9 septembre 2016 L’histoire du téléphone portable, des années 80 à nos jours

Le téléphone portable est devenu un objet du quotidien. D’ailleurs, certains n’imaginent plus leur vie sans smartphone. L’émergence de la téléphonie dite « mobile » a été une véritable révolution technologique et une évolution majeure dans la vie des consommateurs qui sont, pour la plupart, connectés en permanence. Retour sur l’histoire du téléphone portable, des années 80 à nos jours.

Entre les premiers modèles de téléphones mobiles sortis dans les années 80 et les smartphones d’aujourd’hui, l’évolution du téléphone portable semble fulgurante. Elle s’est accompagnée d’une amélioration du réseau de téléphonie mobile, passant de la 1G à la 4G et peut-être bientôt la 5G.

Avis aux amateurs de smartphones et tablettes en tous genres : ce dossier est fait pour vous ! Nous vous présentons ici l’histoire, somme toute brève, du téléphone portable, des années 80 à nos jours.

Du premier réseau français de téléphonie mobile, Radiocom 2000, à l’ère du tout connecté avec la 4G (la quatrième génération de la téléphonie mobile, en cours de déploiement en 2015), jusqu’à la 5G, encore au stade de recherche : partez pour un voyage dans le temps et découvrez l’évolution du téléphone portable. Ce dossier a été réalisé par Dominique Nussbaum, chef de projet à l’institut Eurocom Sophia-Antipolis. L’occasion pour lui de présenter les projets d’avenir de la téléphonie mobile sur lesquels il travaille.

La technopole de Sophia Antipolis est, depuis plus de 40 ans, un centre d’innovation technologique unique en Europe. Au cœur d’un milieu naturel préservé, le « Saint-Germain aux champs » selon le modèle de ses créateurs, regroupe de nombreux centres d’enseignement supérieurs et de recherche (regroupés sou le label Université Côte d’Azur, UCA), ainsi que nombre de leaders industriels mondiaux dans les domaines du numérique, du logiciel des biotechnologies et de la microélectronique. Véritable berceau des télécommunications sans fils depuis les années 1970, Sophia a vu naître de nombreux standards de téléphonie sans fil.

Radiocom 2000, premier réseau français de téléphonie mobile

L’histoire du téléphone portable est assez simple à décrire, à chaque décennie sa génération : la 1G dans les années 80 (avec le réseau Radiocom 2000), la 2G dans les années 90 (avec l’apparition du GSM), la 3G pour les années 2000 (avec l’avènement de l’UMTS). Zoom sur Radiocom 2000, premier réseau français de téléphonie mobile.

Contrairement à une idée reçue, le passage d’une génération à une autre ne s’accélère pas. Il est plutôt d’une durée constante. Il y a plusieurs raisons à ce phénomène : d’une part la complexité des systèmes augmente exponentiellement d’une génération à une autre et d’autre part chaque génération nécessite l’installation d’antennes relais spécifiques. Cette opération, appelée « déploiement », prend du temps, de une à plusieurs années. Il faut enfin qu’une génération soit utilisée un certain temps, quelques années au moins, pour que le déploiement soit rentabilisé. Chaque génération finance ainsi la suivante, les revenus de la 2G/3G ayant par exemple financés la 4G.

Les années 80 et les premiers téléphones mobiles

L’idée de pouvoir communiquer tout en se déplaçant est assez ancienne, puisqu’elle remonte à la fin du XIXe siècle avec les travaux de Marconi. Cette idée est tout d’abord appliquée au télégraphe sans fil dans la marine, pour des applications civiles (émission de signaux de détresse) ou militaires (communications avec les bâtiments de guerre en pleine mer, à partir de la Première guerre mondiale). Il faut cependant attendre le début des années 80 pour voir apparaître les premiers véritables téléphones sans fil.

