Zoom sur les technologies sans fil de demain (MU-MIMO, LTE-U, LTE Broadcast, LTE Direct et 4G++)

LTE-U, LTE Broadcast, MU-MIMO : ces noms vous disent probablement quelque chose. Et lors de notre visite dans les locaux de Qualcomm, l’entreprise nous avait certes réservé une petite session de benchmarking avec son dernier né, le Snapdragon 810, mais celle-ci fut plutôt courte : à peine une heure. Pendant un jour, nous avons eu le droit à des présentations et des démonstrations techniques de fonctionnalité davantage tournées vers la connectivité et les usages qui en découlaient. On imagine que le constructeur voulait faire oublier les rumeurs autour du Snapdragon 810 quelque temps afin de ne pas oublier qu’un SoC, c’est plus que ça. De notre point de vue, quand on peut avoir les deux (performances pures et connectivités avancées), c’est pourtant encore mieux !

Qualcomm a toujours été partie prenante lorsqu’il s’agissait de technologies cellulaires. L’entreprise ne s’est pas laissé distancer par ses concurrents et il est donc évident qu’elle sera, dans un avenir proche, un acteur de premier ordre pour les technologies sans fil. Ainsi, elle a été l’une des premières (après Intel tout de même) a lorgner du côté du Wi-Fi 802.11ad avec le rachat de Wilocity. Il faut d’ailleurs rappeler qu’avant le rachat d’Atheros en 2012, Qualcomm ne disposait pas vraiment des compétences en Wi-Fi et se limitait alors aux réseaux cellulaires. Une spécialité que l’entreprise n’oublie pas puisqu’elle pousse énormément pour faire de la LTE-U un standard. Nous aborderons donc au fil de ce dossier les technologies Wi-Fi et LTE qui nous attendent ces prochains mois et ces prochaines années afin de remporter, ce que Qualcomm appelle « the 1000x data challenge » en faisant référence à la multiplication du volume des données échangées sur Internt.

Wi-Fi MU-MIMO : un réseau Wi-Fi (souvent) plus rapide

Si vous n’êtes pas familier avec le Wi-Fi, nous vous recommandons tout d’abord la lecture de notre dossier sur le sujet. Le Wi-Fi MU-MIMO (pour Multi User Multi Input Multi Output) est rendu possible par la norme 802.11ac. Mais tous les appareils en 802.11ac ne seront pas forcément compatibles avec le MU-MIMO. L’objectif de cette nouvelle fonctionnalité est d’augmenter la bande passante Wi-Fi dans un environnement fortement connecté avec plusieurs ordinateurs, smartphones et tablettes.

Pour mieux comprendre, il faut savoir comment fonctionne actuellement le Wi-Fi, en mode SU-MIMO (Single User Multi Input Multi Output). Dans ce mode, le routeur envoie les données à chacun des terminaux les uns après les autres, avec la bande passante maximale de chaque appareil. En MU-MIMO, le routeur est capable d’envoyer les données à tous les terminaux en même temps, toujours en utilisant la bande maximale de chaque appareil. Dans les faits, le signal (ou plutôt les signaux) n’est pas omnidirectionnel, mais directionnel, vers chaque appareil. Le beamforming permet de modifier la direction de chaque signal ainsi que leur puissance pour optimiser le trajet vers les terminaux et éviter les interférences avec les autres appareils. Ainsi, tous les terminaux MU-MIMO du même groupe (4 maximum par groupe) peuvent recevoir les données en même temps et non plus les uns après les autres, diminuant la latence et augmentant les performances.

Dans le cas où le routeur doit envoyer des données à plus de 4 appareils, il créera différents groupes (jusqu’à 64). Les appareils d’un même groupe recevront les données en même temps alors que les terminaux des autres groupes devront patienter que ce soit au tour de leur groupe de recevoir leur information. Encore faut-il que chaque appareil dispose d’une puce compatible MU-MIMO. Si ce n’est pas le cas, le terminal en question fonctionnera en mode SU-MIMO, mais bénéficiera tout de même du mode MU-MIMO. En effet, les terminaux du réseau compatibles MU-MIMO auront moins besoin de temps pour récupérer les données (puisqu’ils le font tous en même temps), libérant alors du temps de connexion et donc de la bande passante pour les appareils SU-MIMO.

