3G et 4G : l'Internet dans la poche

1. La 3G : tout le monde parle en même temps

La 2G partageait le spectre en fréquence et en temps. La 3G (norme UMTS, avec l'interface radio W-CDMA) fait l'inverse : tous les utilisateurs émettent sur la même porteuse de 5 MHz, au même moment. Pour les séparer, chacun reçoit un code : c'est l'accès multiple par répartition de codes (CDMA).

Chaque bit à transmettre est multiplié par une suite rapide de +1 et de −1, appelée code, dont les éléments s'appellent des chips. Les codes des différents utilisateurs sont choisis orthogonaux : quand le récepteur multiplie le signal reçu par le code d'un utilisateur puis fait la moyenne, les contributions des autres s'annulent.

Ce que le CDMA change pour la radio

• Réutilisation 1 : toutes les cellules utilisent la même fréquence ($N=1$, impossible en 1G ou en 2G, voir le simulateur du chapitre 1). Les cellules voisines sont séparées par leurs codes.
• Contrôle de puissance indispensable : un téléphone proche de l'antenne ne doit pas « crier » plus fort que les autres, sinon il couvre les utilisateurs éloignés. La puissance de chaque téléphone est ajustée en permanence, de nombreuses fois par seconde.
• Sécurité renforcée : avec la carte USIM, le téléphone vérifie à son tour l'identité du réseau (authentification mutuelle), ce qui corrige la faiblesse du GSM.

Les premiers services 3G ouvrent au Japon en 2001, en Europe en 2004. Le débit maximal théorique de départ est de 384 kbit/s ; les évolutions HSPA (« 3G+ », à partir de 2006) le portent à plusieurs Mbit/s, puis à plusieurs dizaines de Mbit/s.

2. La 4G : des milliers de petites porteuses

Le problème : les échos

En ville, le signal arrive au téléphone par plusieurs chemins : en direct, et après réflexion sur les immeubles. Les échos arrivent avec quelques microsecondes de retard. Tant qu'un symbole dure beaucoup plus longtemps que ce retard, ce n'est pas grave. Mais pour aller vite, il faut des symboles très courts : chaque symbole déborde alors sur les suivants, et le récepteur ne s'y retrouve plus. C'est l'interférence entre symboles.

La solution : l'OFDM

Plutôt qu'une seule porteuse très rapide, la 4G (norme LTE) utilise des centaines ou des milliers de sous-porteuses, chacune lente : c'est l'OFDM (multiplexage par répartition en fréquences orthogonales). En LTE, les sous-porteuses sont espacées de 15 kHz ; un symbole dure donc $$T=\frac{1}{\Delta f}=\frac{1}{15\text{kHz}}\approx \mathrm{66,7}\mu \text{s}$$ bien plus que les échos. Chaque sous-porteuse est modulée en QPSK ou en QAM, comme au cours 1 (chapitre 7).

Tout le secret est dans le O d'OFDM : orthogonal. Les spectres des sous-porteuses se chevauchent largement, et pourtant le récepteur les sépare parfaitement. Pourquoi ? Leur espacement vaut exactement $1/T$ : pendant un symbole, chacune fait un nombre entier de périodes. Résultat : au centre de chaque sous-porteuse, toutes les autres passent par zéro.

Reste le débordement des échos d'un symbole sur le suivant. Devant chaque symbole, l'émetteur recopie sa fin : c'est le préfixe cyclique, d'environ 4,7 µs en LTE. Un écho plus court que ce préfixe ne déborde que dans cette zone, que le récepteur ignore.

3. Partager la grille : OFDMA et SC-FDMA

Avec l'OFDM, la ressource radio devient une grille. En fréquence, les sous-porteuses sont regroupées par 12 en blocs de ressources de 180 kHz ; en temps, les symboles sont regroupés en tranches de 0,5 ms. Toutes les millisecondes, la station de base distribue les blocs entre les utilisateurs : c'est l'OFDMA. On retrouve la grille temps-fréquence du GSM (chapitre 2), sauf que les cases sont redistribuées en permanence.

L'astuce : un téléphone ne reçoit pas toutes les fréquences aussi bien. À cause des échos, son canal présente des creux à certaines fréquences, différents d'un téléphone à l'autre, et qui bougent quand il se déplace. Chaque téléphone signale régulièrement la qualité qu'il mesure, et l'ordonnanceur de la station de base donne à chacun les blocs où il reçoit bien.

