Technologies sans fil cellulaires

Explication de la technologie sans fil cellulaire. 

La technologie sans fil cellulaire sous-tend les communications mobiles modernes, le déploiement de l'IoT et la connectivité industrielle à travers le monde. Des premiers systèmes vocaux analogiques aux réseaux ultra-haute vitesse et à faible latence d'aujourd'hui, la technologie cellulaire a évolué à travers plusieurs générations — chacune permettant de nouveaux services, applications et améliorations de performance. Cet article explore l'évolution de la technologie sans fil cellulaire du 0G à la 6G émergente, en mettant en lumière les caractéristiques clés, les capacités et les cas d'utilisation concrets.

Les réseaux cellulaires sont devenus essentiels pour le transfert de données à haut débit nécessaire non seulement à la communication et au divertissement, mais aussi aux activités commerciales et industrielles. Dans cet article, nous passons en revue les principales technologies cellulaires largement utilisées et vous donnons les meilleurs conseils sur la façon dont vous pouvez améliorer votre signal de données cellulaires et les performances de votre réseau cellulaire.

Un aperçu des générations de technologies de réseau cellulaire.

Chronologie de la technologie cellulaire (Vue résumée)

• 0G : Radiophonie mobile pré-cellulaire (basée sur véhicule, analogique)
• 1G : Voix cellulaire analogique (AMPS)
• 2G : Voix numérique et SMS (GSM, GPRS, EDGE)
• 3G : Données mobiles et multimédia (UMTS, W-CDMA)
• 4G : Réseau IP haut débit (LTE, LTE-Advanced)
• 5G : Latence ultra-basse, IoT massif, réseaux à haute capacité
• 6G (futur) : fréquences térahertz, réseaux pilotés par l'IA

Qu'est-ce que la téléphonie mobile 0G?

La téléphonie précellulaire porte maintenant la désignation de génération zéro. Il est également connu sous le nom de système de radiotéléphonie mobile et est essentiellement la première forme de téléphonie sans fil qui faisait partie des réseaux téléphoniques publics commutés avec des numéros de téléphone individuels. Les radiotéléphones mobiles étaient généralement installés dans les véhicules et connectés via les premiers services de téléphonie mobile commerciaux fournis par des sociétés comme Motorola et Bell.

Qu'est-ce que le cellulaire 1G?

1G signifie première génération et désigne la première génération de technologie   cellulaire mobile. La 1G diffère de toutes les formes ultérieures de technologie de   communication cellulaire car il s'agit d'un système cellulaire analogique plutôt que   numérique. Lancée pour la première fois au Japon dans les années 1980, cette   technologie de communication vocale utilise la modulation analogique. Cela implique de   prendre un signal audio basse fréquence et de le transférer sur un signal porteur de   fréquence plus élevée (plus de 150 MHz) afin qu'il puisse parcourir de plus longues   distances. Ces premiers systèmes cellulaires se composaient généralement de:  

1. Un réseau de sites cellulaires, qui couvre la zone de service du réseau et dispose d'une communication sans fil directe avec les téléphones mobiles en réseau sur son territoire.
2. Un centre de commutation mobile (MSC) qui effectue le travail d'acheminement correct des appels vocaux soit vers un autre téléphone mobile, soit vers une ligne fixe via le réseau téléphonique public commuté.
3. Téléphones portables (radios).

La technologie cellulaire 1G a été définitivement abandonnée, à l'exception de quelques régions isolées d'Asie centrale. Malgré son utilité initiale, les inconvénients notables comprenaient son manque de sécurité, sa capacité d'utilisation limitée, sa faible autonomie de la batterie et ses téléphones volumineux et peu maniables. 

La norme de communication 1G connue sous le nom de système de téléphonie mobile avancé (AMPS) a été remplacée par la 2G en l'espace d'une décennie.

Qu'est-ce que la 2G?

Les réseaux cellulaires de deuxième génération ont été introduits dans les années 1990 et exploitent des moyens numériques de modulation et de cryptage des données pour transférer à la fois les appels vocaux et les paquets de données. Les données sont transférées numériquement à l'aide de la technique de modulation par décalage de fréquence, où l'alternance rapide entre deux fréquences est utilisée pour envoyer des paquets de données codés binairement (0 et 1). Le passage à la connectivité numérique avec le réseau de tours radio cellulaires a amélioré l'efficacité de l'utilisation du spectre radioélectrique avec un plus grand nombre de téléphones capables d'utiliser simultanément chaque >bande de fréquence et l'expansion des services de données pour inclure initialement les SMS et les MMS. Les réseaux de deuxième génération fonctionnent en grande partie selon la norme mondiale pour les communications mobiles (GSM) et utilisent deux technologies notables pour des débits de données allant jusqu'à 384 k/bit par seconde:

