De la 2G à la 3G

Aujourd?hui 2 produits phares dopent le Marché des télécommunications, Internet et le téléphone portable. Ils pourront bientôt convoler en juste noce avec l'avènement des téléphones de 3 ème génération plus connus sous le nom d'UMTS. Avant de rentrer plus en détail dans ces mobiles un petit rappel semble nécessaire.

Avant 1989 nous étions sous le règne de l?analogique avec des normes et des réseaux disparates qui différaient d?un continent à l?autre, voir au sein d'un même pays cohabitaient 2 systèmes. Sous l'égide de l?Etsi (http://www.etsi.org) l'organisme de standardisation européen et sous l'influence de la France qui était fort en retard dans ce domaine, fut crée un groupe de recherche sur une nouvelle norme de téléphonie cellulaire. Cette norme devait être numérique et surtout permettre l?itinérance aussi bien à l?intérieur du réseau qu?entre réseaux, elle prit comme nom celui de son groupe à savoir le Groupe spécial mobile ou plus simplement GSM.

Le projet commencé en 1989 accoucha d'une première version de norme en 1992. Cette version fut basée sur une technologie TDMA/FDMA qui partageait la ressource radio entre utilisateurs aussi bien en fréquence qu?en temps.

En communications numériques il existe 3 types de multiplexages d'utilisateurs. En FDMA chaque utilisateur se voit attribuer une fréquence ou un couple de fréquence pour émettre ou recevoir, en TDMA la ressource radio est divisée en temps et chaque utilisateur ne peut émettre que pendant une portion de ce temps, en DS CDMA par contre chaque utilisateur se distingue par rapport aux autres grâce à un code orthogonal dit de "spreading ".

Les premières bandes de fréquences furent essentiellement dans la bande 900 Mhz puis en 1800 Mhz (DCS 1800). Il existe aussi une version américaine du GSM à 1900 Mhz appelée PCS 1900.

Deux versions de la norme suivirent, dites phases 2 et 2+ qui étendirent les services mais surtout leurs qualités. Toutefois si la qualité audio fut vraiment améliorée par l?introduction d?un nouveau codeur de parole (EFR), la transmission de donnée resta problématique avec des débits qui n?excédaient pas 14,4 kbits/s.

L'ETSI est en train de faire évoluer la norme pour créer une génération dite 2,5 qui ne résoudra que partiellement ce problème car même si théoriquement on peut obtenir des débits de 144 kbits/s pour le GPRS (General Packet Radio Service) voir 384 kbits/s pour l'EDGE (Enhanced Data Rates for Global Evolution), il est rarement mentionné la qualité de service, la mobilité de l?utilisateur et surtout le nombre de personnes pouvant prétendre en même temps à ce débit. Cette nouvelle génération, tout en gardant une compatibilité avec le coeur du réseau GSM, apporte la transmission de donnée par paquet et de nouvelles modulations pour augmenter le débit possible.

On constate donc aisément qu?une nouvelle étape doit être franchie pour répondre aux besoins toujours croissants des utilisateurs et aux applications toujours plus gourmandes en débits.

La réflexion sur la 3^ème génération de mobile n?est pas récente. Dès 1992 la conférence mondiale des radiocommunications réserva des bandes pour la 3ème génération. 230 Mhz de spectre dans la bande 2Ghz dont 60 Mhz pour les applications satellites. L'ITU repris ce travail et créa un nouveau groupe de travail : l'IMT2000.

Des organismes nationaux comme l'ARIB (Japon) ou L'ANSI (Etats Unis) ou internationaux comme l'ETSI se réunirent pour créer le 3GPP (Third Generation Partnership Project :http://www.3gpp.org ) ou le 3GPP2. Ces 2 entités sont 2 organismes, non pas de standardisation mais de travail et doivent proposer des candidats possibles à l?IMT2000. Il existe aussi le 3GP IP qui travaille plus particulièrement sur l'intégration du coeur de réseau UMTS dans un réseau IP et l?UMTS Forum (http://www.umts-forum.org) qui travaille plus sur les services notamment multimédia que l'UMTS pourrait supporter. On ne parlera ensuite que des travaux du 3GPP qui propose une évolution de la norme GSM vers la 3^ème génération en effet le 3GPP2 lui travaille sur une évolution des normes américaines.

On se restreindra donc au cas de l'UMTS version 1999 et plus particulièrement aux standards terrestres et non satellitaires.

