Comment fonctionne la 4G

Vous êtes perdu dans une ville de 6 millions d'habitants. Il est minuit, vous êtes dans un quartier effrayant et vous avez désespérément besoin d'un itinéraire pour vous rendre à votre hôtel. Aucun problème. Sortez simplement votre smartphone, qui vous sortira de cette situation délicate en fournissant des cartes détaillées et interactives.

Il n'y a qu'un seul problème : la connexion de données de votre téléphone est extrêmement lente et exaspérante. Si lent, en fait, que vous abandonnez finalement votre maudit téléphone. Et puis vous achetez une carte dans une station-service.

Sans une connexion de données rapide, votre smartphone semble plutôt stupide. Peu importe le prix ou la fantaisie de votre téléphone, vous dépendez toujours d'un réseau sans fil pour livrer la marchandise - les données, l'élément vital de tout ce qui est numérique. Et la génération actuelle de réseaux 3G (troisième génération), bien que rapide, ne peut souvent pas fournir une expérience Internet mobile fiable.

Ce dont votre smartphone souffrant a vraiment besoin, c'est du type de service Internet à large bande (haut débit) auquel vous accédez sur votre ordinateur personnel. Vous avez besoin du haut débit mobile . Vous avez besoin de 4G. Et tout le monde aussi.

En 2009, pour la première fois, le trafic réseau pour le haut débit mobile a dépassé le trafic pour les appels vocaux [source : Ericsson ]. Et la demande de données sera 33 fois plus élevée d'ici 2020 [source : 3GPP ]. Alors que de plus en plus de personnes achètent des appareils mobiles qui nécessitent beaucoup de données, les réseaux doivent suivre le rythme.

Pour ce faire, les fournisseurs de services (appelés transporteurs ou opérateurs selon votre localisation) investissent massivement dans leurs infrastructures, c'est-à-dire le matériel et les logiciels qui rendent possible les communications cellulaires. Selon certaines estimations, ils dépenseront jusqu'à 53 milliards de dollars rien qu'aux États-Unis, en grande partie pour soutenir l'expansion de réseaux plus rapides, souvent appelés 4G (quatrième génération) [source : Fool.com ].

Mais que sont exactement les réseaux 4G ? Et pourquoi font-ils l'objet de tant de publicités bruyantes et impétueuses ? Qu'est-ce qui les différencie des réseaux 2G traditionnels, qui fonctionnaient principalement pour les appels vocaux ? Et comment différencier un réseau 4G d'un réseau 3G ?

Les réponses ne sont pas toujours aussi claires que nous le souhaiterions. En un sens, le monde de la 4G est aussi désorientant que d'être perdu dans une mégalopole sans votre collection de cartes en ligne.

Mais n'ayez pas peur. Nous vous guiderons à travers les acronymes et les circonvolutions marketing et vous guiderons à travers les gratte-ciel de techno mumbo-jumbo. En cours de route, nous vous montrerons comment la vitesse 4G fractionnée en un clin d'œil pourrait faire entrer l'Internet mobile dans une nouvelle ère.

1. L'évolution sans fin du sans fil
2. La 4G est tout IP
3. La recette complète de la 4G
4. La place de l'interface aérienne
5. Le réseau Vivant, Respirant
6. Le champ de bataille du haut débit mobile
7. L'impact et l'avenir de la 4G
8. Comment fonctionne la 4G : note de l'auteur

Les réseaux sans fil sont un méli-mélo de technologies diverses et qui se chevauchent. Peu importe à quel point les acronymes sont alambiqués, cela se résume toujours à ceci : les réseaux sans fil sont des systèmes radio. Vous pouvez en savoir plus sur les bases de la technologie des téléphones portables dans Comment fonctionnent les téléphones portables et Comment fonctionnent les smartphones .

Quelle que soit la technologie sans fil qui domine votre partie du monde, vous avez quelque chose en commun avec le reste de la planète : vous faites partie de l'explosion du sans fil. Il y a près de 6 milliards d'abonnements de téléphonie mobile actifs dans le monde [Source : 4G Americas ], et les téléphones mobiles deviennent de plus en plus populaires.

