurs : de 1,4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz et 20 MHz mais ce n’est qu’avec une bande de 20Mhz que nous aurons les débits les plus élevés. Par exemple, sur une largeur de bande de fréquence de 5Mhz, la 4G n’est en fait pas plus rapide que la 3G/HSPA+.

Le schéma ci-dessous présente les fréquences utilisées en 2G, 3G et 4G.

Fréquences

  • SFR : 15 MHz duplex de la bande 2,6 GHz pour 150 millions d’euros, sans obligation d’accueillir des MVNO, plus 10 MHz duplex de la bande 800 MHz pour 1,065 milliard d’euros, avec obligation d’accueillir des MVNO. Total dépensé : 1,215 milliard d’euros
  • Orange : 20 MHz duplex de la bande 2,6 GHz pour 287 millions d’euros, avec obligation d’accueillir des MVNO, plus 10 MHz duplex de la bande 800 MHz pour 891 millions d’euros, avec obligation d’accueillir des MVNO. Total dépensé : 1,178 milliard d’euros
  • Bouygues Télécom : 15 MHz duplex de la bande 2,6 GHz pour 228 millions d’euros, avec obligation d’accueillir des MVNO, plus 10 MHz duplex de la bande 800 MHz pour 683 millions d’euros, avec obligation d’accueillir des MVNO. Total dépensé : 911 millions d’euros
  • Free Mobile : 20 MHz duplex de la bande 2,6 GHz pour 271 millions d’euros, avec obligation d’accueillir des MVNO, plus un futur accord d’itinérance dans la bande 800 MHz avec SFR. Total dépensé : 271 millions d’euros
  • Suite à la demande de Bouygues Telecom, l’ARCEP devrait donner fin mars 2013 son feu vert pour permettre à Bouygues Telecom de réutiliser en 4G une partie des bandes de fréquence de 1800 Mhz actuellement utilisée en 2G. En contrepartie Bouygues Telecom devrait payer une redevance relativement élevée. Les autres opérateurs pourront eux aussi utiliser le 1800Mhz à partir de 2016, ou avant s’ils en font la demande auprès de l’ARCEP.
  • Chaque opérateur décidant d’utiliser le 1800Mhz pour la 4G, devrait, sous des conditions non encore définies à ce jour, donner la possibilité à Free de récupérer 5Mhz dans cette bande.
  • Free dispose aussi d’un droit d’itinérance chez SFR pour les zones appelées les zones de déploiement prioritaire (zones peu peuplées qui représentent 65% du territoire et 15% de la population)
  • Free détient aussi 15 MHz dans la bande de 3500 Mhz pour son réseau WiMax. C’est la seule licence nationale et l’ensemble ou une partie de cette bande pourra éventuellement être utilisée à partir de 2016 pour faire de la 4G, sous réserve que des terminaux soient disponibles pour cette bande de fréquence.

Les fréquences en France par rapport au Monde

La technologie 4G peut fonctionner avec de nombreuses bandes de fréquences hertziennes s’étalant de 600 MHz à 3,8 GHz. Bien entendu l’ensemble des bandes ne sont pas disponibles pour cet usage, et malgré les harmonisations internationales il persiste d’importantes disparités dans les bandes de fréquences utilisées pour la 4G suivant les pays. Le tableau ci-dessous reprend les bandes de fréquences utilisées dans les diverses zones géographiques.

On remarquera donc que les bandes de fréquences utilisées en France (2100Mhz+800Mhz+1600Mhz) ne correspondent pas à celles utilisées dans d’autres pays comme par exemple les Etats-Unis qui utilisent le 700Mhz+2100Mhz. Compte-tenu de ces divergences, les constructeurs de téléphones ont été amenés à commercialiser des versions spécifiques de téléphones 4G spécifiquement adaptées à une zone géographique. Il faudra donc être vigilant lors de l’achat à l’étranger de terminaux estampillés 4G (téléphone, tablette, modem,…) et vérifier dans la notice qu’ils sont bien prévus pour fonctionner avec les bandes de fréquences disponibles en France. Par exemple l’iPhone 5 est un téléphone 4G mais il ne peut pas utiliser les fréquences 2600Mhz et 800Mhz de la 4G française, son fonctionnement sera donc limité à la 3G sur notre territoire.
Ce problème devrait cependant être réglé dans les années à venir. En effet Qualcomm, un des principaux fabricants des puces électroniques pour téléphones, va prochainement proposer avec sa puce RF360, une compatibilité avec l’ensemble des fréquences et normes 4G à travers le monde.

Des bandes de fréquences pas toute égales

On sait d’expérience (grâce à votre voisin qui met sa musique trop fort) que les basses fréquences (sons graves) se propagent loin, à travers les murs, alors que les hautes fréquences (sons aigus) se propagent bien moins loin et sont affaiblis par la traversée des murs.
Il en est de même pour les ondes radioélectriques utilisées en téléphonie mobile : les basses fréquences de la bande des 800 MHz ont une propagation radioélectrique bien meilleure que les plus hautes fréquences (2600Mhz). Cela rend la bande de 800Mhz bien adaptée à la réalisation d’une couverture étendue et une pénétration dans les bâtiments. Le tableau ci-dessous indique les portées typiques utilisées pour les antennes en fonction de la fréquence et du type de zone géographique.