Cette technologie est censée apporter des performances 2 à 3 fois supérieures à un mode SU-MIMO. Toutefois, ce chiffre ne sera pas forcément atteint dans la pratique. Il faudra pour cela des conditions idéales, à commencer par les appareils connectés en Wi-Fi. Ceux-ci devront en effet intégrer une puce compatible MU-MIMO. Il faut aussi noter que le MU-MIMO fonctionne uniquement en download et non pas en upload. Dans ce cas, c’est le SU-MIMO qui se met en route.

Un détail intéressant : les appareils au sein d’un groupe MU-MIMO pourront se servir de l’ensemble de leur stream (jusqu’à 4) sans réduire le nombre de streams des autres terminaux, même si le routeur ne supporte que 4 streams maximum. Le nombre de streams conditionne le débit maximum de chaque appareil. Dans un smartphone, les constructeurs se limitent pour la plupart à un stream, mais montent à deux streams dans les tablettes à et quatre voire huit streams dans les ordinateurs. Le débit théorique maximum est doublé à chaque fois que le nombre de streams est doublé.

Pour synthétiser, le MU-MIMO permettra dans tous les cas d’augmenter les performances des réseaux Wi-Fi domestiques, du moment qu’au moins deux terminaux sont compatibles avec cette fonctionnalité. Pour le moment, quelques routeurs sont déjà compatibles avec le MU-MIMO et les terminaux devraient arriver rapidement puisque de nombreux Snapdragon sont déjà compatibles.

LTE-U : un mix entre le Wi-Fi et la 4G

Qualcomm souhaite faire coexister le Wi-Fi et la 4G de manière un peu plus performante. Pour le moment, ces deux signaux sont totalement incompatibles. L’idée de Qualcomm est d’utiliser l’agrégation permise par la norme 3GPP Rel 10 en 2013 pour lier la 4G avec le Wi-Fi. Qualcomm est le constructeur qui pousse le plus ce standard – aussi appelé U-LTE par Huawei ou encore LAA (Licensed-Assisted Acces) par le 3GPP – et on comprend aisément puisque l’entreprise dispose des compétences dans le monde cellulaire avec ses modems et dans le monde Wi-Fi avec sa branche Atheros.

Jusqu’à présent, la seule cohabitation possible entre la 4G et le Wi-Fi, c’était la continuité. Le téléphone commençait par exemple un téléchargement en 4G qu’il finissait en Wi-Fi, en se connectant par exemple automatiquement à une box appartenant à l’opérateur ou à son routeur domestique. Dans le futur proche, il sera possible d’agréger ces deux connexions pour un meilleur débit et des capacités plus élevées pour les réseaux des opérateurs. Cerise sur le gâteau, la 4G dans le spectre non licencié permettra aux réseaux Wi-Fi actuels d’être légèrement plus performants, car moins saturés.

Pour commencer, la 4G est dite de type non licenciée puisqu’elle utilise la bande de fréquence libre des 5 GHz également utilisée pour certains types de Wi-Fi 802.11n et ac. Toutefois, la LTE-U n’utilise pas les mêmes protocoles que le Wi-Fi, mais plutôt les protocoles de la 4G sur la bande du Wi-Fi. Ce qui permet, en théorie, de doubler les débits d’un hotspot utilisant la LTE-U à la place du Wi-Fi, pour une même puissance d’émission. On peut donc imaginer un routeur compatible Wi-Fi, mais aussi LTE-U pour s’adapter à tous les types d’appareils.

On pourrait craindre des interférences en hausse avec toutes ces fréquences qui se marchent sur les pieds, mais apparemment ce n’est pas le cas. Les normes 3GPP Rel 10 et 3GPP Rel 13 imposent en effet des conditions de fonctionnement de la technologie pour éviter d’interférer avec le Wi-Fi. Ainsi, la borne LTE-U devra d’abord écouter son environnement pour choisir un canal libre. Si aucun canal libre n’existe, alors la borne pourra en partager un avec d’autres appareils Wi-Fi. Pour le faire dans les meilleures conditions possible, la borne utilisera deux techniques différentes selon le pays (Carrier Sensing Adaptive Transmission pour le 3GPP Rel 10 ou Listen Before Talk pour le 3GPP Rel 13), mais qui ont toutes les deux le même objectif : émettre pendant un temps relativement court (entre 20 et 100 ms ou 1 et 10ms selon les normes) pour laisser la « place » au Wi-Fi. Qualcomm a réalisé une démonstration convaincante où les bornes LTE-U n’avaient aucune incidence négative sur les bornes Wi-Fi. Au contraire, à chaque fois qu’une borne Wi-Fi était désactivée pour fonctionner en LTE-U, les autres bornes Wi-Fi profitaient d’un signal un peu plus propre avec un meilleur débit.