• Le General Packet Radio Service ou GPRS est une norme « 2.5G » qui dirige le transfert de paquets de données, ce qui facilite non seulement les communications multimédias et la connectivité sur les réseaux cellulaires, mais également le transfert bidirectionnel de données avec des réseaux externes comme Internet. Son débit de données est de 40 kbit/sec. Le GPRS a permis aux opérateurs de réseaux cellulaires de fournir un accès Internet, une messagerie instantanée et une messagerie multimédia. Pour ce faire, GPRS s'appuie sur plusieurs protocoles, notamment les protocoles IP (Internet Protocol), WAP (Wireless Application Protocol), Point à Point et Point à Multipoint qui prennent en charge les appels de groupe.
• Enhanced Data Rates for GSM Evolution (EDGE) est une extension alternative pour GSM (parfois appelée « 2.75G ») qui fournit des débits de données accrus pour les réseaux 2G. Bien qu'il ait été lancé en 2003, il est rétrocompatible et permet d'augmenter les débits de données pour la technologie 2G de plus de 350 k/bits par seconde.

Applications pratiques des réseaux 2G

Malgré les générations plus récentes, les réseaux 2G sont encore utilisés aujourd'hui pour des systèmes hérités tels que les communications M2M basiques, la surveillance par SMS et les services vocaux de secours dans les régions éloignées.

Qu'est-ce que la 3G?

La technologie cellulaire de troisième génération, également connue sous le nom  de 3G,  s'appuie sur l'avancement des réseaux 2,5G pour prendre en charge un débit et des vitesses de transfert de données plus élevés. Cela permet aux opérateurs de réseaux 3G de fournir une gamme plus large de services, notamment:

• Accès Internet mobile
• Voix sur protocole Internet
• Appels vidéo
• Télé mobile

La 3G offre également une robustesse de sécurité accrue par rapport aux générations précédentes avec l'authentification de l'équipement de l'utilisateur et la sécurisation des communications de bout en bout. Les services sont fournis sur des parties allouées du spectre radioélectrique entre 400 MHz et 3 GHz. Les normes qui sous-tendent la connectivité cellulaire 3G, les spécifications IMT-2000, ont été conçues par l'Union internationale des télécommunications et publiées par celle-ci et ont permis d'atteindre des vitesses de transfert de données d'au moins 144 kbit/s. Les débits binaires Mbit/s ont rapidement été atteints par les versions ultérieures. Sa première sortie a eu lieu au Japon en 2001.

La 3G s'appuie sur les technologies notables suivantes:

• EDGE: L'extension EDGE, lancée avec un réseau de deuxième génération, répondait déjà aux spécifications 3G.
• Le système universel de télécommunications mobiles (UMTS) est basé sur la norme GSM et spécifie tous les aspects du réseau cellulaire, y compris le réseau d'accès radio, les fonctionnalités du réseau central et l'authentification de l'utilisateur par carte SIM. Il est capable de prendre en charge des taux de transfert de données allant jusqu'à 42 Mbit/s
• L'accès multiple par répartition en code à large bande  (W-CDMA) est une méthode d'accès par canal qui permet le transfert de données à accès multiples de voix, de texte, de MMS et de streaming vidéo sur un seul canal à l'aide de plusieurs émetteurs.

Qu'est-ce que la 4G?

La 4G est l'abréviation de quatrième génération et est une technologie de réseau cellulaire à large bande qui a largement dépassé la 3G avec des capacités étendues en matière de téléphonie mobile et d'accès à Internet, comme indiqué dans la norme de l'UIT.

• Utilisation à l'échelle du réseau de la commutation de paquets basée sur IP
• Utilisation évolutive de la bande passante entre 20 et 40 MHz et adaptation à un plus grand nombre d'utilisateurs dans chaque cellule.
• Débits de données de 100 Mbit/s si un utilisateur du réseau est en mouvement et jusqu'à 1 Gbit/s s'il est à l'arrêt
• Itinérance transparente sur les réseaux et les territoires géographiques dans le monde entier.

La 4G s'appuie sur plusieurs innovations en matière de réseau de couche physique qui prennent en charge les vitesses et le débit considérablement accrus offerts, notamment le MIMO multi-antennes, les techniques de modulation telles que le multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence (pour coder les données transmises sur plusieurs fréquences porteuses) et les codes correcteurs d'erreurs, pour minimiser le bruit, les interférences et les pertes lors de la transmission du signal.

