Evolution de la technologie La LTE-TDD

Introduction

Dans le dernier rapport “Cisco Visual Networking Index: Global Mobile Data Traffic Forecast Update, 2015–2020” publié par Cisco le 3 Février 2016, on apprend que le trafic data mobile Broadband global a cru de 74% et est passé de 2.1 Exabytes par mois à fin 2014 à 3.7 Exabytes par mois à fin 2015.

On apprend aussi que le trafic data mobile a crû de 4000 fois durant les 10 dernières années et de 400 million de fois pendant les 15 dernières années. Le trafic data des réseaux mobiles est passé de moins de 10 Gigabytes par mois en 2000 à moins de 1 Petabyte par mois en 2005 (Un Exabytes est équivalent à un milliard de Gigabytes ou un millier de Petabytes).

Cisco nous informe aussi que cette tendance de croissance se poursuivra au moins jusqu’en 2020 afin d’atteindre 30.6 Exabytes de trafic par mois.

Cisco Forecasts 30.6 Exabytes per Month of Mobile Data Traffic by 2020

Ces informations nous mettent face à l’un des défis majeurs que doivent relever les acteurs du monde des télécommunications, spécialement les opérateurs, qui investissent continuellement dans les infrastructures et les capacités.

Concernant les capacités en bandes de fréquences, l’intégration de toutes les ressources est devenue une évidence. C’est dans ce contexte que l’écosystème mondial des télécommunications s’intéresse de plus en plus à des ressources qui ont été longtemps mal ou pas du tout exploitées pour les services data mobile large bande comme les fréquences non appariées qui deviennent de plus en plus une alternative sérieuse, disposant aujourd’hui d’un écosystème LTE TDD mature et largement adopté au niveau Internationale.   

 

1. Les spécifications TDD-LTE

Le Standard LTE-TDD :

La LTE (Long Term Evolution), l’évolution des technologies 3G a été initiée par le consortium 3GPP qui préparait un standard pour les réseaux mobiles de 4^ème génération tel que spécifié par l’UIT dans le cadre du système IMT.

 

L’objectif de la 3GPP a été de répondre aux nouveaux défis du secteur des télécommunications mobiles notamment en termes de ressources (afin de supporter le volume croissant du trafic et augmenter la qualité de service), de coût (un CAPEX/OPEX moins important pour les opérateurs) et de simplicité (plus de flexibilité et moins de complexité au niveau technologique opérationnel). Actuellement, ce standard ne cesse d’évoluer et de connaitre des changements permettant d’intégrer les dernières technologies réseaux (Enhanced CA, Femtocell, IoT/M2M, WLAN, Hetnet, LSA, etc …). Sur le site web de la 3GPP, on peut actuellement consulter la version 14 des spécifications.

L’intégration pertinente de l’écosystème TDD-LTE est l’une des nouveautés importantes apportées par ce standard

La TDD-LTE a connu une évolution plus lente que celle du FDD-LTE (2 à 3 ans de retard par rapport à l’écosystème FDD-LTE), mais cette évolution est totalement différente de ses anciennes versions notamment la 3G S-CDMA qui est restée limitée principalement à l’utilisation par les opérateurs chinois.

L’intégration de l’écosystème TDD a commencé dès le début des travaux de spécifications. Pour rappel, les 2 et 3 novembre 2004 se sont tenus les premiers travaux du consortium 3GPP (3rd Generation Partnership Project) concernant l’évolution du système mobile 3G spécialement le « RAN Evolution Workshop » à Toronto au Canada. Ce Workshop était ouvert à tous, membres et non membres de la 3GPP. S’y sont ainsi retrouvés des équipementiers, des instituts de recherche, des opérateurs. A la fin, 40 propositions de l’évolution de l’UTRAN ont été enregistrées permettant d’établir par la suite une liste de caractéristiques générales que devait supporter le prochain système Radio. Commence alors la longue vie de l’Evolved UTRAN et des standards regroupés sous le nom LTE (Long Termes Evolution).

Dès le début, l’une des principales caractéristiques de ce nouveau système Radio a été de permettre la flexibilité au niveau de l’usage des fréquences existantes ou nouvelles, ceci en mode apparié ou non (FDD ou TDD). L’objectif étant de permettre la disponibilité de plus de ressources mais aussi d’éviter toute fragmentation inutile entre les technologies FDD et TDD. Autrement dit la norme LTE devait être un standard commun pour les fréquences appariées ou non appariées.

