Evolution Technologique de La 3G Et 4G [PDF]

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Evolution technologique de la 3G et 3G+  ( Télécharger le fichier original )

par BIANDA OUANKOU Giscard et ZIE FOMEKONG Dany Stéphane Université de Picardie Jules Verne - Master 2 Systèmes d'Information et Informatique Nomade (SIIN) 2009

  

Mémoire Master 2 SIIN D511 - Etudes et Recherche Thème : Evolution technologique de la 3G et 3G+ Présenté par BIANDA OUANKOU Giscard ZIE FOMEKONG Dany Stéphane Encadré par M. Laurent JOSSE Année académique 2009/2010 Table des matières Liste des figures 3 Liste des tableaux 3 Introduction 4 I. Evolution 1G, 2G et 3G 5 1. 1G 5 1. 2G et 2G+ 5

Disponible en mode multipage

a. GSM 6 b. GPRS 8 c. EDGE 9 2. 3G, la migration nécessaire 10 II. Réseaux 3G et 3G+ 12 1. Les différentes technologies 12 a. L'UMTS 12 b. HSDPA, encore plus que la 3G 13 c. La technologie HSUPA 16 2. Utilisation générale 18 III. Aspects économiques et politiques 21 1. Déploiement commercial dans le monde 21 a. L'UMTS 22 b. HSPDA 23 2. Enjeux politiques 25 a. La normalisation 25 b. L'allocation des fréquences 26 IV. Qualité de service 28 1. Etudes de cas: La 3G et 3G+ en France 28 a. Genèse des systèmes mobiles 3G 28 b. Etat des lieux et perspectives en matière de couverture 3G 30 c. Le marché du mobile en France 32 d. Couverture 3G et 3G+ 34 e. Perspectives 37

2. Etudes de cas: la 3G en Afrique 40 a. Etat des lieux 40 b. Quelques faits marquants 45 V. Perspectives et avenir (4G) 48 1. Principales technologies 48 a. HC-SDMA (iBurst) 48 b. LTE 48 c. WIMAX 49 Conclusion 50 Bibliographie 51 1. Etudes et Rapports 51 2. Etudes et Rapports 51 3. Webographie 51 Le marché de la téléphonie mobile en France en 2009 52 Glossaire 53 ANNEXES 55 Liste des figures Figure 1: architecture réseau GSM 7 Figure 2 : services offerts par la 3G 10 Figure 3 : tableau récapitulatif 11 Figure 4 : L'avenir des réseaux mobiles 16 Figure 5 : Evolution du nombre d'abonnés 3G en millions 21 Figure 6 : Réseaux 3G+ opérationnels dans le monde 22 Figure 7 : Opérateurs HSDPA dans le monde 23

Figure 8 : répartition des clients de MNO en France fin 2008 34 Figure 9 : la couverture réseau Bouygues Telecom 35 Figure 10 : la couverture réseau Orange 36 Figure 11 : Figure 11 : la couverture réseau SFR 37 Figure 12 : Nombre d'abonnés au mobile et pénétration de la téléphonie mobile en Afrique [18] 40 Figure 13 : Taux de pénétration des opérateurs panafricains de téléphonie mobile en Afrique 42 Figure 14 : Présence sur le marché des opérateurs panafricains 44 Figure 15 : Taux de croissance des connections de téléphonie mobile en Afrique 45 Figure 16 : Déploiement prévu des réseaux HSDPA/3G en Afrique 46 Liste des tableaux Tableau 1: Récapitulatif des classes de services et leurs contraintes [12] 19