L'interface Air de l'UMTS ou UTRA est basée sur une technique d?étalement de spectre : le DS-CDMA (Direct Sequence Code Division Multiple Access). Cela revient à multiplier à énergie constante le signal bande source qui est en bande étroite par un signal appelé code d'étalement possédant des propriétés d?orthogonalité. Avant l'étalement on parlera de bits après on parlera de chips et le Spreading Factor ou facteur d'étalement représentera le nombre de chips par bit.

Chaque utilisateur sera donc identifié de manière unique par ce code dit de spreading, et le signal ainsi transformé de bande étroite en large bande se trouvera noyé dans le bruit du canal.

La confidentialité sera d'autant mieux gardée que la non-connaissance du code rend presque impossible le décodage de l?émission. L'étalement de spectre se fera sur 5 Mhz de bande ce qui permettra de répartir les erreurs et autres troubles du canal sur toute la bande.

Au sein même de l'UTRA on distingue 2 types d'interfaces Air : le FDD et le TDD. Les 2 sont organisées en trame de 15 slots avec 2560 chips par slot et ont un débit de 3,84Mchips/s.

En FDD les utilisateurs possèdent une bande pour l'émission et une bande pour la réception et tous les utilisateurs se partageront ces bandes ; seuls leurs codes les départageront.

En TDD la bande d'émission est la même que la réception mais il y a en plus un multiplexage temporel des utilisateurs sur un ou plusieurs timeslots aussi bien en émission qu?en réception.

D'un point de vue coeur du réseau, on reprend en grande partie les bases du GPRS notamment sur l?aspect transmission par paquets mais cet aspect est en pleine évolution. Toutefois on peut retenir que le premier mode de transport sera l'ATM mais que l?on essaye au maximum de se tourner vers un modèle complètement IP (Internet Protocole). Derrière ce mode complètement IP on peut voir une volonté non dissimulée de favoriser la convergence Internet/Mobile base des nouveaux services 3G.

D'un point de vue service, l'approche est un peu différente comparée aux premières versions du GSM, on ne standardise plus un service mais une capacité à transmettre avec une certaine qualité. Ainsi on pourra tout à fait atteindre des débits de 384 kbits/s dans une voiture (120 Km/h) avec des taux d'erreurs bits (TEB ou BER en anglais) de 10^-6 et cela en utilisant des techniques de Codage de canal appelées Turbo-codes. Pour donner un ordre d?idée, le téléchargement d?un fichier, par exemple au format Mp3 (http://www.mpeg.org pour plus de renseignements sur le format) prendra, pour 3 minutes de musique, 30 minutes en GSM contre 8 secondes en UMTS (à 2Mbits/s) .

En ce qui concerne les services on peut toutefois noter l?introduction d'un nouveau concept celui de "virtual home environment " ou en français d?itinérance de services et d'environnement. On permettra donc à n'importe quel utilisateur de retrouver quelque soit le lieu et le terminal ses services et son environnement de base ; un exemple parlant est la lecture de son courrier électronique quel que soit le poste de consultation. Il y aura bien sur la convergence fixe mobile ou FMC qui peut s'illustrer par le fait d'être joignable quel que soit le terminal.

Les mobiles de 3^ème génération sont donc porteurs d'une révolution digne d'Internet en offrant aux utilisateurs un canal de transport et non plus un service. On pourrait faire l'analogie avec les fournisseurs d'accès Internet qui offre plus un point d'accès qu'un service. De même on assistera à la création de portails thématiques poussés par l'opérateur ou non, un exemple le rapprochement de Vodafone et de Vivendis propriétaire de Canal+. On peut par contre se poser légitimement la question du déploiement. Au Japon les réseaux de 2^ème génération arrivent à saturation donc dès 2001 les opérateurs feront une ouverture commerciale de réseaux UMTS basés sur la Version 1999 de la norme. En Europe, les opérateurs de 2^ème génération pourraient être tentés de rentabiliser leurs premiers investissements dans le GSM, toutefois l?introduction de nouveaux opérateurs purement UMTS devrait précipiter le déploiement. Aux Etats-Unis le régulateur a vendu les bandes de fréquences UMTS tout en laissant les personnes libres de faire du PCS ou de l'UMTS, le déploiement rapide de l'UMTS reste donc plus incertain.

Auteur : Pierre Roullet
Ingénieur Logiciel GSM/UMTS
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