Pour répondre aux demandes de milliards d'utilisateurs de téléphones sans fil, les réseaux doivent changer et s'adapter pour gérer plus d'utilisateurs et plus de données. Chaque saut dans les performances ou les capacités du réseau est désigné (souvent vaguement) comme une soi-disant nouvelle génération.

Les réseaux 1G (première génération) de la vieille école , construits dans les années 1980, étaient analogiques et ne transportaient que des appels vocaux. Au début des années 1990, la 2G numérique (deuxième génération) a commencé son ascension, permettant des services de données de base tels que la messagerie texte et le courrier électronique.

Les réseaux 3G ont commencé à se répandre au début des années 2000, et avec eux, le concept d'Internet mobile s'est également développé. Avec une connexion rapide, vous pouviez surfer sur le Web, lire de l'audio en streaming, même si l'expérience était parfois lente et obscène.

Ensuite, les consommateurs ont commencé à réclamer des capacités mobiles encore plus fabuleuses et centrées sur le Web. Les appareils mobiles dotés de capacités avancées et gourmandes en données ont explosé en nombre. Entre-temps, les infrastructures de réseau ont commencé à craquer sous le poids d'immenses demandes de données.

La 3G avait besoin de plus de punch. Il était temps que les réseaux sans fil évoluent à nouveau, cette fois pour fournir un service haut débit mobile plus rapide. Ce moment est venu.

De nos jours, les lignes générationnelles du réseau sont un peu plus déroutantes. Il n'y a pas de norme universellement reconnue pour la 4G.

Ainsi, les systèmes plus rapides que la 3G sont souvent appelés 3,5G ou 3,9G, ou simplement 3G+. Cependant, les campagnes marketing des grands opérateurs, toujours à la recherche d'un avantage concurrentiel, désignent ces réseaux sous le nom de 4G. En bref, la 4G n'est qu'un terme marketing. Cela signifie seulement qu'un réseau est plus rapide que la 3G. C'est ça.

Mais il existe différentes saveurs de 4G, ou haut débit mobile. Sur la page suivante, vous verrez en quoi la 4G est différente de ses ancêtres sans fil, puis plongez dans les détails de ce qui la rend tellement plus rapide que les premiers systèmes 3G.

Vous savez déjà que la 4G n'est qu'un système radio avancé . Le défi pour les ingénieurs et les programmeurs est de regrouper autant de données numériques dans chaque signal radio, maximisant ainsi la vitesse et l'efficacité du réseau dans son ensemble.

Comme la 3G, les réseaux 4G sont basés sur IP (protocole Internet), ce qui signifie qu'ils utilisent un protocole de communication standard pour envoyer et recevoir des données par paquets . Contrairement à la 3G, cependant, la 4G utilise l'IP même pour les données vocales. C'est une norme tout IP .

Grâce à ces paquets standardisés, vos données peuvent traverser toutes sortes de réseaux sans être brouillées ou corrompues. Pour envoyer et recevoir des paquets, votre téléphone doit d'abord communiquer avec une station de base. Une station de base n'est que le langage de l'industrie pour ces hautes tours cellulaires fixées avec toutes sortes d'équipements d'antenne ; une station de base relaie les données vers et depuis Internet et votre appareil mobile.

Il existe de nombreuses méthodes différentes (appelées interfaces hertziennes ) pour établir une liaison entre la station de base et le téléphone. Vous pouvez en savoir plus sur les interfaces aériennes plus anciennes et leur enchevêtrement d'acronymes ici dans Comment fonctionnent les téléphones portables . Nous aborderons plus tard les nouvelles interfaces aériennes 4G.

Nous ne vous aveuglerons pas ici avec les définitions de chaque acronyme, mais les interfaces 3G courantes incluent CDMA2000, HSPA, 3G LTE, EV-DO Révision B, DO Advanced et Mobile WiMAX, pour n'en citer que quelques-unes. Chacune de ces interfaces transfère des données de différentes manières par le biais d'ondes radio dans un spectre donné. Vous pouvez rapidement passer en revue ces technologies plus anciennes ici .