Introduction Après le succès mondial des réseaux de téléphonie mobile de seconde génération (dénommés 2G) qui consacraient l'avènement de la téléphonie mobile numérique et du multimédia, la nouvelle donne et l'attention international s'est tournée vers la 3G, les réseaux mobile de troisième génération qui vient répondre à plusieurs inquiétudes et préoccupations notamment concernant les questions de normalisation soulevés par la 2G, mais aussi au besoin grandissant de fourniture de services internet et multimédia à haut débit sur les réseaux mobiles. C'est dans ce sens que l'UIT (Union Internationale des Télécommunications) sous la dénomination IMT-2000 (International Mobile Telecommunications 2000) a entrepris une action de normalisation de la 3G troisième génération de réseaux mobiles. Cette action de normalisation porte notamment sur l'identification des différentes bandes de fréquences et la généralisation des services mobiles liés. De cette structuration et normalisation découle un ensemble de système technologique dit de troisième génération (UMTS, CDMA 2000,...). La migration vers la troisième génération est fortement liée au système adopté pour la 2G. Ainsi de la même manière qu'il existait deux technologies concurrentes pour la 2G, le GSM et le CDMA, on retrouvera dans la 3G plusieurs variantes.

L'évolution du GSM repose sur la technologie W-CDMA et aboutit à la norme UMTS, tandis que celle du CDMAOne aux Etats-Unis porte le nom de CDMA2000. Et comme pour le duel GSM / CDMA, les deux normes ne sont pas compatibles entre elles. Quasiment dans le même temps, la Chine, qui connait un bouleversement économique sans précédent depuis les années 2000, préfère faire bande à part et constituer de toute pièce son propre standard 3G : c'est le TD-SCDMA, qui offre l'avantage de ne pas avoir à verser de droits de propriété intellectuelle aux occidentaux mais également l'inconvénient d'arriver après les deux autres normes, sans avoir eu le temps nécessaire à sa maturation industrielle. Au-delà de ces technologies distinctes, la 3G ne se suffit pas à elle-même et des évolutions technologiques permettent d'améliorer manifestement ses performances. En Europe, l'UMTS peut être mis à jour en HSDPA, puis en HSUPA, augmentant sensiblement les débits et ouvrant la voie vers de nouveaux usages. Dans le but d'approfondir la réflexion sur l'évolution des réseaux 3G et 3G+ il s'agira pour nous de réaliser une étude approfondie sur les aspects liées à cette évolution. Nous ferons un état des lieux sur les réseaux 3G et 3G+ en présentant au préalable les étapes d'évolution (1G, 2G). Nous nous attarderons ensuite sur les enjeux économiques et politiques en passant par une étude de cas en termes de qualité de service 3G et 3G+ en France et en Afrique. Nous feront enfin un tour d'horizons des perspectives en termes de très haut débit avec notamment la 4G à venir.

I. Evolution 1G, 2G et 3G La téléphonie mobile a progressivement évolué des réseaux 1G analogiques et non cellulaires vers les réseaux 2G numériques et cellulaires, dont la mise en place s'est accélérée dans les années 90 grâce à des décisions communes établies par le groupe GSM. De réseau de transmission de services voix, un cadre technique s'est mis en place pour proposer aussi le transfert de données à des débits plus importants grâce à une gestion différente, par paquets, des informations échangées.

1. 1G La première génération de téléphonie mobile (notée 1G) possédait un fonctionnement analogique et était constituée d'appareils relativement volumineux. Il s'agissait principalement des standards suivants : · AMPS (Advanced Mobile Phone System), apparu en 1976 aux Etats-

Unis, constitue le premier standard de réseau cellulaire. Utilisé principalement Outre-Atlantique, en Russie et en Asie, ce réseau analogique de première génération possédait de faibles mécanismes de sécurité rendant possible le piratage de lignes téléphoniques. · TACS (Total Access Communication System) est la version européenne du modèle AMPS. Utilisant la bande de fréquence de 900 MHz, ce système fut notamment largement utilisé en Angleterre, puis en Asie (Hong-Kong et Japon). · ETACS (Extended Total Access Communication System) est une version améliorée du standard TACS développé au Royaume-Uni utilisant un nombre plus important de canaux de communication. Les réseaux cellulaires de première génération ont été rendus obsolètes avec l'apparition d'une seconde génération entièrement numérique. [1]

