Comparés aux réseaux traditionnels 2G, 3G et 4G, ces “Low Power Wide Area Networks” (LPWAN, réseaux étendus à faible consommation) permettent à plus d’appareils d’utiliser une même bande de fréquences. Ils permettent aussi de mettre à profit les bandes de fréquences sous licence inutilisées, et ils sont parmi les moins gourmands en énergie.
Comme son nom l’indique (“narrowband” signifie “bande étroite”), un réseau NB-IoT s’appuie sur une bande de fréquences plus étroite que celle de la 3G et de la 4G, tout en restant un réseau dit “étendu”, c’est-à-dire qu’il peut couvrir une zone importante. Cette caractéristique autorise une plus grande densité d’objets connectés au sein d’une même cellule du réseau. La technologie NB-IoT bénéficie aussi d’une bonne couverture grâce à la répétition des messages transmis. Ainsi, ces réseaux ont en principe une meilleure couverture que les autres, avec une infrastructure plus légère.
Les fabricants d’objets connectés se tournent généralement vers le NB-IoT pour sa consommation d’énergie très faible hors des périodes de transmission. Grâce aux fonctionnalités telles que le mode d’économie d’énergie (Power Saving Mode, PSM) et la réception intermittente (Discontinuous Reception, DRX), la batterie d’un objet connecté via NB-IoT peut durer des années.
Nous allons détailler par la suite les principaux intérêts de cette technologie pour l’IoT, ainsi que ses limites intrinsèques.
Les avantages de la technologie NB-IoT
Les principaux arguments en faveur du NB-IoT sont les mêmes que pour une autre technologie, le LTE-M : faible consommation, peu d’interférences, et coûts de déploiement bas.
Une faible consommation énergétique
Comme on l’a vu précédemment, le NB-IoT propose deux fonctionnalités d’économie d’énergie qui marquent un vrai progrès par rapport aux réseaux 2G, 3G et 4G.
Mode d’économie d’énergie (Power Saving Mode, PSM)
Le PSM permet aux appareils de se mettre en veille lorsqu’ils ne sont pas actifs, afin de préserver leur batterie. Au contraire des réseaux conçus pour les téléphones mobiles, qui peuvent établir des connexions spontanées à tout moment, les réseaux NB-IoT et LTE-M ont été pensés pour les appareils connectés, dont le besoin de connectivité est plus périodique et intermittent.
En règle générale, lorsqu’un appareil connecté à un réseau cellulaire se déplace, il envoie une mise à jour de sa position (Tracking Area Update, TAU) au réseau. S’il reste immobile, il émet tout de même régulièrement des TAU pour informer le réseau de sa disponibilité. Pour l’appareil, cela revient à dire : “Je suis toujours là ! Y a-t-il des messages pour moi ?”. C’est notamment grâce à ça que les téléphones mobiles peuvent se connecter quasi-instantanément. Mais cela consomme aussi beaucoup de batterie.
Dans le cas d’un téléphone, on a besoin qu’il soit toujours en ligne, car on ne sait pas à quel moment un appel ou un message peut arriver. Mais pour un parcmètre ou un thermostat connecté, c’est différent. Lorsque ces appareils ne transmettent aucune donnée, ils n’ont pas besoin de rester connectés et d’envoyer des TAU, parce qu’ils n’ont aucun signal à réceptionner. Ils peuvent donc passer en mode d’économie d’énergie plus longtemps, sans informer le réseau de leur position.
Réception intermittente étendue (Extended Discontinuous Reception, eDRX)
Certains objets connectés ont tout de même besoin de recevoir des messages, que ce soit des changements de configuration, des mises à jour logicielles, des SMS de configuration, ou une prise de contrôle à distance. Les téléphones mobiles “écoutent” le signal radio très régulièrement pour recevoir d’éventuels nouveaux messages, et cette écoute consomme de l’énergie. Dans le cadre de l’IoT, le mécanisme de réception intermittente permet d’augmenter l’intervalle entre les écoutes jusqu’à 2,56 secondes, et ce depuis la technologie LTE. Les réseaux NB-IoT et LTE-M vont encore plus loin : la fonctionnalité de réception intermittente étendue (eDRX) permet d’allonger encore cet intervalle jusqu’à 40 minutes.
Utilisation optimisée du spectre de fréquences
On peut se représenter chaque cellule d’un réseau cellulaire comme un stade. Lorsque de trop nombreux appareils se partagent la bande passante au même endroit, c’est comme si le stade était plein, les sièges manquent. Et les signaux commencent à interférer.
Comme le spectre de radio-fréquences n’est pas infini, chaque pays à ses propres instances de régulation pour s’assurer de sa bonne utilisation. Ces régulateurs attribuent des bandes de fréquences à chaque opérateur, et ces derniers se chargent d’optimiser leur utilisation.
Or les réseaux NB-IoT sollicitent une bande passante plus étroite que les autres. Pour revenir à notre stade, c’est comme si les sièges étaient plus petits. Pour un téléphone mobile, un siège plus petit pourrait dégrader l’expérience, mais dans le cas d’un appareil connecté, moins d’espace est nécessaire. De plus, les réseaux NB-IoT peuvent exploiter les bandes de garde (celles qui se trouvent entre chaque bande sous licence), c’est comme si on plaçait des sièges en plus dans les allées.
On prévoit que des dizaines de milliards d’objets connectés seront déployés dans les années à venir. C’est trop pour les réseaux traditionnels. D’où l’intérêt du NB-IoT : permettre aux opérateurs d’optimiser l’utilisation de leurs fréquences afin de maximiser le nombre d’appareils connectés.