Actuellement, les systèmes 4G ne sont pas vraiment entièrement IP, simplement parce qu'il y a encore beaucoup de chevauchement entre les réseaux 3G et même 2G dans divers pays et dans le monde. Mais à mesure que l'infrastructure 4G progresse, le système de livraison de données tout IP sera plus pleinement réalisé.

Cette idée du sans fil basé sur IP n'est qu'un facteur qui définit la 4G. Sur la page suivante, vous verrez que beaucoup plus d'ingrédients entrent dans la recette qui donne des performances 4G savoureuses.

La 4G n'est pas révolutionnaire. C'est juste une évolution qui améliore considérablement l'expérience Internet 3G. Par rapport aux réseaux 3G, la 4G présente des avantages spécifiques.

L'amélioration de la vitesse est le facteur qui pourrait vous intéresser le plus. Avec la 3G, les smartphones voient généralement des vitesses de téléchargement allant jusqu'à environ 2 Mbps (mégabits par seconde). En comparaison, la 4G pourrait passer à la vitesse supérieure, à environ 3 à 5 Mbps ; c'est à peu près la vitesse que de nombreux ordinateurs domestiques reçoivent via un modem câble ou DSL .

Les vitesses 4G pourraient éventuellement aller beaucoup plus vite, mais pour l'instant, vous pouvez ignorer ces vitesses de 100 Mbps qui circulent sur les Intertubes. Ce sont des débits de données théoriques qui ne se produiront pas de sitôt dans le monde réel.

Mark Murphy, responsable de l'innovation chez Ericsson, affirme qu'au-delà de la vitesse, la 4G présente d'autres caractéristiques qui la distinguent des technologies plus anciennes.

La 4G a une plus grande capacité , ce qui signifie qu'elle peut prendre en charge un plus grand nombre d'utilisateurs à tout moment. Il arbore des débits de données plus élevés , de sorte que les applications multimédia telles que les appels vidéo ou les clips YouTube fonctionnent plus facilement. Avec une tour 3G, environ 60 à 100 personnes peuvent partager le signal et obtenir un service rapide et fiable. Une tour 4G LTE (Long Term Evolution) peut cependant desservir environ 300 ou 400 personnes.

Et la 4G offre une latence réduite. Avec moins de latence ou de retard, vous voyez une réponse plus immédiate à vos commandes, ce qui est particulièrement utile lorsque vous jouez à des jeux en ligne rapides ou que vous contrôlez à distance une voiture ou un robot. Un réseau qualifié de vitesse en temps réel a une latence de 50 ms (millisecondes) ou moins ; La 4G LTE a une latence d'environ 20 à 40 ms seulement. Une faible latence signifie également que les appels vocaux n'ont pas de décalage ou d'écho, d'écho, d'écho.

La 4G est plus efficace spectralement que la 3G. Considérez le spectre radioélectrique comme un tuyau d'un certain diamètre ; seulement autant de données peuvent passer par ce tuyau à la fois. Mais la 4G utilise des schémas de codage intelligents pour augmenter considérablement la quantité de données qui se précipite dans le spectre. En fin de compte, il délivre plus de bits par hertz que la 3G.

But what it is about 4G that actually drives these improvements? Keep reading and you'll see how 4G gets its real horsepower.

You probably haven't paused to consider which language your phone is speaking. That so-called language is the air interface, the standardized communications protocol that your mobile device uses to communicate with a base station.

If you've ever seen a smartphone commercial (commence scoffing), you've seen the acronyms for various air interfaces, such as 4G LTE, WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access), HSPA+ (High Speed Packet Access) and more. Air interfaces have one major element in common – they all coordinate network traffic, telling devices when to send and receive data. But they differ in how they accomplish this task.

The WiMAX system is similar to your home or office WiFi protocol. It's largely fallen by the wayside as carriers choose other interfaces like LTE and HSPA+.

With LTE, devices can transmit and receive simultaneously because they use different frequencies for these tasks. LTE uses OFDM (orthogonal frequency division multiplexing), which divides a signal into parallel data streams that travel radio sub-channels. That signal is pieced together by processors at the other end.

LTE (and HSPA+) also employs another method called MIMO (multiple input multiple output). MIMO relies on multiple antennas and transmitters in both the phone and base station and enables simultaneous up- and download transmission.