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Le Mobira Talkman de Nokia est sorti en 1984. Il n’est pas tout à fait portable (en dépit de sa poignée) mais mobile, notamment parce qu’il se transporte facilement en voiture. © Nokia

Ainsi, c’est en 1986 qu’est créé le premier réseau français de téléphonie mobile sous la dénomination de Radiocom 2000 (2000 en évocation de l’an 2000, car il ne faut pas oublier qu’à cette époque, l’évocation de l’an 2000 dans les produits commerciaux faisait très « futuriste »). Il est classé dans la catégorie des mobiles de première génération (1G). Le téléphone est plus portatif que portable, puisque souvent installé dans les voitures.

Le réseau 1G

Le réseau 1G est l’ancêtre des réseaux actuels et en comprend les principales caractéristiques. En effet, La liaison (téléphonique) entre le radiotéléphone et le réseau téléphonique est réalisé par l’intermédiaire d’un relai. Chaque relai couvre une zone géographique appelée « cellule ». C’est pourquoi on parle parfois de réseaux « cellulaires ». Lorsqu’un mobile sort d’une cellule, il peut « s’inscrire » sur la cellule adjacente. Lors du lancement du Radiocom 2000, la communication était perdue lorsque le mobile sortait de la cellule d’inscription précédant l’appel. L’ajout de la fonction de « hand over » permet de continuer la communication en changeant de zone de couverture.

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Le Visiophone de Matra, de 1970, est l’un des premiers appareils permettant la visiophonie. © Rama, CC by-sa 2.0

Cette dernière évolution technique a coûté le rapatriement de tous les mobiles pour mettre à jour le logiciel de gestion du mobile ! En 1988, le réseau Radiocom 2000 compte jusqu’à 60.000 abonnés et plus de 90 % des appareils sont installés à bord de véhicules. Son utilisation est avant tout professionnelle et on est très loin d’un phénomène de masse. Son abandon au profit exclusif de la norme GSM est fait en l’an 2000.

La 2G et le GSM des années 90

La véritable explosion de la téléphonie « cellulaire », ou « mobile » a lieu avec l’avènement de la 2G dans les années 90. En Europe, le réseau prend la dénomination de GSM, pour Groupe Spécial Mobile.

Il existe d’autres normes 2G à travers le monde, mais le GSM européen est celui qui connait le plus grand succès. Il y a plusieurs raisons à ce succès. Tout d’abord, il s’agit d’une norme européenne qui permet d’utiliser son téléphone dans tous les pays ayant adopté cette norme. Sur le plan technique, le réseau GSM est idéal pour les communications de type « voix » (téléphonie).

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Morola d470 GSM télépphone mobile.© Digitalsignal – CC BY-SA 3.0

Le réseau étant commuté, les ressources ne sont allouées que pour la durée de la conversation, comme lors de l’utilisation de lignes téléphoniques fixes. Les clients peuvent soit acheter une carte prépayée, soit souscrire un abonnement. La norme GSM a ensuite été étendue pour prendre en charge de plus hauts débits et le transport de données en mode « paquet » par les extensions GPRS (General Packet Radio Services) puis EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution). Ces deux modes peuvent cohabiter avec le mode « voix commutée » du GSM et utilisent les mêmes antennes et les mêmes bandes de fréquence. On parle à cette époque de 2.5G pour le GPRS puis de 2.75G pour EDGE, pour indiquer que ce sont des normes entre la 2G et la 3G.

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Le premier téléphone français GSM a été celui de la marque Alcatel. © Lerouxdnl, Wikipédia, CC by 2.5

Le GSM puis ses variantes rencontrent un succès que l’on peut qualifier de foudroyant puisqu’en quelques années, le nombre de lignes mobiles dépassent le nombre de lignes fixes. C’est le cas en France notamment, où l’on dénombre en 2001 pas moins de 35 millions d’abonnements mobiles contre 34 millions de lignes fixes. Que de chemin parcouru depuis les 60.000 clients du Radiocom 2000 !