En Europe et au Japon, il faudra attendre l’arrivée du standard 3GPP Rel 13 pour 2016 alors qu’aux États-Unis, en Corée, en Chine et en Inde, la LTE-U peut d’ores et déjà être mise en place en se basant sur la norme 3GPP Rel 10 qui autorise l’agrégation. Les opérateurs T-Mobile aux États-Unis et NTT DOCOMO au Japon ont déjà annoncé leur intention de tester cette technologie dans le courant de l’année. Ericsson et Huawei sont déjà prêts à proposer des points d’accès compatibles.

En pratique, les opérateurs pourraient donc déployer des points d’accès dans les lieux publics ou chez les particuliers. Les téléchargements seraient ainsi bien plus rapides puisque les smartphones compatibles pourront agréger le Wi-Fi avec la 4G, de manière totalement transparente pour l’utilisateur. Certains souligneront le fait qu’il est déjà possible avec certains terminaux (notamment chez Samsung) de réaliser une telle opération. Or cette capacité ne concerne que des fichiers volumineux (plus de 30 Mo) et ne peut fonctionner qu’une fois le terminal connecté à un réseau Wi-Fi connu. La solution des opérateurs devrait être plus fermée et, par exemple, uniquement compatible avec leurs box ou celles de leurs clients.

Pour le moment, on ne sait pas vraiment quels terminaux seront compatibles avec la LTE-U. Sûrement les appareils compatibles 3GPP Rel 10 avec une simple mise à jour logicielle aux États-Unis, en Corée, en Chine et en Inde. En revanche, en Europe et au Japon, il faudra attendre l’arrivée du standard 3GPP Rel 13 en 2016.

LTE Broadcast : une bande passante 4G non partagée

Le principe des réseaux cellulaires est le partage de ressources entre les différents utilisateurs de la cellule. Par exemple, une antenne capable de délivrer un débit de 150 Mbps devra diviser celui-ci en autant de fois qu’il y a d’utilisateurs connectés. Dans les zones densément peuplées et fortement connectées, on arrive souvent à saturation et les opérateurs se trouvent obligés de renforcer le maillage des antennes existantes pour augmenter les capacités. Parfois, les utilisateurs se connectent à l’antenne pour recevoir la même information. C’est l’idée du LTE Broadcast (aussi appelé LTE Multicast) : envoyer la même information à tous les utilisateurs, ce qui permet de ne pas diviser la bande passante, et de garantir la même pour chaque utilisateur. Ainsi, l’antenne envoie les données et les utilisateurs présents dans la zone de réception les reçoivent. L’envoi des données n’est donc plus individualisé, permettant de garantir le débit maximum pour chaque utilisateur.

Encore faut-il que tous les utilisateurs souhaitent recevoir les mêmes données. On peut facilement penser à quelques exemples intéressants. C’est notamment le cas d’un match de foot au cours duquel les organisateurs souhaiteraient diffuser les replays sur les appareils mobiles. Au lieu de passer par un réseau Wi-Fi nécessitant un partage de débit et l’installation de centaines voire de milliers de bornes en raison d’un signal faible, le LTE Broadcast permettrait d’utiliser une (ou plusieurs) antenne(s) 4G autour du stade pour diffuser les replays sur les téléphones de tous les spectateurs, dans une qualité optimale puisqu’on serait sur des débits de plusieurs dizaines voire centaines de Mbps. Une idée impossible à réaliser en 4G standard du fait du partage de bande passante et encore moins en Wi-Fi. À titre d’information, les ingénieurs de Qualcomm ont réussi à transmettre un flux UHD (4K) à 30 images par seconde avec une bande passante de 10 MHz. Une autre solution serait de mixer LTE Broadcast avec LTE-U. L’opérateur installe des femtocells et les configure pour qu’elles diffusent un seul flux, en LTE Broadcast, dans la bande 5 GHz. Le fonctionnement est ensuite le même qu’en LTE Broadcast standard : la bande passante n’est pas divisée entre les utilisateurs. Cela permet de déployer la LTE Broadcast dans un endroit isolé qui capte mal la 4G.