HSPA+ is backwards-compatible with older 3G systems. LTE is not. But HSPA+ isn't the way of the future. Rather, it's a method for squeezing more life from existing infrastructure.

LTE, however, will be around for a while. LTE networks are called long-term evolution because carriers want to stick with this technology for a long time, rather than blow scads of cash to upgrade infrastructure every few years. LTE is considered a good long-term option because it's easier to scale up for greater capacity and performance.

Right now you won't find much in the way of pure 4G LTE networks. Instead, networks everywhere are still a hodgepodge of 3G and 4G, and even 2G technologies and air interfaces. In many areas, 2G, 3G, and 4G coverage overlap. You can see an overview of coverage with the interactive maps at OpenSignalMaps. As a result, even so-called 4G phones actually come with 3G chips so that they can access 3G and 3G+ networks.

Tighten your grip on your cell phone. On the next page, you'll see why your phone -- and your network --is getting faster and scary smart.

4G LTE trumps many of 3G's limitations and adds a whole range of synapse-snapping capabilities. Be advised – if the "Terminator" and "Matrix" films frightened you, consider skipping ahead to the next page.

Archaic 1G and 2G networks are stupid, technologically speaking. But 4G networks are, in a sense, intelligent machines. For example, they're better equipped to deal with unexpected congestion caused by random world events, such as traffic jams. When thousands of people are suddenly stuck on a highway, they start using their phones , which causes a major spike in demand for data services in that area.

In this situation, 3G systems balk and stumble, leaving users frustrated. The more sophisticated, self-organizing and self-configuring 4G systems, however, can compensate on the fly and provide faster service for more people. Similarly, power outages and equipment failures often cripple 3G systems. But thanks to sensors and advanced software, a 4G system has self-healing capabilities that let it route traffic through other towers until repairs are made.

The startling part is that 4G networks can perform such workarounds without human intervention. In a sense, says Wojtek Felendzer, technical solutions marketing manager at Nokia Siemens Networks, these systems are the biggest machines that humankind has ever built, stretching from coast to coast and across the world. And for the first time, they are getting smart enough to fix themselves.

In spite of all of this, 4G really isn't a radical new technology. In fact, "People in this industry sometimes say that nothing new has been invented in the past 100 years," said Felendzer. It's just a new way of combining established knowledge with more powerful processing equipment. Take your smartphone as evidence. Many such phones now have dual-core processors, which equates to computing power unheard of just a few years ago.

So if you've ever feared a tech takeover, it may soon be time to head for your bunker in the wilderness. Until then, keep reading and you'll see how you can watch a war of a different sort, between the network operators.

More 3G Lowdown

3G networks reserve the same amount of spectrum for both sending and receiving data. But smartphones and other devices receive far more data than they send, which is why 4G networks assign far spectrum for receiving, and as result, achieve better overall speed.

Everywhere you go, you see those brash, frenetic ads for both smartphones and wireless broadband. In this bloodthirsty, cutthroat industry, carriers are desperate to lure subscribers. To win more subscribers, carriers try to build the fastest networks with the greatest geographical and population coverage.

To build those networks, they need spectrum. Other than capital for building infrastructure, spectrum is the single most vital resource for carriers. It is, in business parlance, what's called a constraining resource.

Spectrum is the range of radio frequencies that government agencies auction to carriers, and in each area there's only so much spectrum to go around. Carriers go to battle with each other for that limited spectrum. Those with spectrum access can provide the best reception for their customers, and thus haul in more subscribers and revenue.

Spectrum is extravagantly expensive. For example, in a bid to expand its 4G network, AT&T paid nearly $2 billion for a block of 700 MHz spectrum that covers roughly 300 million people in the United States [source: Apple Insider].

With older technologies, carriers needed a contiguous block of spectrum in order to provide service. Advanced air interfaces, such as LTE, can use a lot of different frequencies, such as 700 MHz, 900 MHz, 1.7 GHz, 2.1 GHz and dozens more. Not all frequencies are equal, though.