La 3G des années 2000 et la norme UMTS

Les normes 2G étaient basées essentiellement sur le service voix, autrement dit c’est une époque où un téléphone servait avant tout à… téléphoner. Ce modèle disparaît dans les années 2000, avec l’avènement de la 3G, où les services tels que l’accès à Internet ou le visionnage de vidéos prennent une importance prédominante.

Ces services sont rendus possibles grâce à une augmentation des débits. Ces derniers sont obtenus par les normes utilisées, l’Universal Mobile Telecommunications System (UMTS, qui est la norme majoritaire de la 3G, utilisée en Europe) et CDMA2000 (norme minoritaire dans la 3G, utilisée principalement aux États-Unis).

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Nokia 9000 Communicator (1996) et le nouveau modèle Nokia E7 (2010).© Krystof.k GFDL

L’UMTS permet une meilleure transmission des données

En France, SFR et Orange lancent leur offre commerciale fin 2004. L’opérateur Bouygues Telecom les suivra début 2007 puis on note l’arrivée d’un quatrième opérateur de téléphonie mobile, Free, début 2010. L’UMTS dans sa version initiale permettait un débit maximum théorique de données descendantes (téléchargement) de 1,920 Mb/s. Cette vitesse est nettement supérieure au débit initial du GSM qui était de 9,6 kb/s et supérieure aux vitesses maximales offertes par les variantes du GSM optimisées pour le transfert de donnée (GPRS et EDGE) : 384 kb/s pour l’EDGE. Les débits UMTS varient en réalité suivant le lieu d’utilisation et la vitesse de déplacement de l’utilisateur. Pour la première génération de l’UMTS (celle disponible en France de 2005 à 2009), les débits maximum descendants (download) étaient de :

  • 144 kb/s pour une utilisation mobile en mouvement rapide (voiture, train, etc.) et en zones rurales loin de l’antenne ;
  • 384 kb/s pour une utilisation piétonne ;
  • jusqu’à 1,920 Mb/s depuis un point fixe (terminal immobile) et dans des conditions idéales.

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L’essor de la 3G a notamment permis aux utilisateurs d’obtenir un accès Internet plus rapide et de visionner des vidéos depuis un téléphone portable. © Liewcf et MerveillePédia, CC by-sa 2.0

Les versions HSPA+ ou 3.75G ont défini de nouvelles améliorations de la norme UMTS permettant d’atteindre, pour la variante utilisée en Europe en 2013, des débits descendants pics de 21 Mb/s, 42 Mb/s en Dual Carrier et même, 84 Mb/s en mode multi antennes MIMO (Multiple Inputs Multiple Outputs).

Grâce à sa vitesse accrue de transmission de données, l’UMTS ouvre la porte à des applications et services nouveaux. Il permet en particulier de transférer en temps réel des contenus multimédia tels que les images, le son et la vidéo. Initialement, on a pu croire que les nouveaux services concernent surtout l’aspect vidéo : visiophonie, MMS vidéo, vidéo à la demande, télévision. S’il est encore tôt pour dire s’ils vont éclore dans le futur, la 3G a en fait été principalement colonisée par une utilisation de type Internet, et ce principalement depuis l’explosion du marché des smartphones et des réseaux sociaux.

Chaque génération de téléphonie impose de déployer un nouveau réseau d’antennes relais afin de fournir une couverture adaptée, ce qui prend du temps. Ainsi en 2007 (soit 3 ans après le lancement commercial), Orange France ne couvrait en 3G que 65 % de la population avec 6.500 sites et fin 2009, 87 % de la population avec 11.000 sites. Fin 2012, les taux de couverture 3G sont supérieurs à 98 % pour Orange et SFR et de plus de 94 % pour Bouygues Telecom.

Le débit des téléphones portables : de la 1G à la 4G

Nos téléphones portables ont évolué au fil du temps, chaque génération étant définie selon les normes de la 3GPP. Leur débit s’est considérablement amélioré, passant de la 1G à la 4G.

