Le réseau LTE-M pour l’IoT

12 Jan. 2021 | Technologie IoT

Dans la famille des réseaux de communication dédiés aux objets connectés — longue portée, basse consommation d’énergie — la technologie cellulaire LTE-M, déjà déployée en France, fait partie des réponses évidentes pour les solutions IoT d’aujourd’hui et de demain. Elle permet en effet de nouveaux cas d’utilisation – que ne permettaient pas les « réseaux IoT historiques » – tout en apportant les nombreux avantages portés par les réseaux cellulaires au monde de l’IoT. A Wiifor, le développement de notre plateforme générique LTE-M basée sur un module Sierra Wireless est au cœur de notre stratégie de développement. Aujourd’hui, nous vous proposons un aperçu de cette solution avec un article d’introduction technique au LTE-M.

Un réseau LPWA

Les réseaux longue portée, basse consommation (Low-power Wide-Area NetworkLPWAN) sont une catégorie de réseaux très importante de l’Internet des Objets (Internet of Things – IoT) : ce sont les réseaux permettant à des capteurs de communiquer sur de longues distances, en consommant un minimum d’énergie – à l’inverse de technologies basse consommation et faible portée comme la technologie BLE, Bluetooth Low Energy, par exemple.

Les réseaux LPWA ont d’abord été dominés par les solutions propriétaires Sigfox et LoRa, fonctionnant sur bandes de fréquence libres, et caractérisées par des débits très bas, pour des consommations d’énergie elles aussi très faibles, et couvrant les cas d’utilisation de base des capteurs IoT. Le consortium 3GPP (3rd Generation Partnership Project), à l’origine des spécifications des technologies cellulaires GSM (2G), UMTS (3G) et LTE (4G), a commencé depuis quelques années à adapter ses normes et les infrastructures des réseaux cellulaires existants aux besoins des dispositifs IoT, pour s’adapter à un marché riche d’avenir.

C’est avec ses Releases 12 et 13 (dès 2015) que 3GPP définit une évolution de la technologie Long Term Evolution (LTE), utilisée pour la 4G, à destination des communications de type machine (Machine-Type Communication) : c’est la norme LTE-MTC, plus connue sous l’acronyme LTE-M.

Les spécificités des réseaux cellulaires IoT vis-à-vis des réseaux cellulaires traditionnels

Pour s’adapter aux besoins de l’Internet des Objets, les améliorations à apporter aux technologies cellulaires étaient les suivantes :

  • une réduction des coûts de production des modems,
  • une couverture élargie, pour atteindre des milieux extérieurs reculés (ex: applications en itinérance, ou encore dans les domaines agricoles) tout comme des milieux intérieurs parfois très confinés (applications industrielles),
  • une capacité augmentée, pour soutenir une densification des réseaux de capteurs,
  • et surtout une diminution de la consommation de courant

En contrepartie de cette adaptation aux contraintes des objets connectés, les débits et les délais de transmission se retrouvent négativement impactés – les besoins des objets connectés sur ces critères-là n’étant pas comparables avec les usages multimédias des utilisateurs de la 4G grand public.

Ce sont ces défis que cherche à relever le réseau LTE-M, que l’on pourrait ainsi considérer à mi-chemin entre la 4G que l’on connaît et les réseaux LPWA historiques Sigfox ou LoRawan. Ces objectifs passent par une réduction de la complexité des modems LTE-M, de l’overhead, du débit et de la latence de la technologie cellulaire. Le réseau hérite par ailleurs pour les industriels des nombreux avantages des technologies cellulaires : une infrastructure déjà existante, gérée par des professionnels des réseaux de télécommunications et assurant une couverture uniforme et largement déployée, des transmissions de données haut débit et bidirectionnelles, un réseau sécurisé, la possibilité de connecter des capteurs mobiles, et une itinérance nationale et internationale (roaming) assurée, permettant de déployer ces appareils IoT en mouvement sur de larges zones.

Les technologies existantes, comparées à cette norme émergente, n’ont pas ces capacités : le réseau Sigfox est par exemple caractérisé par un très bas débit, tandis que LoRa n’est pas un réseau uniformément déployé. En contrepartie de ces nombreux services, les réseaux cellulaires conservent cependant des coûts d’abonnements qui restent aujourd’hui supérieurs à ceux proposés par Sigfox ou Lora. La gestion de la carte SIM est également un problème qui complexifie la fabrication et la gestion des appareils, d’où l’émergence de l’eSIM, directement intégrée au modem.

