NB-IoT, LTE-M, EC-GSM-IoT. Les nouveaux LPWAN

Dans mon premier article sur les LPWAN, publié en décembre 2015, j’évoquais le retard pris par les opérateurs télécoms dans la course au développement des réseaux bas débit LPWAN (Low Power Wide Area Network). Après une rapide description des pionniers Sigfox et LoRa, je finissais par une description de LTE-M, une technologie LPWAN proposée par les opérateurs télécoms, encore en cours de spécification à l’époque.

Depuis les choses ont évolué : des opérateurs proposent maintenant une offre de connectivité LoRaWAN et la 3GPP (organisme en charge de la spécification des technologies de réseaux mobiles) a spécifié la norme LTE-M (Release 13) et a introduit de nouvelles normes LPWAN dont NB-IoT et EC-GSM-IoT.

Contrairement à Sigfox et LoRa, ces technologies sont cellulaires et utilisent des fréquences sous licences (les fréquences utilisées par les opérateurs telecom).

Ne prenez pas peur avec tous ces acronymes, je vais expliciter chacune de ces technologies. J’ai conclu mon premier article avec la technologie LTE-M, alors commençons cet article avec cette dernière.

LTE-M

Comme indiqué dans mon premier article sur le sujet, la technologie LTE-M, appelée aussi eMTC, LTE Cat-M1 ou encore LTE-MTC (LTE for Machine-Type Communications) est une version bas débit et efficiente de la technologie LTE, plus communément  nommée 4G. Avec un avantage non négligeable pour les opérateurs :  LTE-M est compatible avec l’infrastructure LTE existante. En effet, la compatibilité ne requiert aucun changement matériel dans l’infrastructure LTE ; uniquement quelques modifications logicielles.

Un autre élément intéressant à préciser concernant le LTE-M est l’intégration de la technologie VoLTE (Voice over LTE). Il est possible de transmettre de la voix sur un réseau LTE-M ouvrant ainsi la voie (ou la voix) à de nouveaux cas d’usages notamment en milieu industriel ou la commande vocale est utilisée ou encore dans le cas des alarmes maison. Je vous invite à visionner la vidéo de démonstration de la société Ericsson sur l’utilisation de la technologie VoLTE avec LTE-M.

Avec une occupation spectrale de 1,4 MHz et une bande passante de 1 MHz, le LTE-M offre des débits beaucoup moins élevés que la technologie LTE mais avec une meilleure efficience notamment en terme de consommation énergétique ce qui est primordial dans le domaine de l’Internet des Objets.  Cette efficience est en partie due à des mécanismes comme l’eDRX (Extended Discontinuous Reception) ou le PSM (Power Saving Mode). Le premier permet à l’équipement de planifier des temps de repos plus long (paging cycle) et d’en informer le réseau. Le second permet à l’équipement d’être encore moins consommateur d’énergie en devenant inactif pendant un temps indéfini.

La technologie LTE-M supporte le handover, indispensable pour les cas d’utilisation en mobilité.

Pour résumer, la technologie LTE-M présente plusieurs avantages à commencer par sa compatibilité avec l’infrastructure existante et la gestion du handover. Toutefois, les débits proposés par cette technologie, même largement inférieurs au LTE, restent élevés pour les cas d’usage ne nécessitant que très peu d’échanges d’informations et à très faible fréquence.

Ce résumé est une bonne transition pour aborder la technologie NB-IoT (Narrowband IoT).

NB-IoT

Avec un débit maximal de 60 kbps, le positionnement en terme de cas d’usage de la technologie NB-IoT (spécifiée aussi dans la Release 13 – 3GPP), semble, à première vue, proche de LoRa et de SigFox. Comme son nom l’indique, cette technologie est basée sur la transmission de signaux sur bande étroite. En effet, son occupation spectrale n’est que de 200 kHz (tout comme SigFox), ce qui est équivalent à un Bloc Ressource LTE (~180 kHz) ou encore à une porteuse GSM (200 kHz).