Source. Qualcomm.

Les spécifications techniques :

Au niveau technique, les experts jugent que les spécifications des deux modes de duplexage FDD et TDD LTE sont quasi similaires.

Des études réalisées, notamment celle préparée par « Signals Research Group » pour le compte de Qualcomm et Ericsson, sur les natures des propositions de spécifications LTE, ont montré que la majorité des contributions n’ont pas été relatives à un mode de duplexage spécifique. En fait, il s’agit d’un standard commun ou 82,5% des contributions de spécifications été communes entre la TDD et la FDD.

 

Source. Signals Research Group 

 

Les deux modes de duplexage se définissent par des caractéristiques communes au niveau de la couche physique avec une couche RLC similaire et des couches MAC et RRC avec peu de différences ainsi que le même réseau Cœur EPC (Evolved Packet Core).

Notons que cette similarité technique au niveau des standards a permis aux fabricants de chipsets et aux constructeurs de réseaux de concevoir des produits qui intègrent les deux technologies.

 

Exemple de Qualcomm, le principal fournisseur de chipset au niveau mondiale qui propose la solution LTE Gobi intégrant les deux modes TDD et FDD.

 

Source. Qualcomm. 

Coté réseau Radio, les solutions eNode B des fournisseurs sont en majorité Multi-mode FDD-TDD (avec une RRU spécifique pour la TDD) et Multi-bandes, permettant d’avoir des solutions Radio Single-RAN intégrant la 2G, la 3G et la 4G LTE FDD ou TDD.

 

Le cœur de Réseau EPC (Evolved Packet Core) a été lui aussi spécifié de manière à permettre de gérer des réseaux FDD et TDD. Un seul réseau EPC est capable de supporter simultanément les opérations LTE FDD et TDD sur plusieurs bandes et pour différents usages Mobile, Fixe ou Nomade. Concernant la mobilité, plusieurs solutions en vente actuellement permettent la mobilité entre FDD et TDD ainsi que la mobilité 2G/3G et 4G.

 

2. Adoption par le Marché :

 Les débuts :

 

Depuis les premières connexions réalisées par China Mobile ou le premier lancement commerciale réalisé par Mobily en Arabie Saoudite, il y a eu beaucoup de progrès relatifs à l’adoption de la technologie TD-LTE.

 

L’adoption de la TDD-LTE a été faite dès les premières années par de grands acteurs dans le monde des télécommunications mobiles, spécialement en Asie. Parmi ces opérateurs ayant choisi de déployer la 4G LTE TDD dès 2010, on retrouve China Mobile, China Unicom, China Telecom,  Softbank au Japan, Bharti Airtel en Inde et clearwire aux Etats Unis.

 

China Mobile, l’opérateur ayant le plus de clients et d’expérience dans le domaine des technologies TDD, ett considéré aujourd’hui comme étant la locomotive de cette technologie, avait dès le lancement du projet LTE TDD annoncé l’objectif de 200.000 BTS LTE TDD à fin 2013. Au premier semestre 2015, 940000 BTS étaient « 4G ready ».

 

En Février 2011 pendant le Mobile World Congress 2011 à Barcelone, les 5 opérateurs (China Mobile, Bharti Airtel, Softbank, Vodafone et Clearwire), intéressés par la technologie LTE TDD avaient lancé une alliance nommée Global TD-LTE Initiative ou GTI, pour échanger et promouvoir la standardisation de la technologie TD-LTE.

 

Depuis, cette initiative a connu un grand succès avec une reconnaissance mondiale par les organismes de standardisation internationale comme l’UIT ou la GSMA. Grace à l’appui de cette initiative, l’écosystème TD-LTE a connu un réel développement, soit au niveau des standards, au niveau des terminaux et des équipements, ainsi qu’au niveau des services comme pour le Roaming, la VoLTE, l’agrégation des canaux ou le Hand Over avec la FDD et les autres technologies(2G/3G/Wimax).