Il existe plusieurs évolutions pour chaque génération de téléphonie mobile et les dénominations commerciales ne correspondent pas toujours à une réalité technique.

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Modem USB.© HLundgaard – CC BY-SA 3.0

Les normes de la 3GPP

Pour permettre d’y voir clair, des normes sont éditées. Les différentes générations de téléphonie mobile sont ainsi définies sous l’égide de l’organisation 3GPP (le 3rd Generation Partnership Project) qui est une coopération entre organismes de standardisation et qui assure la maintenance et le développement de spécifications techniques pour les normes de téléphonie mobile.

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Les Modem USB LTE permettent l’accès à la 4G tout comme les smartphones. © Prolineserver, CC by-sa 3.0

Ainsi, les différentes variantes correspondent à des normes éditées par le 3GPP. L’évolution des normes est permanente, en général une nouvelle version tous les 12 à 18 mois, un peu comme les versions d’un logiciel sur un ordinateur. Les versions sont appelées des « Releases ». Le LTE correspond aux releases 8 et 9 du 3GPP. Le LTE-Advanced correspond aux releases 10 et 11. Aujourd’hui, le consortium 3GPP continue à faire évoluer la norme. Les releases 12 et 13 sont à l’étude.

L’évolution du débit : de la 1G à la 4G+

Le tableau ci-dessous résume les différentes générations de téléphonie mobile, de la 1G à la 4G+. Il mentionne également les débits de téléphonie mobile des différentes générations, ce qui donne une bonne idée de l’évolution de la technologie. Pour illustrer cette évolution, imaginons que vous souhaitiez télécharger un film Divx de 700 Moctets (1 octet = 8 bits) sur un smartphone ou une tablette tactile. Le service voix du GSM a un débit de 9.05 kbps, ce qui donne une durée de téléchargement de 7.2 jours !

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Il existe différentes normes de téléphonie mobile (cliquez sur le tableau pour l’agrandir). © Dominique Nussbaum – Tous droits réservés

Cette durée est théorique puisque seul le service voix est disponible en GSM. À partir de la 2.5G, des services d’échanges de données (téléchargement de fichiers et accès Internet, par exemple) sont accessibles. Jusqu’à la 3G, les durées de téléchargement sont prohibitives pour ce type d’application (plus de 9 heures pour le GPRS, 4 heures pour le EDGE).

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Le débit binaire peut varier selon différents critères. © Wikipedia, DP

C’est avec l’avènement de la 3.5G puis de la 3.75G que le téléchargement d’un divX est réellement possible, avec des durées raisonnables de quelques minutes.

Le réseau 4G et les antennes relais

Pour obtenir un débit élevé et renforcer le réseau de téléphonie mobile, les antennes relais se sont peu à peu déployées sur le territoire au fur et à mesure du déploiement de la 4G.

Les débits théoriques maximum supposent un terminal immobile, placé dans des conditions de réception radio parfaites et, en pratique, d’avoir un seul terminal actif à un instant donné dans la cellule radio (zone couverte par la ou les antennes du relais). Le débit réel de données d’un terminal est le plus souvent très inférieur aux débits binaires théoriques promis par les normes, un débit 10 fois moins élevé que le maximum théorique est courant.