LTE-M et NB-IoT : différences, complémentarités, et premiers pas vers la 5G

Dans la suite logique de son adaptation aux spécificités IoT, suite à l’édition de la norme LTE-M, l’organisme 3GPP a défini le NB-IoT (Narrowband IoT)  : l’objectif, ici, est de diminuer encore la consommation en réduisant notamment le débit  des transmissions radio, pour proposer une nouvelle norme au plus prêt des besoins IoT de base (relevés de télémesures statiques, sur le très long terme), en conservant les avantages hérités des réseaux cellulaires, pour permettre de compléter l’offre de réseaux cellulaires IoT.

« Vérifiez la couverture mobile de la technologie LTE-M dédiée aux objets connectés » sur le site d’Orange Business: https://www.orange-business.com/fr/reseau-LTE-M

« Mobile IoT Deployment Map » sur le site de GSMA — GSM Association https://www.gsma.com/iot/deployment-map/

Si ces technologies sont maintenant spécifiées depuis plusieurs années (NB-IoT : 2016), les réseaux qui ont été mis en place sont encore récents. Ils constituent un premier pas vers la 5G, dont l’objectif est de faire cohabiter trois cas majeurs d’utilisation :

  • des applications M2M (machine à machine) remplissant le cahier des charges des équipements IoT (densité de capteurs, consommation moindre, coût, couverture) pour développer les Smart City (villes intelligentes), ou encore le Smart Manufacturing : sans doute la première application aujourd’hui visée, avec l’objectif de connecter les machines-outils au sein des usines, pour des processus optimisés et toujours plus automatisés ;
  • une expérience encore améliorée, meilleure que la 4G, pour les utilisateurs traditionnels que nous sommes du réseau cellulaire ;
  • et bientôt, le développement de technologies pour des communications M2M critiques et temps réels (type véhicules connectés).

C’est dans ce premier axe que s’intègrent les technologies LTE-M et NB-IoT, qualifiées de 5G Ready.

Le LTE-M et ses mécanismes d’économie d’énergie : le PSM

Différents mécanismes ont été introduits avec le LTE-M pour réduire la consommation énergétique des dispositifs, en focalisant les solutions sur les comportements jusqu’ici les plus énergivores.

L’objectif du Power Saving Mode (PSM — Mode d’économie d’énergie), le mécanisme proposant la plus importante économie d’énergie, est de permettre à l’UE (User Equipment, ou équipement utilisateur,  à savoir téléphone, appareil IoT doté d’une carte SIM, etc.) de rester enregistré sur le réseau tout en pouvant éteindre sa radio la plupart du temps : cette fonctionnalité permet un compromis entre rester tout le temps actif (fonctionnement énergivore) et des extinctions et redémarrages de la radio à répétition, l’enregistrement sur le réseau à chaque redémarrage consommant une quantité d’énergie impactant à terme la durée de vie de la batterie. Pour cela, le dispositif se réveille de manière périodique, sur de longs intervalles (plusieurs heures) pour simplement confirmer au réseau qu’il souhaite y rester enregistré, en un minimum d’échanges. Il peut en outre, lors de ces réveils, être notifié de de données disponibles.

Un cycle de PSM est ainsi négocié avec la station de base (eNode B) à l’enregistrement ou sur requête de l’UE. Une fois l’équipement enregistré (EMM-Registered), après un échange de données initial (état ECM-Connected/RRC-Connected) l’UE relâche la connexion (état EMM-Idle/RRC-Idle) mais reste enregistré sur le réseau (existence d’un contexte, persistance d’un « porteur » (bearer) de données, dans le réseau) puis lance deux timers, synchronisés avec le réseau :

  • Un « timer idle » ou « timer active » (T3324) pendant lequel il reste à l’écoute du réseau un court laps de temps avant de s’éteindre quasi complètement (timer appelée « idle » au regard de son écoute du réseau, ou « actif » en comparaison avec le PSM)
  • Un « timer TAU » ou « cycle PSM » (T4312_extended) à l’issu duquel il se réveille pour signaler & mettre à jour sa position auprès du réseau : une « Mise à jour de suivi » appelée « Tracking Area Update » (TAU).

Pour émettre des données (Mobile-Originated (MO) message), l’UE n’a pas besoin d’attendre la fin du cycle PSM, et peut se réveiller (sur timer, GPIO, ADC) et émettre des données. La figure suivante illustre ces deux timers :


Projections sur les connexions de dispositifs cellulaires IoT pour les années 2020

Si les mondes industriels et professionnels attendent toujours les déploiements de solutions IoT à grandes échelles promis depuis quelques années, les années 2020 s’annoncent prometteuses : les technologies cellulaires sont maintenant spécifiées depuis quelques années, leur déploiement en réseau s’est consolidé, tandis que les solutions matérielles et logicielles ne cessent de gagner en maturité. Des améliorations qui devraient continuer à favoriser un déploiement d’envergure pour les solutions IoT cellulaires, dont le développement devrait prochainement dépasser la croissance ralentie des solutions non cellulaires, selon les chiffres d’ABI Research et d’IHS Markit.