 

Actuellement une nouvelle Initiative GTI 2.0 a été lancée par les mêmes opérateurs le 23 février au MWC 2016 avec un nouveau Plan stratégique pour les 5 prochaines années. Ce Plan établit comme objectifs de continuer la promotion et le développement du TD-LTE au niveau Mondiale, d’encourager la convergence avec la version FDD et de permettre l’éclosion d’un écosystème 5G innovant et synergique.

 

Lancement GTI 2.0 le 23 Fév 2016, au Mobile World Congress, Barcelone.

Les chiffres :

Réseaux déployés

 

Au niveau Marché, on constate d’après les derniers rapports de la GSA datés de Janvier et Février 2016, que le nombre de clients LTE dépassera un milliard au Quatrième trimestre 2015 (Q3 2015 908,5 Millions « chiffres estimés »).

Le nombre de réseaux LTE en service est actuellement de 480 dont 71 en mode TDD.

 

Février 2016 © GSA – Global mobile Suppliers Association

 

Les fréquences LTE FDD les plus utilisées sont les bandes 1800(b3), 2600(b7) et 800MHz (b20)
La bande 2300MHz (b40) reste la bande TDD la plus utilisée suivie par la bande 3500MHz (b42/43) et la bande 2600MHz (b38).Les fréquences LTE FDD les plus utilisées sont les bandes 1800(b3), 2600(b7) et 800MHz (b20).

 

Les Terminaux

La disponibilité des terminaux est un élément clé de succès pour l’écosystème TD-LTE. Cette disponibilité a été permise en premier lieu par la disponibilité des chipsets Muti-mode.

 

Plusieurs solutions Multi-mode et Multi-bande TDD/FDD existent déjà sur le Marché. On peut citer l’exemple des fournisseurs principaux de chipset TDD-LTE qui sont Qualcomm et HiSilicon (filiale de Huawei) qui ont pu mettre en place des solutions innovantes et disponibles au niveau mondiale.

 

Concernant les terminaux, le  rapport du 11 Fév. 2016 de la GSA montre l’existence de 4416 terminal LTE dont 40% supportant la version TDD.

3. Fréquences & Réglementation TDD-LTE:

Standardisation et Marché :

 

La première version des spécifications LTE a été finalisée en 2008 « Release 08 », on y compte 15 bandes de fréquences FDD possibles pour le système Radio LTE, dont huit bandes en mode TDD.

 

Actuellement, on comptabilise 44 bandes de fréquences différentes dont 12 Bandes non appariés (voir Table).

 

Table 2-1: Bands accepted as standardized by the 3GPP for TDD

 

Source 3GPP.ORG

Selon les derniers rapports de GSA, la plupart des réseaux déployés l’ont été sur les bandes 2.3GHz, 2.6GHz, 3.5GHz et 3.7GHz avec une prédominance des déploiements sur la bande 2.3GHz (28 Réseaux en service au niveau mondial). Voir Tableau ci-après.

 

Chiffres 2016 © GSA – Global mobile Suppliers Association

 

Concernant la disponibilité des terminaux, les deux bandes 2.3GHz et 2.6GHz disposent d’un écosystème favorable avec respectivement 1269 et 1074 terminaux disponibles en vente (voir tableau ci-dessus) :

• Terminaux supportant la bande 40 (2.3GHz) = 72.7%

• Terminaux supportant la bande 38 (2.6GHz) = 61.5%

 

Concernant la disponibilité des terminaux multi-modes FDD-TDD, il y a un grand choix de terminaux FDD-TDD sur la combinaison de bandes 3(1800MHz)-40(2300MHz) avec 702 terminaux et 549 terminaux disponibles sur la combinaison 7(2600MHz)-40(2300MHz) (Chiffres GSA Fév. 2016)

Notons que le spectre de fréquence utilisé par la technologie LTE TDD est moins fragmenté que celui de la LTE FDD avec deux bandes qui ont une large adoption.

 

Contexte réglementaire international de la bande 2300 – 2400 MHz :

La bande 40 (2300MHz) dispose d’un écosystème favorable avec le plus grand nombre de terminaux disponibles en Multi-bande et Multi-mode FDD-TDD et bénéficie du plus grand nombre de réseaux déployés dont font partie les réseaux des opérateurs chinois, China Mobile, China Unicom, China Telecom ainsi que les réseaux des opérateurs indiens Aircel et Bharti Airtel.  