1. 2G et 2G+ La seconde génération de réseaux mobiles (notée 2G) a marqué une rupture avec la première génération de téléphones cellulaires grâce au passage de l'analogique vers le numérique. Les principaux standards de téléphonie mobile 2G et 2G+ sont les suivants : [] · GSM (Global System for Mobile communications), le standard le plus utilisé en Europe à la fin du XXe siècle, supporté aux Etats-Unis. Ce standard utilise les bandes de fréquences 900 MHz et 1800 MHz en Europe. Aux Etats-Unis par contre, la bande de fréquence utilisée est la bande 1900 MHz. Ainsi, on appelle tri-bande, les téléphones portables pouvant fonctionner en Europe et aux Etats-Unis. [1] http://www.commentcamarche.net/contents/telephonie-mobile/reseauxmobiles.php3 · CDMA (Code Division Multiple Access), utilisant une technique d'étalement de spectre permettant de diffuser un signal radio sur une grande gamme de fréquences. · TDMA (Time Division Multiple Access), utilisant une technique de découpage temporel des canaux de communication, afin d'augmenter le volume de données transmis simultanément. La technologie TDMA est principalement utilisée sur le continent américain, en Nouvelle Zélande et en Asie Pacifique. · GPRS (General Packet Radio Service) est une norme pour la téléphonie

mobile dérivée du GSM permettant un débit de données plus élevé. On le qualifie souvent de 2,5G. Le G est l'abréviation de génération et le 2,5 indique que c'est une technologie à mi-chemin entre le GSM (2e génération) et l'UMTS (3e génération). [2] · EDGE (Enhanced Data Rates for GPRS Evolution) est une norme de téléphonie mobile, une évolution du GPRS. Nous présenterons les principales technologies 2G (GSM) et 2G+ (GPRS et EDGE). a. GSM · Présentation du standard GSM Le réseau GSM (Global System for Mobile communications) constitue au début du 21ème siècle le standard de téléphonie mobile le plus utilisé en Europe. Il s'agit d'un standard de téléphonie dit > (2G) car, contrairement à la première génération de téléphones portables, les communications fonctionnent selon un mode entièrement numérique. Baptisé > à l'origine de sa normalisation en 1982, il est devenu une norme internationale nommée > en 1991. En Europe, le standard GSM utilise les bandes de fréquences 900 MHz et 1800 MHz. Aux Etats-Unis par contre, la bande de fréquence utilisée est la bande 1900 MHz. Ainsi, on qualifie de tri-bande (parfois noté tribande), les téléphones portables pouvant fonctionner en Europe et aux Etats-Unis et de bi-bande ceux fonctionnant uniquement en Europe. La norme GSM autorise un débit maximal de 9,6 kbps, ce qui permet de transmettre la voix ainsi que des données numériques de faible volume, par exemple des messages textes (SMS, pour Short Message Service) ou des messages multimédias (MMS, pour Multimedia Message Service). [2] http://fr.wikipedia.org/wiki/General_Packet_Radio_Service · Architecture du réseau GSM Dans un réseau GSM, le terminal de l'utilisateur est appelé station mobile. Une station mobile est composée d'une carte SIM (Subscriber Identity Module), permettant d'identifier l'usager de façon unique et d'un terminal mobile, c'est-à-dire l'appareil de l'usager (la plupart du temps un téléphone portable).

Les terminaux (appareils) sont identifiés par un numéro d'identification unique de 15 chiffres appelé IMEI (International Mobile Equipment Identity). Chaque carte SIM possède également un numéro d'identification unique (et secret) appelé IMSI (International Mobile Subscriber Identity). Ce code peut être protégé à l'aide d'une clé de 4 chiffres appelés code PIN.

La carte SIM permet ainsi d'identifier chaque utilisateur, indépendamment du terminal utilisé lors de la communication avec une station de base. La communication entre une station mobile et la station de base se fait par l'intermédiaire d'un lien radio, généralement appelé interface air (ou plus rarement interface Um). Figure 1: architecture réseau GSM L'ensemble des stations de base d'un réseau cellulaire est relié à un contrôleur de stations (en anglais Base Station Controller, noté BSC), chargé de gérer la répartition des ressources. L'ensemble constitué par le contrôleur de station et les stations de base connectées constituent le sous-système radio (en anglais BSS pour Base Station Subsystem). Enfin, les contrôleurs de stations sont eux-mêmes reliés physiquement au centre de commutation du service mobile (en anglais MSC pour Mobile Switching Center), géré par l'opérateur téléphonique, qui les relie au réseau téléphonique public et à internet. Le MSC appartient à un ensemble appelé sous-système réseau (en anglais NSS pour Network Station Subsystem), chargé de gérer les identités des utilisateurs, leur localisation et l'établissement de la communication avec les autres abonnés. Le réseau cellulaire ainsi formé est prévu pour supporter la mobilité grâce à