Dans le sens montant : le SC-FDMA

Un signal OFDM additionne des centaines de sinusoïdes. De temps en temps, elles s'alignent en phase et produisent un pic bien plus fort que la moyenne. Le rapport entre les deux s'appelle le PAPR (Peak to Average Power Ratio). Pour ne pas écrêter ces pics, l'amplificateur de puissance doit fonctionner en dessous de son maximum, avec une marge appelée recul, et son rendement s'effondre (cours 4, chapitre 7). Une station de base branchée sur le secteur peut se le permettre. Un téléphone sur batterie, beaucoup moins.

Dans le sens montant, la 4G utilise donc le SC-FDMA (Single-Carrier FDMA). Les symboles QPSK ou QAM passent d'abord dans une transformée de Fourier, puis dans le même modulateur OFDM. Le signal émis ressemble alors à celui d'une porteuse unique : ses pics sont plus faibles, et on garde la grille et l'ordonnanceur de l'OFDMA.

4. Modulation adaptative et MIMO : toujours plus de bits

Chaque sous-porteuse est modulée en QPSK, 16-QAM ou 64-QAM : 2, 4 ou 6 bits par symbole (un alphabet de $M$ états transporte ${\log }_{2}M$ bits). Près de l'antenne, où le rapport signal sur bruit est bon, le réseau choisit la modulation la plus dense ; en bord de cellule, il revient à la QPSK, plus robuste.

Le MIMO : plusieurs flux sur la même fréquence

Avec deux antennes de chaque côté, la station de base envoie deux flux de données différents, $s_1$ et $s_2$, en même temps et sur la même fréquence. Chaque antenne du téléphone reçoit un mélange des deux : $$\left(\begin{array}{c}{y}_1\\ y_2\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}{h}_{11}& h_{12}\\ h_{21}& h_{22}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{s}_1\\ s_2\end{array}\right)+\text{bruit}$$ Le téléphone mesure les quatre coefficients $h$ grâce à des signaux de référence connus, puis résout ce système de deux équations à deux inconnues. Il y parvient si les trajets sont assez différents, ce qui est le cas en ville, avec ses nombreuses réflexions. Le MIMO tire donc profit des échos que l'OFDM s'efforçait de neutraliser ! En rase campagne, en vue directe, les deux antennes reçoivent presque la même chose : le système devient presque impossible à résoudre, et le réseau revient à un seul flux.

5. Le réseau devient tout-IP : la voix n'est plus qu'une donnée

En 2G et en 3G, le réseau garde deux mondes séparés : la commutation de circuits pour la voix (un chemin réservé pendant tout l'appel, comme au temps du téléphone fixe) et la commutation de paquets pour les données. La 4G supprime le premier : le cœur de réseau (EPC) ne transporte plus que des paquets IP, comme Internet.

La voix devient donc une application parmi d'autres : c'est la VoLTE (voix sur LTE). Avant son déploiement, un téléphone 4G qui recevait un appel devait basculer en 3G ou en 2G le temps de la conversation.

L'architecture radio se simplifie aussi. En 3G, les stations de base (NodeB) sont pilotées par un contrôleur (RNC), comme les BTS par le BSC en 2G. En 4G, la station de base devient « intelligente » : l'eNodeB gère elle-même la radio et les handovers, et dialogue directement avec le cœur de réseau.

6. Côté terminal : le smartphone et son front-end RF

En 2007, le premier iPhone popularise le smartphone à écran tactile : le téléphone devient un ordinateur de poche, gros consommateur de données. Les débits de la 3G+, puis de la 4G (les premiers réseaux ouvrent en décembre 2009 (Stockholm et Oslo), en France en novembre 2012), arrivent juste à temps.

Pour l'électronicien, l'intérieur du téléphone change profondément. Entre l'antenne et le modem se trouve le front-end RF :

• des filtres pour chaque bande : un smartphone doit gérer plusieurs dizaines de bandes de fréquences, selon les pays et les opérateurs ;
• des commutateurs d'antenne, pour aiguiller chaque bande vers le bon circuit ;
• des amplificateurs de puissance multimodes et multibandes, qui doivent rester efficaces avec des modulations à enveloppe variable (16-QAM, 64-QAM) ;
• plusieurs antennes, pour le MIMO et la diversité, à loger dans un boîtier mince, souvent métallique.

Ces circuits sont étudiés au cours 4. Retenez qu'ils représentent une part importante de la difficulté de conception d'un téléphone.

Avant la suite, vérifiez que vous savez :

• expliquer le principe du CDMA avec deux codes orthogonaux ;
• expliquer pourquoi l'OFDM résiste aux échos (orthogonalité, préfixe cyclique) ;
• expliquer pourquoi le téléphone émet en SC-FDMA plutôt qu'en OFDMA ;
• dire quand le MIMO peut transmettre deux flux, et quand il ne le peut pas ;
• relier rapport signal sur bruit, modulation et débit ;
• expliquer ce que signifie « réseau tout-IP ».