 

La bande 40(2300MHz-2400MHz), en plus de la largeur de 100MHz qu’elle offre, dispose en comparaison des fréquences plus hautes (2.6GHz et 3.5GHz) et d’avantages techniques relatives à la propagation du signal Radio (propagation Loss et Penetration Loss). Ces avantages techniques la positionnent comme bande de couverture principale pour la 4G LTE-TDD (Exemple de la stratégie LTE-TDD de China Mobile).

 

Au niveau international, la bande 2.3GHz (Bande 40) est un Bloc de 100MHz 2300-2400MHz non apparié qui a fait l’objet de travaux avancés et qui a été identifié comme bande IMT à la conférence Mondiale WRC-07 en 2007. C’est une bande non appariée majeure pour l’écosystème IMT au niveau International.

 

Exemple de l’Union Européenne :

 

Au niveau Européen, la bande 2.3GHz est utilisée dans la majorité des cas par les instances gouvernementales ou par les professionnels de l’audiovisuel et du spectacle.   

Ce contexte réglementaire international initié par l’UIT a poussé la commission Européenne à définir des conditions techniques harmonisées de l’utilisation de cette bande pour les systèmes sans fil à large bande.

 

La CEPT a finalisé en 2014 les premiers travaux de mise en place d’un Plan de fréquence de la bande 2300MHz en TDD et des conditions techniques d’utilisation ainsi que l’étude des modalités techniques (voir rapport rapport ECC 20545) d’un partage des fréquences avec les utilisations existantes notamment en utilisant le principe d’accès partagé au spectre et la technologie LSA (Licensed Shared Access).

 

La notion de « licensed shared access » (LSA) est étudiée en Europe pour l’utilisation de la bande 2,3 GHz. La technologie LSA viserait la mise en place d’un cadre réglementaire d’autorisations individuelles pour les opérateurs mobiles, qui permettrait un partage dynamique de fréquences avec les utilisations actuelles en bande 2,3 GHz.

 

4. Conclusion

 

1. Principaux points relevés après l’analyse de l’Ecosystème TDD-LTE :

• Saturation des bandes FDD et existence d’un besoin important en ressources de fréquences. La TDD peut être considérée comme une nouvelle couche de capacité qui sera rajoutée au-dessus de la couche FDD existante.

• Adoption par les standards et intégration avec la FDD.

• Similarité technologique avec la FDD-LTE, permettant une intégration facile de l’écosystème TDD avec celui du FDD-LTE

• Adoption au niveau Internationale :

• Intégration dans les chipsets FDD.

• Existence d’un grand nombre de terminaux TDD.

• Existence et maturité de solutions réseau TDD.

 

1. Une adoption qui commence à devenir importante bénéficiant de l’existence des terminaux dual-mode et dual-band ainsi que de l’existence des solutions radio Single-RAN FDD-TDD 2G/3G et 4G.

• La version TDD dispose de performances (débit et latence) similaires à la version FDD avec une flexibilité au niveau de la gestion du taux Uplink/Downlink. Une légère différence existe aussi au niveau de la couverture.

• Possibilité d’utilisation en Macro-cell pour une couverture Outdoor/Indoor ou en Pico/femtocell dans les zones denses en complémentarité avec la FDD-LTE ou la 3G/HSPA, et d’agrégation de canaux avec la FDD.

 

1. Réglementation et fréquences :

 

• Réglementation Internationale : l’UIT a décidé en 2007 l’identification de la bande 2300MHz comme bande IMT.

 

• Réglementation régionale en Europe en faveur de l’attribution mais en cours de définition des conditions techniques d’attribution.

 

1. L’adoption au niveau Internationale deviendra plus importante après la libération et l’attribution des bandes 2300MHz et 2600MHz TDD par les organismes de régulation.

 

1. Apparition de nouvelles méthodes et technologies standardisées de gestion dynamique du spectre de fréquences favorisant l’attribution des bandes non appariées déjà occupées. Standards et Technologie LSA « à suivre ».

 

1. Possibilité d’attribution en larges canaux de 30MHz.

 

Le coût des fréquences TDD est généralement moins important que celui des fréquences FDD.

 

Par René Serres consultant Télécoms et TICs