la gestion du handover, c'est-à-dire le passage d'une cellule à une autre. Enfin, les réseaux GSM supportent également la notion d'itinérance (en anglais roaming), c'està-dire le passage du réseau d'un opérateur à un autre. [3] b. GPRS · Présentation du standard GPRS Le standard GPRS (General Packet Radio Service) est une évolution de la norme GSM, ce qui lui vaut parfois l'appellation GSM++ (ou GMS 2+). Etant donné qu'il s'agit d'une norme de téléphonie de seconde génération permettant de faire la transition vers la troisième génération (3G), on parle généralement de 2.5G pour classifier le standard GPRS. [4] Le GPRS permet d'étendre l'architecture du standard GSM, afin d'autoriser le transfert de données par paquets, avec des débits théoriques maximums de l'ordre de 171,2 kbit/s (en pratique jusqu'à 114 kbit/s). Grâce au mode de transfert par paquets, les transmissions de données n'utilisent le réseau que lorsque c'est nécessaire. Le standard GPRS permet donc de facturer l'utilisateur au volume échangé plutôt qu'à la durée de connexion, ce qui signifie notamment qu'il peut rester connecté sans surcoût. Ainsi, le standard GPRS utilise l'architecture du réseau GSM pour le transport de la voix, et propose d'accéder à des réseaux de données (notamment internet) utilisant le protocole IP ou le protocole X.25. Le GPRS permet de nouveaux usages que ne permettait pas la norme GSM, généralement catégorisés par les classes de services suivants : · Services point à point (PTP), c'est-à-dire la capacité à se connecter en mode clientserveur à une machine d'un réseau IP, · Services point à multipoint (PTMP), c'est-à-dire l'aptitude à envoyer un paquet à un groupe de destinataires (Multicast). · Services de messages courts (SMS) · La notion de Qualité de Service (noté QoS pour Quality of Service), c'està-dire la capacité à adapter le service aux besoins d'une application [3] http://www.commentcamarche.net/contents/telephoniemobile/gsm.php3 · Architecture GPRS L'intégration du GPRS dans une architecture GSM nécessite l'adjonction de nouveaux noeuds réseau appelés GSN (GPRS support nodes) situés sur un

réseau fédérateur (back one) : · le SGSN (Serving GPRS Support Node, soit en français Noeud de support GPRS de service), routeur permettant de gérer les coordonnées des terminaux de la zone et de réaliser l'interface de transit des paquets avec la passerelle GGSN. · le GGSN (Gateway GPRS Support Node, soit en français Noeud de support GPRS passerelle), passerelle s'interfaçant avec les autres réseaux de données (internet). Le GGSN est notamment chargé de fournir une adresse IP aux terminaux mobiles pendant toute la durée de la connexion [4]. c. EDGE · Présentation du standard EDGE Le standard EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution.) est une évolution de la norme GSM, modifiant le type de modulation. Tout comme la norme GPRS, le standard EDGE est utilisé comme transition vers la troisième génération de téléphonie mobile (3G). On parle ainsi de 2.75G pour désigner le standard EDGE. EDGE utilise une modulation différente de la modulation utilisée par GSM (EDGE utilise la modulation 8-PSK), ce qui implique une modification des stations de base et des terminaux mobiles. L'EDGE permet ainsi de multiplier par un facteur 3 le débit des données avec une couverture plus réduite. Dans la théorie EDGE permet d'atteindre des débits allant jusqu'à 384 kbit/s pour les stations fixes (piétons et véhicules lents) et jusqu'à 144 kbit/s pour les stations mobiles (véhicules rapides) [5]. [4] http://www.commentcamarche.net/contents/telephoniemobile/gprs.php3 [5] http://www.commentcamarche.net/contents/telephonie-mobile/reseauxmobiles.php3

