NB-LTE

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"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).

Motivation

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 mobiles 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 conçue pour durer.

Disparition des réseaux GPRS

Couverture de la France en 4G

Les réseaux GSM et GPRS étaient massivement utilisé par les objets connectés. Toutefois, pour des raisons technologie (réaffectation des fréquences) 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 consommation, 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 plupart d'entre eux: Ils doivent disposer d'une longue autonomie (d'où la motivation de créer une dérivée basse consommation de la 4G) et utilisable partout (d'où la motivation d'utiliser un réseau cellulaire déjà déployé et fonctionnel). L'utilisation de la norme LTE-M permettra également une amélioration significative des performances (par rapport aux anciens réseaux M2M en GSM) pour envisager le streaming de vidéo (de caméra de surveillance par exemple) par ce moyen.

Principes

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 appareils LTE-M par rapport aux objets connectés en 4G classique.

Une technologie orienté basse consommation

Illustration réception LTE avec Extended Discontinuous Reception
Illustration réception LTE avec Power Saving Mode

Deux technologies ajoutées 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, coûteux) avec le relais LTE tout en restant lié à ce relais. En effet la connexion au réseau consomme beaucoup d'énergie, une batterie de smartphone classique dure quelques 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 télé-avertissement (paging cycle) de 1.28 seconde. S'ils sont inactifs, ils peuvent être contactés 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 télé-avertissement (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 définie un tel cycle de 10.24 secondes. La technologie LTE eDRX améliore LTE DRX dans la mesure où 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 réveille, 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.

Avantages

Fonctionalités et utilisations de LTE-M

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 système 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 performances importantes (1 à 10Mbit/s), notamment pour une technologie de communication basse consommation (généralement de l'ordre de plusieurs Kbit/s).

Les communications peuvent être réalisées de manière bi-directionnelles, 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 murs par les ondes.

Marché

Le prix abordable des modules (entre 5 et 20$) et l'authentification par sim, auxquels s'ajoutent les autres avantages de cette technologie, la rende particulièrement intéressante pour diverses tâches IOT:

Métriques embarquées
Automobiles
Sécurités
Vidéos
Contrôles à distance (de machines...)
Surveillance et monitoring
Objets personnels connectés (santé, vêtements, accessoires etc.)
Voix - audio

Limites

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

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

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

Par rapport à la concurrence

Consomations NB-IOT vs LTE-M
Comparaisons des principales technologies de communication IOT

NB-IOT

NB-IOT est le principal concurrent de la norme LTE-MTC, elle vient remplacer les fréquences abandonnées par les technologies GSM. Cette norme, soutenue par Huawei ne bénéficie pas du soutien dont bénéficie LTE-M. NB-IOT ne peut pas directement compté sur l'ensemble du réseau 4G pour son déploiement, ceci en constitue son principal inconvenants avec un débit moindre. Toutefois, cette norme reste intéressante pour de nombreuse raison, notamment par ses performances relativement élevé compte tenu d'une plus faible consommation. Cette technologie semble particulièrement adapté pour les applications demandant un débit régulier mais peu élevé.

SigFox / LoRA

SigFox offre une alternative intéressante dans la mesure où de nombreuse antennes sont déjà disponibles. 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 licence 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 technologie de communication basse consommation à destination des IOT performante et prête à être déployé sur le réseau. Les modules 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 besoins 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/