Une bonne couverture en intérieur
Pour connecter des objets à l’intérieur d’un bâtiment, il faut que le signal pénètre dans celui-ci. Afin de quantifier la couverture d’un réseau, le 3GPP a créé un indicateur : la perte de couplage maximum (Maximum Couple Loss, MCL). Elle mesure la quantité de signal qui peut être perdue entre l’émetteur et le récepteur, tout en étant capable de recevoir le message. La MCL théorique des réseaux NB-IoT est de 164 dB (décibels), la plus haute de tous les LPWAN.
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Type de LPWAN
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Perte de couplage maximum (MCL)
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NB-IoT
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164 dB
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LoRaWAN
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156 dB
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Sigfox
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160 dB
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LTE-M/Cat-M1
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156 dB
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Ainsi, un signal émis sur un réseau NB-IoT peut traverser des matériaux plus denses et tolérer plus d’interférences avec d’autres signaux, ce qui est très utile pour les appareils situés dans des environnements “bruyants” en termes d’ondes. Cependant, ce haut niveau de MCL repose sur de nombreuses retransmissions, au détriment de la consommation énergétique.
Des composants peu coûteux
Pour un fabricant d’objets connectés, le mode de connectivité impacte fortement le coût total d’acquisition (Total Cost of Ownership, TCO). Le choix d’une technologie détermine le coût de fabrication de chaque appareil. De manière générale, plus une technologie est récente et propose un haut débit, plus les modems sont complexes et chers. De plus, il faut souvent prévoir plusieurs modems pour qu’un appareil fonctionne dans plusieurs pays, les déploiements internationaux sont donc plus coûteux.
Dans le cas du NB-IoT, il existe des modems universels compatibles avec tous les réseaux NB-IoT du monde. Et ils sont bien moins chers que les modems 4G LTE ou 5G.
NB : malgré le coût réduit de ces modems, le NB-IoT n’étant pas déployé partout, il est recommandé de doter les appareils NB-IoT en plus d’une puce compatible avec une technologie plus ancienne (comme la 2G). Lorsqu’aucun réseau NB-IoT n’est disponible, l’appareil se replie sur la 2G. Prévoir cette puce supplémentaire a un coût.
Les limites de la technologie NB-IoT
Malgré ses avantages, le NB-IoT présente aussi des faiblesses, surtout par rapport au LTE-M. Voici quelques points à avoir en tête avant de tout miser sur une connectivité NB-IoT.
Un débit plus lent
Le NB-IoT est efficace en intérieur comme en extérieur, mais il n’est pas adapté à des usages haut débit. En débit montant ou descendant, le NB-IoT ne dépasse jamais 200 kbit/s. Par ailleurs, la latence du NB-IoT peut atteindre 10 secondes, ce qui est considérable par rapport aux autres technologies où elle se mesure en millisecondes. C’est un point bloquant lorsque le temps de réponse est critique.
Pour transmettre de grands volumes de données, le NB-IoT perd en efficacité énergétique. Entre la latence élevée et le faible débit, les appareils restent connectés plus longtemps et consomment donc plus d’énergie que dans le cas du LTE-M. En règle générale, si votre appareil doit envoyer plusieurs Ko par session de données, le LTE-M sera plus adapté. Si vos paquets de données restent dans l'échelle des octets, alors NB-IoT est une bonne option pour votre projet.
Plusieurs opérateurs sont nécessaires pour un déploiement international
Peu d’opérateurs ont des accords d’itinérance pour leurs réseaux NB-IoT. Par conséquent, un contrat avec un opérateur se limite souvent à la zone couverte par ce dernier. Dès lors que vous souhaitez étendre votre déploiement, il faut trouver un nouvel opérateur, et ce pour chaque nouvelle zone.
Si vous ne voulez pas jongler avec des factures provenant des quatre coins du monde, le NB-IoT n’est pas adapté à votre déploiement international.
Pas de couverture redondante
La redondance est clé pour garantir une connectivité permanente à vos appareils et minimiser l’impact des catastrophes naturelles, des bugs et de toutes les pannes. Si votre réseau NB-IoT tombe en panne pour une raison ou pour une autre, ou si vos appareils connectés se trouvent dans une zone mal couverte, il n’y a pas de système de repli, pas de réseau alternatif.
C’est la raison pour laquelle les opérateurs s’appuient sur des technologies plus anciennes pour combler les déficits de couverture de leur réseau NB-IoT. Avec pour conséquence la difficulté d’anticiper précisément les coûts de connectivité et la consommation de vos appareils. De plus, certains réseaux historiques sont en train de disparaître, ils ne constituent donc pas une solution pérenne.
Une mauvaise prise en charge de la mobilité
Les appareils connectés en mobilité sont souvent amenés à changer de cellule au sein d’un réseau. Ces transitions sont facilitées par des composants réseau tels que les eNB (evolved Node B ie les antennes réseaux).
Dans le cas du NB-IoT, un appareil reste connecté quand il est en mouvement, mais pas lorsqu’il change de cellule. Dans un premier temps, il émet avec une puissance croissante à mesure qu’il s’éloigne de l’antenne, jusqu’à ce que la connexion soit interrompue. Puis il initie une nouvelle connexion dans la cellule suivante. Ce mode de fonctionnement est mal adapté à un usage en mobilité comme la gestion de flotte ou le tracking de biens, car l’augmentation de la puissance d’émission puis la reconnexion à chaque cellule consomment plus d’énergie.
Faites le bon choix de réseau pour votre application
La connectivité que vous choisissez impacte profondément les fonctionnalités, la performance et l’autonomie de vos appareils. Pour un déploiement international, il existe des technologies plus souple que le Narrowband IoT.
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