On peut aussi imaginer diffuser des émissions de télévision de la sorte. L’opérateur pourra ainsi décider quelle partie de son spectre il dédie à la diffusion en LTE Broadcast. L’opérateur a le choix de dédier une antenne complètement à la diffusion en LTE Broadcast ou seulement une partie, pour que les autres utilisateurs puissent continuer à se servir des autres services (Internet, voix, SMS, etc.). Sur une antenne, il est aussi possible de choisir le nombre de flux à diffuser et permettre, par exemple, aux supporters d’un match de foot de choisir le flux de la caméra qu’ils souhaitent visionner sur leur smartphone. On peut aussi penser aux mises à jour des systèmes d’exploitation qui prennent énormément de ressources ou encore à la diffusion de messages d’alerte. À terme, il est même possible que la diffusion des programmes télévisés passe uniquement par ce biais. Ce permettrait en effet de libérer de l’espace au sein du spectre électromagnétique pour augmenter les capacités des réseaux mobiles.

Cette technologie est déjà disponible dans de nombreuses puces de Qualcomm depuis la sortie du Snapdragon 800. Pour les terminaux actuels, une mise à jour logicielle suffit donc à les rendre compatibles avec la LTE Broadcast. Orange a déjà réalisé une expérimentation à Rolland Garros l’an dernier. Il était ainsi possible de visionner 4 flux différents sur une tablette recevant les informations en LTE Broadcast.

LTE Direct : la technologie du futur ?

Le LTE Direct est la technologie qui verra surement le jour plus tard que les autres. Derrière ce nom, se cache la possibilité pour les appareils de se connecter directement entre eux, sans passer par l’antenne relais. C’est un cousin du Wi-Fi Direct et du Bluetooth, mais de manière beaucoup plus efficace énergétiquement avec une portée également accrue puisqu’il est question de 500 mètres entre les appareils dans des conditions optimales. On peut ainsi imaginer plusieurs scénarios, le premier étant par exemple celui d’un réseau social de rencontres. On règle ses préférences et le mobile nous informe lorsqu’une rencontre potentielle se situe dans le périmètre. Cela peut aussi servir pour les services : on cherche à acheter un bien particulier et lorsque le téléphone détecte un vendeur potentiel à proximité, il le signale.

Mais l’information peut également passer par des bornes LTE Direct dans les magasins. On cherche à manger un type de nourriture ou l’on souhaite acquérir un bien particulier : dès lorsque l’utilisateur se trouve à proximité d’un magasin susceptible de l’intéresser, la borne du magasin va faire apparaître un message sur le terminal de l’utilisateur. Cela fait penser aux bornes beacon, mais avec une portée largement supérieure. Ça vous fait froid dans le dos ? C’est peut-être le signe que cette technologie est trop en avance sur son temps bien que l’idée soit intéressante. Laissons-nous encore quelques années avant de nous habituer à ce genre de technologies qui pourraient bien devenir notre quotidien. LTE Direct devrait toutefois faire son apparition dans le standard 3GPP Rel 12.

4G++ : ça arrive

Qualcomm a également abordé ses modems, sous le nom de Gobi bien qu’ils portent désormais le nom de Snapdragon X. On sait depuis quelque temps que le Gobi 9×45 (désormais Snapdragon X12) supportera la 4G++ à 450 Mbps (catégorie 10), tout comme le Snapdragon X10 (catégorie 9), mais limité à 50 Mbps en upload contre 100 Mbps pour la catégorie 10. Bouygues Telecom devrait justement lancer son réseau 4G++ à la fin de l’année. Le Snapdragon X10 est déjà intégré dans le Snapdragon 810 alors que le Snapdraon X12 sera disponible dans les terminaux d’ici la fin de l’année.

Et les opérateurs dans tout ça ?

Parmi ces quatre technologies, seulement une est indépendante des opérateurs : le MU-MIMO. Toutes les autres (LTE-U, LTE Broadcast et LTE Direct) sont totalement dépendantes des opérateurs et de leur volonté de les mettre en place ou non. Cela implique donc des conséquences au niveau des utilisateurs. Si un particulier peut se créer un réseau MU-MIMO en achetant seulement un routeur et des appareils compatibles, il devra choisir un forfait mobile supportant la LTE-U, LTE Broadcast et LTE Direct pour profiter de ces technologies. Le risque est donc que les opérateurs profitent de ces nouvelles technologies pour proposer de nombreuses options payantes et pas forcément intéressantes financièrement. À voir dans les faits, d’ici quelques mois ou quelques années selon les technologies et les opérateurs. En tout cas, avec ces nouvelles technologies, les opérateurs pourraient bien jouer un rôle bien plus important qu’actuellement où ils se contentent d’apporter une connexion cellulaire aux utilisateurs.