Lower frequencies such as 700MHz are the most desirable, because they settle, much like a dense fog, and they're capable of penetrating obstructions like buildings. By contrast, higher frequencies work in a line-of-sight fashion and they're more easily scattered by random objects and other interference. Thus, carriers that want to provide the more reliable and speedy service lust after spectrum in lower frequencies.

Once a carrier has the spectrum, it can begin upgrading subnets of its networks, piece by piece. The hardware that's replaced generally isn't the cell tower equipment that you see by the highway or on tall buildings. Instead, engineers start by replacing routers and servers to new versions that will scale up easily as more capacity is required in the future.

And the future is always, always on the minds of wireless experts. Keep reading for glimpses into the next era of cell communications, beyond even today's freaky-fast 4G.

3G By Any Other Name

All carriers in the U.S. offer service that's faster than the 3G standard. They call these networks 4G even though there's no agreed-upon 4G definition. HSPA and CDMA/EV-DO are two types of networks with very fast, albeit 3G, speeds.

"Ubiquitous 4G will be a game-changer," says Richard Karpinksi, senior mobility analyst at Yankee Group. "It will impact business, education, retail and much more."But carriers and their data-loving users should be realistic about the speeds 4G promises. "Once any network begins to become fully-loaded with users it begins to slow down." That's why he says that if a large number of mobile users are able to see download speeds between 10 to 20Mbps in the next couple of years, it will be a significant accomplishment.

Although you likely won't see stream HD video anytime in the next few years, 4G will enable glitch-free video calls, YouTube videos, and more. That's of course if you're willing to pay for them. Data plans on 4G networks will be pricy compared to 3G, and you may face data caps that hamper the fun.

That's why you'll see carriers offering more on-demand quality of service upgrades. For example, imagine that you're waiting for the kids to finish their shopping at the mall and you want to watch a football game on your phone. You've already reached your data limit; plus, there are so many people at the mall that the system is slow. But you can authorize a one-time charge to your account, receive a temporary upgrade in service and speed, and watch the game in real-time.

Of course, that's all provided that your battery isn't dead. Because 4G signals are sparser than 3G, phones expend more power searching for 4G reception, meaning you might not even get a single full day out of your phone. Plus, the phones themselves are getting more powerful features that also kill batteries in a hurry. These devices will need beefing up in order to keep pace with their own capabilities.

The Web continues to sprawl across our world, both virtually and in the hardware and software that makes it work. No matter where you live, you can expect that faster, more powerful 4G networks will eventually arrive, heralding a new era of mobile Internet access. If you're a tech and gadget lover, you'll rejoice at the expanding reach of these wireless technologies – the Internet , and the world, will soon be at your fingertips like never before.

And Then, LTE Advanced

It won't be long before you start to hear more about carriers upgrading their LTE networks to LTE Advanced. Still under development, this standard could make your current 3G smartphone 100 times faster.

Famously anti-social, I waited longer than any of my friends to buy a cell phone. The idea of phone calls ringing in my pants pocket while I was out fishing or camping was positively horrifying. No one, I thought, needs to be able to call me whenever they feel like it, even my insistent friends.

Eventually, I caved. I bought a brick-sized model and carried it far into the flip-model age, at which point my "friends" once again began mocking my technological deficiencies. I ignored the catcalls and kept the phone for six long years; it was still working just fine when another friend forcibly dragged me to a shop and made me buy a shiny blue flip phone with fancy texting features.This was the beginning of the end of my stubborn resistance to cell phone culture.

But it's not the calling or communications capabilities that hooked me. It's the fact that these devices are now wildly powerful, pocket-sized computers that can serve up critical (or just trivial) information of every kind no matter where you happen to be. With 3G networks, this kind of ubiquitous data is often spotty and exasperating to use. 4G, however, will realize the mobile Internet dream. Camping in the wilderness and you forgot to buy Tom Petty concert tickets? No problem. With 3G you might have been out of luck, but 4G will help you get those first-row seats

4G won't change everything. You still won't catch me fielding phone calls while I'm trying to catch largemouth bass. But you can bet that I'll be using 4G to keep an eye on the weather radar, check satellite maps for hidden fishing holes and locate remote camping spots so that I can disconnect for a while and just enjoy the solitude. Even with 4G, my smartphone still has an Off button.

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Sources