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Antenne relais. © France64160 – GFDL

Les principaux facteurs ayant une influence sur les débits réels observés par l’abonné sur son téléphone portable sont :

  • Le nombre d’utilisateurs actifs se partageant la bande passante au sein d’une cellule radio (surface radiante d’une antenne) ; plus il y a d’abonnés actifs, moins chacun a de débit unitaire. Il en découle que le débit observé dépend de l’heure (moins d’abonnés actifs durant la nuit).
  • La position fixe (statique) ou « en mouvement » du terminal de l’abonné ; le débit utile est réduit pour un terminal en mouvement rapide.
  • La distance entre le terminal et l’antenne relais. Le débit est quasi constant dans une grande partie de la cellule radio puis décroît en limite de portée quand le signal s’affaiblit.
  • La position d’un terminal à la frontière entre deux cellules radio (même près de l’antenne). Le débit est très inférieur dans cette zone à cause des interférences avec les cellules adjacentes qui en UMTS utilisent généralement les mêmes fréquences hertziennes (contrairement à ce qui se passe en GSM/EDGE où les cellules radio adjacentes utilisent des fréquences différentes).

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Les antennes relais de téléphonie mobile (BTS pour Base Transceiver Station en anglais) se sont peu à peu installées dans notre paysage. Certaines sont construites sous forme d’arbres, comme ici à Villepreux (Yvelines, France). © Henry Salomé, CC by-sa 3.0

En 2015, le réseau 4G est largement déployé commercialement. La couverture complète du territoire est prévue pour 2024 en France. La prochaine évolution, le LTE-Advanced, est déjà en cours de déploiement. Viendra peut-être ensuite la 4G+.

La 5G : l’ère du tout connecté

La 5G, qui est la cinquième génération de téléphonie mobile, est encore au stade de la recherche. Cependant, les principaux acteurs du secteur se sont déjà donné quelques objectifs clés. La 5G sera déployée à partir de 2020 et permettra des débits de télécommunication mobile de plusieurs gigabits de données par seconde, soit 10 fois plus rapides que la 4G+. Corrélée notamment à l’émergence des objets connectés, cette nouvelle génération de téléphonie mobile pourrait bien sonner l’heure du tout connecté.

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Samsung Galaxy S5 Fit smartwatch.© Karlis Dambrans – CC BY-NC 2.0

L’émergence du « tout connecté » (ou du tout Internet), expression évoquant un monde où tous les ordinateurs et périphériques pourraient communiquer entre eux, va faire apparaître de nouvelles applications. Jeux interactifs et multijoueurs complexes, traduction automatique et assistée instantanée mais aussi objets connectés vont se développer. On parle de 50 milliards d’objets connectés à l’horizon 2020 (dont voitures et autres véhicules sans conducteurs tels que les drones).

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Les bracelets et autres objets connectés remplaceront-ils un jour le téléphone portable ? © Intel Free Press, Wikimedia Commons, CC by-sa 2.0

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Le triangle de Vauquois sert de modèle pour les fondements de la traduction automatique. © CC by-sa 3.0

Les techniques qui seront utilisées pour permettre à la fois les débits et le nombre d’objets connectés sont à l’étude. La mise au point de ces techniques se fait grâce à de nombreux projets de recherche (plusieurs centaines), qui répondent chacun à une partie de la problématique 5G. La mise en commun des résultats de ces projets permettra de faire la 5G.

Dans les pages suivantes, plusieurs de ces projets sont décrits sommairement :

  • une meilleure utilisation du spectre : SPECTRA (radio logicielle) ;
  • un meilleur débit en grande mobilité : CORRIDOR ;
  • une approche open source pour dynamiser la recherche : OpenAirInterface, du logicielopen source pour le 4G, ses évolutions et jusqu’à la 5G.

Bandes de fréquences : optimiser leur utilisation avec le projet SPECTRA

Le projet SPECTRA conçoit et expérimente des techniques qui permettent d’augmenter les débits des futures normes de communication de type 5G. Une piste de recherche est l’utilisation plus efficace des bandes de fréquences, par exemple les fréquences TV, de 470 à 790 MHz.

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Vue du rocher de Monaco. © Georges Jansoone- CC BY 3.0

Les bandes de fréquences sont à l’heure actuelle utilisée exclusivement pour la télévision numérique, elles sont donc théoriquement occupées. Théoriquement car, dans la pratique, seule une petite partie des fréquences est utilisée à un endroit donné. Le reste des fréquences est libre car non utilisé. Dans le projet SPECTRA, l’équipe a développé des techniques pour identifier les fréquences libres et émettre des signaux de type 4G/LTE dans ces bandes. Des expérimentations ont eu lieu à Monaco pour valider le concept.

