NB-LTE

"Narrow-Band LTE" ou maintenant LTE-M (LTE - Machine-Type Communications) est une norme de communication sans fil à destinations des objets connectés développée par 3GPP (3rd Generation Partnership Project).

Une volonté de standardisation
La technologie LTE-M est soutenue par 9 des plus grand opérateurs du monde (AT&T, Verizon, Orange, KDDI, KPN, Docomo, Telefonica, Telstra et Telus). C'est une technologie issue d'une volonté de normalisation et de standardisation. LTE-M a pour objectif le développement d'application connecté M2M exploitant les réseaux de communication 4G existant. Les réseaux mobile orienté IOT devraient commencer à être fortement adoptés dès cette année (2018). L'organisation de standardisation 3GPP, qui regroupe de nombreux opérateurs et industriels comme Intel, est à l'origine de cette norme. Ceci permet de conforter l'idée que cette norme a été conçu pour durer.

Disparition des réseaux GPRS


Les réseaux GSM et GPRS étaient massivement utilisé par les objets connctés. Toutefois pour des raisons technologie (réaffectation des fréqueces) et commerciale (réseaux 3G et 4G plus efficaces), les opérateurs ont décidé d'abandonner les réseaux GPRS dans quelques années tout au plus. Il était donc important de développer une nouvelle norme de communication cellulaire pour les objets connecté à basse consomation, d'où les technologies NB-IOT et LTE-M.

Spécificités des objets connectés
Les objets connectés sont par nature très variés (alarme, véhicules, capteurs etc.), il existe deux contraintes forte pour la plupars d'entre eux: Il doivent disposer d'une longue autonomie (d'où la motivation de créé un dérivée basse consomation de la 4G) et utilisable partout (d'où la motivation d'utiliser un réseau cellulaire déjà déployer et fonctionnel). L'utilisation de la norme LTE-M permettra également une amélioration significative des performances (par rapport aux anciens réseau M2M en GSM) pour envisager le streaming de video (de caméra de surveillance par exmple) par ce moyen.

Description Technique
Cette technologie se base sur la technologie LTE ou 4G existante mais en la simplifiant. par exemple, un appareil connecté en LTE-M n'a besoin de reconnaitre qu'une plage de 1.4Mhz du réseau LTE contrairement aux smartphone 4G qui doivent analyser une plage de 20Mhz. Ceci permet un gain d'énergie et réduit donc la consommation des appareil LTE-M par rapport aux objets connectés en 4G classique.

Une technologie orienté basse consomation




Deux technologies ajouté sur LTE-M par rapport aux appareils 4G classique permettent d'important gain en énergie. Globalement il s'agit d'éviter que l'objet connecté n'ai à maintenir de connexion standard (échange de paquets, couteux) avec le relai LTE tout en restant lié à ce relai. En effet la connexion au réseau consomme beaucoup d'énergie, une batterie de smartphone classique dure quelque jours tout au plus. Un objet connecté doit pouvoir rester actif pendant plusieurs années sur une même batterie.

Extended Discontinuous Reception
LTE-M supporte la technologie de Extended Discontinuous Reception ou LTE eDRX. Les appareils 4g classique ont un cycle de téléavertissement (paging cycle) de 1.28 seconde. Si il sont inactif, il peuvent être contacté en cas de données à leur disposition toutes les 1.28 secondes.

La technologie LTE DRX augmente à 10.24 secondes la durée des cycles de téléavertissement (les appareils peuvent donc être inactif pendant 10.24 secondes au lieu de 1.28). Ceci permet d'important gain en énergie par rapport à un appareil 4G classique si l'objet connecté n'est utilisé que sporadiquement dans la journée et ne nécessite pas une latence minimum. Une Hyperframe défini un tel cycle de 10.24 secondes.

La technologie LTE eDRX améliore LTE DRX dans la mesure ou elle permet à l'objet connecté de préciser au relai combien d'Hyperframe (période de 10.24 secondes donc) il sera en veille et ainsi économiser encore plus d'énergie.

Power Saving Mode
La technologie LTE-PSM ou Power Saving Mode permet d'aller encore plus loin en permettant à l'objet connecté d'être en veille pendant une durée indéterminée. Lorsque l'objet connecté se réveil, il peut envoyer un signal au relai pour l'informer qu'il dispose d'une fenêtre pour commencer à lui envoyer ses informations. Si dans cette fenêtre l'objet connecté n'a rien reçu alors il peut retourner en veille et rappellera le relai lorsqu'il se sortira de veille à nouveau. L'idée étant que le relai sauvegarde les informations à destination de l'objet.