( source PA Consulting)

On constate donc que la portée étant bien plus faible en 2600 Mhz il faudra mettre beaucoup plus d’antennes pour couvrir la même surface qu’en 800Mhz. Cependant en zone urbaine, la densité de population étant forte, il est nécessaire d’avoir de nombreuses antennes pour pouvoir accueillir l’ensemble des utilisateurs, et dans ce cas le 2600 Mhz est bien adapté.
La bande 800 Mhz pénètre aussi beaucoup mieux dans les bâtiments que la bande 2600Mhz, c’est pourquoi en ville, les opérateurs sont souvent amenés à compléter le 2600Mhz par du 800 Mhz pour améliorer la couverture à l’intérieur des bâtiments.
Le tableau ci-dessous représente l’affaiblissement moyen du signal radio dans un bâtiment suivant deux zones : peu profond (à proximité d’une fenêtre, sans cloison additionnelle), profond (éloigné d’une fenêtre avec éventuellement des cloisons additionnelles à franchir en plus du mur du bâtiment).

gold_bullion

Grâce à leur grande portée et leur pénétration à l’intérieur des bâtiments, les fréquences de la bande des 800Mhz ont été nommées « fréquences en Or ». Elles permettent de déployer un réseau 4G, notamment en zone rurale, en minimisant le nombre d’antennes à poser.
Cependant aussi précieuses qu’elles soient, elles restent délicates à mettre en œuvre. En effet cette bande de 800Mhz a été récupérée de la télévision analogique lors du passage à la TNT. La TNT s’est quant à elle installée dans la bande des 700Mhz. De ce fait on trouve encore des amplificateurs prévus pour la TV analogique qui sont utilisés directement pour la TNT ou encore des amplificateurs d’antennes TNT qui débordent un peu et ont tendance à amplifier aussi la bande des 800Mhz. Cette amplification des signaux de la téléphonie mobile  par les amplificateurs TNT, risque au final de perturber la réception de la TNT.
Une première expérimentation a été faite à Laval et les conclusions se sont révélées décevantes :

  • Le nombre de perturbations de la réception TNT est plus important que prévu
  • Chacun des blocs de fréquence de la LTE(Bouygues, SFR, Orange) perturbe à un niveau comparable la réception de la TNT, alors qu’on pensait initialement qu’il n’y aurait que le bloc le plus proche des 700Mhz qui introduirait des perturbations
  • Il n’a pas été possible durant cette expérimentation de venir à bout des interférences générées sur la TNT, malgré les filtres mis en place

D’autres expérimentations ont commencé sur cette bande des 800Mhz, dont les résultats devraient être connus sous peu. SFR qui mène actuellement des tests à Lyon, estime qu’il contournera ces interférences et pourra être rapidement opérationnel sur cette bande de fréquence.
SFR, Bouygues Télécom et Orange se sont aussi accordés pour mener un test en 4G 800Mhz dans l’agglomération stéphanoise à partir de mars 2013.

Ces fréquences dites en Or avaient été achetées à prix d’Or par les opérateurs, mais la facture pourrait s’alourdir encore, puisque ce sont les opérateurs qui ont en charge la mise en place des dispositifs adéquats (filtre, etc.) pour ne pas perturber la réception de la TNT.
Free n’est pas impacté par ce problème d’interférence de fréquences puisqu’il ne dispose pas de fréquences dans cette bande. Il utilisera pour couvrir les zones rurales (Zone de déploiement prioritaire) une itinérance que doit lui fournir SFR, sauf si Orange ou Bouygues Telecom lui font une offre commerciale plus attrayante…

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19 commentaires

  1. dparmen1 dit :

    Voila un article qu’il est bien documenté 😉
    Bravo et merci.

  2. Med-ium dit :

    Bonjour,

    Article très bien fait. Bravo, une belle mise à jour pour moi.

    Cependant, en tant qu’utilisateur lamda, je m’en fiche de leur 4G marketing. Les 3 voleurs essaient de rebondir suite à la venue de Free. Ils sont intérêt à ne pas faire semblant car ils sont bien fichés chez le consommateur non-pigeon.

    • JM dit :

      Marketing ou pas, la problématique toute proche est l’explosion de la consommation de data en mobilité. Les infrastructures 3G actuelles ne sont pas suffisantes, il faudrait densifier fortement le réseau dans les villes. Donc à installer de nouvelles antennes, autant le faire en profitant pour déployer une nouvelle technologie (4G) qui de part son architecture permet de diminuer assez fortement le coût pour l’opérateur de chaque octets transporté.

      • Med-ium dit :

        Vous avez raison du point de vue technique.
        Maintenant, rien ne garantit que sous pretexte de 4G, leurs offres intégrent des performances dont (seuls) les cadres parisiens auraient besoin.
        Personnellement étant cadre (non parisien! personne n’est parfait;) ) j’utilise le Wifi pour rester “connected” au cas où.