D’autres techniques ont été testées pour réduire les émissions radio et sur des nouvelles architectures de téléphones « universels », autrement dit des téléphones pouvant se reprogrammer pour émettre et recevoir tous types de signaux, du 2G au 4G+ et au-delà. Avec ce type de smartphones, plus besoin d’en changer lors du passage d’une génération de téléphonie à une autre, il suffira de télécharger un programme de mise à jour.

Le projet CORRIDOR : améliorer les communications dans le train

Le projet CORRIDOR expérimente de nouvelles techniques pour améliorer les communications de téléphonie mobile (le débit et la fiabilité) dans les trains.

Dans le cadre du projet CORRIDOR, en partenariat avec IFSTTAR et la SNCF notamment, un train à grande vitesse IRIS320 est utilisé pour les expérimentations dans les environs de Chartres. Un relais expérimental est placé dans une des rames d’un train et un autre relais le long des voies pour permettre d’améliorer le réseau et les conditions d’usage du téléphone.

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Dans le cadre du projet CORRIDOR, en partenariat avec IFSTTAR et la SNCF notamment, un train à grande vitesse IRIS320 est utilisé pour les expérimentations dans les environs de Chartres.© ignis GFDL,cc-by-sa-2.5,2.0,1.0

Les stations relais ont été réalisées par l’équipe de recherche d’EURECOM et sont capables d’émettre et recevoir des signaux dans différentes bandes de fréquences, 800 MHz et 2.6 GHz. Les expérimentations consistent à communiquer entre les deux relais et ce à grande vitesse, autour de 300 km/h.

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Une station relais expérimentale a été placée à proximité des voies ferrées de la SNCF. © DR

Une partie de l’équipe de recherche travaille dans le train et l’autre partie attend le long des voies, autour du relais, avec les fameux gilets orange. L’expérimentation dure environ une minute. Pendant ce temps, les signaux radiofréquences qui sont échangés entre les deux relais sont enregistrés. L’enregistrement correspond à plusieurs téraoctets de données, ce qui prendra pas moins d’une année à exploiter !

OpenAirInterface, du logiciel open source pour la 4G

OpenAirInterface est une activité de développement des réseaux de téléphonie mobile (aujourd’hui la 4G/LTE) en open source sur des ordinateurs PC.

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© David Guzman – CC BY-NC 2.0

Avec le logicielOpenAirInterface (disponible gratuitement), il est possible d’expérimenter en simulation la 4G, pour tester en vraie grandeur des innovations. Il est même possible de faire son propre réseau, avec une carte électronique qui s’appelle EXPRESSMIMO2. Il vous suffit de mettre EXPRESSMIMO2 dans votre PC, de télécharger le logiciel, et hop c’est parti, vous devenez un mini-Orange, SFR ou Free.

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OpenAirInterface développe des réseaux de téléphonie mobile sur des ordinateurs. La carte EXPRESSMIMO2 permet de réaliser son propre réseau. © DP

Pour cela, il faut bien sûr une autorisation du gendarme des télécommunications, l’ARCEP. L’intérêt d’un logicielopen source est qu’un grand nombre de personnes peuvent expérimenter et développer leurs propres idées. L’approche open source est donc un accélérateur de la recherche et de l’innovation. Un exemple de réussite de cette approche est le logiciel Android, adopté par de nombreux constructeurs de téléphones.

Sites Internet sur l’histoire du téléphone portable

Pour aller plus loin sur l’histoire du téléphone portable et de la téléphonie mobile, voici une liste de sites Internet à consulter.

Source : www.futura-sciences.com/magazines/high-tech/


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