Le NB-IoT peut se déployer selon trois modes : In-band, Guard-band LTE et standalone.

Le déploiement In-band correspond à un déploiement au sein de la bande traditionnelle LTE en occupant un Bloc Ressource pour les communications NB-IoT. En d’autres termes, les communications NB-IoT sont transmises dans la même bande de fréquences que les communications LTE.

Dans le cas d’un déploiement Guard-Band, le signal NB-IoT est transmis en marge de la bande de fréquences traditionnelle LTE en utilisant les ressources spectrales non utilisées.

Enfin le déploiement stand alone, correspond à un déploiement sur une bande de fréquences différente de celle du LTE. Dans beaucoup d’exemples, les fréquences du GSM sont indiquées pour le déploiement stand alone car comme évoqué ci-dessus la porteuse d’un signal GSM correspond à l’occupation spectrale du NB-IoT. Pour l’illustration ci-dessous, je prendrai également l’exemple d’un déploiement stand alone sur les fréquences GSM.

Le NB-IoT est particulièrement performant pour des équipements nécessitant une communication bidirectionnelle avec une latence moindre et une qualité de service élevée. Même si on a tendance à opposer la technologie NB-IoT avec LoRa et Sigfox, elles se différencient sur plusieurs points importants notamment sur la portée, la qualité de service et la latence sans évoquer les modèles (fréquences sous licences vs fréquences libres, réseaux propriétaires vs réseaux standardisés, etc.).

Ces différences conditionnent le choix d’une de ces technologies selon les cas d’usage. Par exemple, dans le cas d’une application nécessitant une communication bidirectionnelle et robuste, on optera plutôt pour le NB-IoT (voire pour la classe C du LoRa). Dans le cas, où la durée de vie de la batterie de l’équipement et le coût de ce dernier sont prioritaires, c’est plutôt Sigfox et LoRa (classe A) qui seront privilégiées.

Un autre point important : la technologie NB-IoT, à l’heure actuelle ne supporte pas le handover ; elle est donc peu appropriée dans des cas d’usages en mobilité. Ce qui, de mon point de vue, limite son intérêt dans de nombreux cas d’usage.

Tout cela nous amène à la dernière technologie présentée dans cet article : EC-GSM-IoT pour Extended Coverage GSM Internet of Things.

EC-GSM-IoT

La technologie EC-GSM-IoT repose sur la technologie GSM (2G) et sur son infrastructure (largement répandue à travers le monde) en apportant des améliorations en terme d’efficience et de portée (entre 10 et 20dB), nécessaires pour être compétitif parmi toutes les technologies LPWAN.

C’est en quelque sorte, l’équivalent du LTE-M pour le réseau GSM. EC-GSM-IoT utilise des canaux de communication de 200 kHz pour une bande passante totale de 2,4 Mhz (ce qui serait susceptible d’évoluer à l’avenir). La technologie supporte des débits entre 350bps et 70kpbs.

La technologie supporte également les mécanismes eDRX et PSM pour réduire la consommation énergétique des équipements.

Tout comme le LTE-M, la technologie EC-GSM-IoT supporte la transmission de la voix ainsi que le handover.

Je ne serai pas plus long en ce qui concerne le EC-GSM-IoT. Les spécifications évoluent encore et nous ne sommes pas à l’abri de découvrir prochainement encore une nouvelle technologie spécifiée par la 3GPP.

Nous vivons actuellement une véritable course entre toutes ces technologies. Chacune a l’ambition de s’imposer comme la solution principale de connectivité pour les différents capteurs et objets connectés qui envahissent nos quotidiens et l’industrie. Cependant, je pense que la prolifération de toutes ces technologies ne va pas faciliter l’assimilation des LPWAN par les utilisateurs d’autant que l’investissement est risqué compte tenu du manque d’interopérabilité entre les technologies. La maturation du marché des LPWAN sera probablement plus longue que prévu.

Voilà, c’est tout pour cet article !

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