Applications pratiques des réseaux 4G

La 4G LTE est largement utilisée pour le haut débit mobile, l'accès sans fil fixe (FWA), le streaming vidéo, les points d'accès mobiles et de nombreuses passerelles IoT nécessitant une latence modérée et une grande fiabilité.

LTE vs 4G

L'évolution à long terme est une technologie contemporaine de la 4G mais ne répond pas aux exigences de la norme IMT Advanced dans certains domaines. La technologie LTE offre des vitesses de téléchargement maximales de 100 Mbits/s et s'appuie sur  des réseaux d'antennes MIMO pour une connectivité optimale. LTE-advanced est une norme améliorée qui vise à dépasser la norme IMT Advanced en modifiant les réseaux LTE pour utiliser des parties supplémentaires du spectre et exploiter le multiplexage pour améliorer les performances et la vitesse.

Qu'est-ce que la 5G?

Fin 2018, la 5G New Radio (5GNR), la cinquième génération de technologie de réseau cellulaire, a été introduite. La dernière génération de communication cellulaire remanie les 4 générations précédentes et utilise le réseau cellulaire comme un fournisseur de services Internet mature capable non seulement de servir la téléphonie et la connectivité haut débit, mais aussi de prendre en charge l'infrastructure et les applications industrielles telles que l'Internet des objets,  les réseaux M2M et C-V2C. Les normes de mise en réseau pour la 5G sont élaborées dans le cadre du projet de partenariat de troisième génération (3GPP) avec une contribution de l'UIT. La connectivité 5G se fait via une communication radio avec des antennes cellulaires locales et devrait offrir des vitesses de téléchargement de 10 Gbit/s une fois pleinement réalisées. Une plus grande capacité et une plus grande bande passante sont obtenues en utilisant une plus grande partie du spectre des fréquences radioélectriques avec des bandes de fréquences bien dans la gamme des gigahertz. L'utilisation de fréquences plus élevées, qui ont généralement une portée et une pénétration plus faibles, nécessite une plus grande densité et une plus grande variété de cellules, qui peuvent fonctionner à haute, moyenne et basse fréquence, en fonction de la capacité et des vitesses les plus rapides pouvant être atteintes à des bandes de fréquences spécifiques. La mise en œuvre complète de la connectivité 5G telle que spécifiée nécessitera une nouvelle classe d'appareils compatibles.

Applications pratiques des réseaux 5G

La 5G permet des cas d'usage avancés incluant les villes intelligentes, les véhicules autonomes, l'automatisation industrielle, la robotique en temps réel, les réseaux cellulaires privés et les déploiements massifs d'IoT.

Comparaison des technologies cellulaires

Qu'est-ce que la 6G?

La sixième génération de technologie de réseau cellulaire remplacera la 5G, qui commence à peine à être déployée à l'échelle mondiale. Prévu pour une apparition à un moment donné dans les années 2030, il devrait offrir des vitesses beaucoup plus élevées, des fréquences de plusieurs gigahertz et une capacité de réseau avec une latence encore réduite. Une réduction drastique de la taille des cellules avec des réseaux d'antennes MIMO plus complexes et de nouvelles techniques de modulation sont postulées comme des moyens clés qui seront utilisés pour soutenir un futur réseau 6G. Les États-Unis, la Corée du Sud, la Chine et la Finlande sont actuellement connus pour leurs efforts visant à concevoir des normes de réseau de sixième génération adoptées à l'échelle mondiale.

Amélioration des performances du signal cellulaireLes performances des réseaux cellulaires peuvent souvent être améliorées grâce à un bon sélection, un placement et un conditionnement du signal appropriés des antennes. Les antennes externes, les configurations MIMO, les câbles coaxiaux à faible perte et les filtres spécifiques à la bande jouent tous un rôle important dans l'optimisation du débit, de la puissance du signal et de la fiabilité — en particulier pour les applications industrielles et IoT.

Conclusion

La technologie sans fil cellulaire continue d'évoluer pour répondre aux demandes croissantes de vitesse, de fiabilité et d'évolutivité. Des premiers systèmes vocaux analogiques aux futurs réseaux compatibles avec l'IA, chaque génération a élargi ce qui est possible dans les applications grand public, commerciales et industrielles. Comprendre ces technologies permet une meilleure planification, déploiement et optimisation des systèmes sans fil modernes — surtout à mesure que l'IoT et les communications machine à machine continuent de croître.