Utilisation de l'existant
Depuis près de 10 ans les opérateurs télécoms déploient massivement des relais 4G (LTE). L'un des principal avantage de LTE-M est sa possibilité de réutiliser l'infrastructure existante. Il suffirait aux opérateurs de mettre à jour le systèmes des antennes 4G pour supporter la technologie LTE-M et ainsi déployer à moindre coût ce moyen de communication.

Bonnes performances
Dérivée de la technologie 4G-LTE classique (150 à 600Mbit/s), la norme LTE-M conserve des performance importante (1 à 10Mbit/s), notament pour une technologie de communication basse consomation (généralement de l'ordre de plusieurs Kbit/s). Les communications peuvent être réalisée de manière bi-directionnelle, en temps réel et en full-duplex. A ceci s'ajoute le rayon d'une dizaine de kilomètres couvert par une antenne et la relativement bonne pénétration des mur par les ondes.

Marché
Le prix abordable des module (entre 5 et 20$) et l'authentification par sim, auquels s'ajoutent les autres avantages de cette technologie, la rende particulièrement interessante pour divers tâche IOT: Métriques embarqué Automobile Sécurité Vidéo Contrôle à distance (de machine...) Surveillance et monitoring Objet personel connecté (santé, vetements, accessoires etc.) Voix - audio

Limites
La technologie LTE-M reste relativement proche de 4G-LTE dont elle est issue. Ceci se ressent notament lorsqu'on la compare avec d'autre solution pour les objets connectés.

Le rayons des antennes est relativement faible (certaines technologie offre une portée jusqu'a 3 fois plus importante) et la consommation des modules LTE-M demeure (nettement plus) importante que d'autre technologie pour l'embarqué basse consomation.

De même la LTE-M exploite des bandes de fréquence reservées, il est donc nécessaire de passer par un opérateur pour monter son propre réseau. D'autre technologies utilisent des fréquances libres et son donc potentielement plus souple en fonction des besoins.

Par rapport à la concurrence




NB-IOT
NB-IOT est le principal concurent de la norme LTE-MTC, elle vient remplacer les fréquance abandonnée par les technologies GSM. Cette norme, soutenue par Huawei ne bénéficie pas du soutient dont bénéficie LTE-M. NB-IOT ne peux pas directement compté sur l'ensemble du réseau 4G pour sont déploiement, ceci en consititu sont principal inconvenient avec un débit moindre. Toutefois cette norme reste intéressante pour de nombreuse raison, notament par ses performance relativement élevé compte tenu d'une plus faible consomation. Cette technologie semble particulièrement adapté pour les application demandant un débit régulier mais peux élevé.

SigFox / LoRA
 SigFox  offre une alternative intéressante dans la mesure où de nombreuse antennes sont déjà disponible. Toutefois il faudra un émetteur-récepteur compatible (et uniquement compatible avec cette technologie). De plus le marché visé n'est pas le même, le réseau SigFox est beaucoup moins rapide que le réseau LTE-M (rapport théorique de plus de 1000) mais à l'avantage de demander moins de ressources (CPU et batterie).

 LoRA  offre une alternative libre de license et similaire à SigFox (réseau consommant peu mais peu rapide). Toutefois, il sera nécessaire de déployer ses propres antennes.

conclusion
La technologie LTE-MTC semble se démocratiser depuis quelques années. Il s'agit d'une technologies de communication basse consomation à destination des IOT performante et prête à étre déployer sur le réseau. Les module LTE-M sont en revanche relativement gourmand en énergie par rapport aux alternatives. Compte tenu de la multiplication des objets connectés et des demandes de plus en plus importantes les concernant, il semble aujourd'hui évident que cette technologie répond parfaitement à de nombreux besoin et future demande.

références
https://www.synox.io/nb-iot-lte-m-nouvelle-norme-internet-des-objets/

https://www.link-labs.com/blog/lte-iot-technologies

https://altair-semi.com/wp-content/uploads/2017/02/Coverage-Analysis-of-LTE-CAT-M1-White-Paper.pdf

https://www.amihotechnology.com/lorawan-cellular-nb-iot-power-consumption-comparison/

https://partner.orange.com/lte-m-in-a-nutshell/