2. 3G, la migration nécessaire Mais pour aller plus loin et proposer des services dépassant le cadre de la consultation WAP ou de la réception d'emails et se rapprocher de ceux utilisés sur les ordinateurs, il a fallu changer d'architecture. Distincte des modes de transmission antérieurs, elle est qualifiée de 3G, ou réseau de troisième génération. Mais de la même manière qu'il existait deux technologies concurrentes pour la 2G, le GSM et le CDMA, on trouvera dans la 3G plusieurs variantes. L'évolution du GSM repose sur la technologie W-CDMA et aboutit à la norme UMTS, tandis que

celle du CDMAOne aux Etats-Unis porte le nom de CDMA2000. Et comme pour le duel GSM / CDMA, les deux normes ne sont pas compatibles entre elles. Presque dans le même temps, la Chine, dont l'activité économique connaît un bouleversement sans précédent depuis les années 2000, préfère faire bande à part et constituer de toute pièce son propre standard 3G : c'est le TD-SCDMA, qui offre l'avantage de ne pas avoir à verser de droits de propriété intellectuelle aux occidentaux mais également l'inconvénient d'arriver après les deux autres normes, sans avoir eu le temps nécessaire à sa maturation industrielle. [6] Au-delà de ces technologies différentes, la 3G ne se suffit pas à elle-même et des évolutions permettent d'améliorer ses performances. En Europe, l'UMTS peut être mis à jour en HSDPA, puis en HSUPA, augmentant sensiblement les débits et ouvrant la voie vers de nouveaux usages. Ce sont ces étapes progressives que nous allons voir ici.

Figure 2 : services offerts par la 3G [6] http://www.generation-nt.com/commenter/telephonie-mobile-reseaux-3g-umtswcdma-hsdpa-hsupa-article-46573- 1.html Standard Génération Bande de fréquence Débit GSM 2G Permet le transfert de voix ou 9,6 kbps 9,6 kbps de données numériques de faible volume.

GPRS 2.5G Permet le transfert de voix ou 21,4-171,2 kbps 48 kbps de données numériques de volume modéré. EDGE 2.75G Permet le transfert simultané 43,2-345,6 kbps 171 kbps

de voix et de données numériques. UMTS 3G Permet le transfert simultané 0.144-2 Mbps 384 Kbps de voix et de données numériques à haut débit. Figure 3 : tableau récapitulatif

II. Réseaux 3G et 3G+ La 3G est une norme technologique pour les téléphones mobiles et les ordinateurs portables, au même titre que les normes GSM ou EDGE. Elle est une évolution de ces dernières, puisqu'elle permet d'obtenir un débit de données plus important. La technologie 3G et 3G+ vous permet de profiter du très haut débit sur votre téléphone mobile ou sur votre PC portable. Vous pourrez ainsi accéder à la visiophonie, à la TV, ou plus simplement profiter d'un accès internet performant et confortable. Il existe plusieurs formes de 3G dans le monde, le CDMA2000 surtout présent aux Etats-Unis, l'UMTS reposant sur les fondations du GSM en Europe et un dernier venu, qui n'est pas encore déployé commercialement : le TD-SCDMA chinois, demi-frère asiatique de l'UMTS, dont il partage certaines caractéristiques.

1. Les différentes technologies a. L'UMTS

· Historique Le déploiement de l'UMTS, initialement prévu pour le début du siècle a été freiné en raison de son coût et de la mauvaise conjoncture économique du monde des télécommunications suite à l'éclatement de la bulle internet. Le 1er décembre 2002, l'opérateur norvégien Telenor a annoncé le déploiement du premier réseau commercial UMTS. L'opérateur autrichien Mobilkom Austria a quant à lui lancé le premier service commercial UMTS le 25 septembre 2002. En France, SFR a lancé son offre commerciale le 10 novembre 2004 et Orange a fait de même le 9 décembre 2004. L'opérateur Bouygues Telecom a préféré se