Ainsi, tandis que la première entreprise d’information s’est attardée à estimer le nombre de connexions IoT à venir, la seconde s’est concentrée sur les prévisions du nombre d’équipements IoT : tous deux s’accordent à prévoir une croissance continue des solutions IoT non-cellulaires, et une explosion des usages IoT cellulaires pour la décennie à venir. Principal point d’inflexion mis en exergue par ces études : une prévision de plus d’un milliard de connexions IoT en 2023, année où le nombre de connexions de dispositifs cellulaires devrait dépasser celui de connexions non-cellulaires.

Les graphiques ci-après esquissent la tendance et annoncent la couleur, pour une nouvelle décennie qui devrait voir la naissance et le déploiement de milliards de capteurs IoT.

Bibliographie

3GPP official web site: https://www.3gpp.org/

Calum McClelland. (2020). IoT Connectivity – Comparing NB-IoT, LTE-M, LoRa, SigFox, and other LPWAN Technologies. https://www.iotforall.com/iot-connectivity-comparison-lora-sigfox-rpma-lpwan-technologies/

Frédéric Launay. (2016). Mécanisme DRX en mode connecté et en mode idle. Extension à l’eDRX et au PSM. http://blogs.univ-poitiers.fr/f-launay/2016/11/04/paging-et-mecanisme-psmdrx/

GSMA. (2019). LTE-M Deployment Guide. https://www.gsma.com/iot/wp-content/uploads/2019/08/201906-GSMA-LTE-M-Deployment-Guide-v3.pdf

GSMA. (2020). Long Term Evolution for Machines: LTE-M. https://www.gsma.com/iot/long-term-evolution-machine-type-communication-lte-mtc-cat-m1/

James Blackman. (2019). LPWA connectivity in IoT – who is winning what? A matchup between LoRaWAN and Sigfox in the blue corner and NB-IoT and LTE-M in the red. http://content.rcrwireless.com/iot_connectivity_report

Lauridsen, M., Kovacs, I. Z., Mogensen, P., Sorensen, M., & Holst, S. (2016). Coverage and Capacity Analysis of LTE-M and NB-IoT in a Rural Area. 2016 IEEE 84th Vehicular Technology Conference (VTC-Fall). doi:10.1109/vtcfall.2016.7880946

LinksLabs. (2016). A comprehensive look at Low Power, Wide Area Networks For ‘Internet of Things’ Engineers and Decision Makers. https://www.link-labs.com/whitepaper-symphony-link-vs-lorawan

Matooma. (2019). Quels cas d’usage sont appliqués à la technologie LTEM ? https://www.matooma.com/fr/s-informer/actualites-iot-m2m/quels-cas-dusage-sont-appliqu%C3%A9s-%C3%A0-la-technologie-lte-m

Nicolas Damour. (2018). Cellular LPWA and LTE-M – Sierra Wireless. https://fr.slideshare.net/iot-academy/ltem-sierra-wireless-v1

Orange, (2020). Vérifier la couverture mobile de la technologie LTE-M  dédiée aux objets connectés. https://www.orange-business.com/fr/reseau-LTE-M

Rohde&Schwarz, Yong Shi. (2019) Power saving methods for LTE-M and NB-IoT devices – White paper. https://www.mobilewirelesstesting.com/wp-content/uploads/2019/07/Power-saving-methods-for-LTE-M-and-NB-IoT-devices_wp_en_3609-3820-52_v0100.pdf

SierraWireless. (2018). LTE-M and NB-IoT: What to Know Before You Start Development. https://www.sierrawireless.com/iot-blog/lte-m-and-nb-iot-what-to-know-before-you-start-development/ 

SierraWireless. What is LPWA? – Infographics. https://www.sierrawireless.com/resources/infographics/lpwa/

Yannick Lecroart. (2017). NB-IoT et LTE-M, les normes de l’Internet des Objets. https://www.synox.io/nb-iot-lte-m-nouvelle-norme-internet-des-objets/

 

Icônes par Flaticon. (2019). Say It with Flaticon Communication Icons https://www.freepik.com/blog/flaticon-communication-icons

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