        • JM dit :

          Hormis la possibilité d’obtenir une densification du réseau, la 4G offre quelques avantages dont notamment le temps de latence qui permettra de développer une nouvelle générations d’applications interactives.
          Mais comme le montre le schéma de l’article, le temps d’adoption d’une nouvelle technologie est quand même long ….jusqu’à présent près de 20 ans pour atteindre le pic d’utilisateurs. Même si en 4G cela est un peu plus rapide, ca restera de l’ordre d’une quinzaine d’années.
          La 4G présente aussi l’avantage de mieux intégrer dans une approche unifiée des communications de type Macrocellule, Wifi, Femtocell, picocell,… ….dans quelques années ( 5 ans environ) ca sera surement un point fort qui incitera certains utilisateurs a passer du 3 au 4G.

  3. BOKA dit :

    très bon comme article juste une question quelle est le modèle de propagation pour 3G LE PLUS ADEQUAT SUR UNE BANDE 900 ET 2100?

    • JM dit :

      Le 900Mhz a un portée plus longue, et pénètre plus profondément dans les bâtiments, contrairement au 2100Mhz.
      Donc en 3G le 2100Mhz sera utilisée de préférence en ville, là ou il faut une certaine densité d’antennes, il sera complété par du 900Mhz pour faciliter la réception à l’intérieur de certains bâtiments. C’est le téléphone qui choisit le signal le plus approprié en fonction de son niveau.
      Le 900Mhz sera en général la seule fréquence utilisée pour les zones rurales (faible densité) pour bénéficier de sa longue portée et donc diminuer le nombre d’antennes à déployer.
      En reprenant par exemple les chiffres des tableaux de l’article on a pour une antenne 900Mhz une portée de 13,1 km en zone rurale et 9,4km pour le 2100Mhz. En considérant que la cellule (en générale 3 antennes à 120°) couvre une zone circulaire, cela donne environ 538Km2 pour le 900Mhz et 277 Km2 pour le 2100Mhz.

      • BOKA dit :

        merci beaucoup pour ces informations mais juste une question le modele Walfisch-Ikegami est conseillé pour cette bande de frequence 900 et 2100 MHZ ?

        • JM dit :

          Le modèle Walfisch-Ikegami est adapté pour des fréquences de 800Mhz à 2000 Mhz. Théoriquement à 2100Mhz on est en dehors du modèle

  4. Hormis la possibilité d’obtenir une densification du réseau, la 4G offre quelques avantages dont notamment le temps de latence qui permettra de développer une nouvelle générations d’applications interactives.
    Mais comme le montre le schéma de l’article, le temps d’adoption d’une nouvelle technologie est quand même long ‘.jusqu’à présent près de 20 ans pour atteindre le pic d’utilisateurs. Même si en 4G cela est un peu plus rapide, ca restera de l’ordre d’une quinzaine d’années.
    La 4G présente aussi l’avantage de mieux intégrer dans une approche unifiée des communications de type Macrocellule, Wifi, Femtocell, picocell,’ ‘.dans quelques années ( 5 ans environ) ca sera surement un point fort qui incitera certains utilisateurs a passer du 3 au 4G.

    • JM dit :

      Entièrement d’accord sur ces points.

      Le besoin en trafic des futures années, va probablement accélérer le passage à la 4G, la 3G se révélant pas capable d’être suffisamment “scalable”.

      Ainsi pour une augmentation du 1000 de volume transporté on considère que :
      – un facteur de 3 sera apporté sur l’augmentation des fréquences disponibles
      – un facteur de 6 sera amené par l’amélioration de l’utilisation des fréquences
      – un facteur de 56 sera amené par la densification du réseau (femto, pico, macro,..)

      Les technologies 3G n’ont pas été conçues pour pouvoir supporter “pleinement” ces axes permettant d’augmenter le volume transporté. D’où la nécessité de passer à la 4G rapidement.

  5. Lilmanio dit :

    Excellent article. Bravo.

  6. Poupoumastah dit :

    Très bon article qui explique tout en détail. J’étais venu chercher des informations, je les ai trouvées 🙂

  7. jeunmec dit :

    Voila un article qui m’a évité l’achat d’un téléphone 4G non compatible dans ma région.
    ça fait du bien de retrouver des informations aussi utiles que celles la. Bravo!

  8. montre Nixon dit :

    j’ai atteri tombé par hasard post génial, je partage sur Google +

  9. MIHRAS dit :

    EST CE QUE LES MODEM 3G+ SUPPORTENT LES SIMS 4G

  10. claire mayol dit :

    Super un article très bien documenté !!

  11. dj toulouse dit :

    Un superbe article que je viens de découvrir via un lien publié sur uniersfreebox. Je voudrais savoir si la répartition des fréquences a été mise à jour? je crois qu’en 2015 ou 2016 il y a eu des changements notamment du côté de free ?

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