Pourquoi le Nb-IoT peut être une alternative sérieuse?

par Corentin Corde, Embedded Software Developer

Les réseaux 2G et 3G sont historiquement de très bon choix pour les cas d’utilisation IoT et M2M, car ils n’exigent généralement pas une bande passante élevée (comme le streaming vidéo) et l’utilisation des données est généralement faible (~ 3 Mo/mois par carte SIM).

Étant donné que les réseaux 2G et 3G sont utilisés commercialement depuis plus de 25 ans, la zone de couverture est généralement plus large que la technologie LTE utilisée depuis plus de 10 ans. En conséquence, la 2G et la 3G sont devenues des choix communs chez les clients, en particulier en ce qui concerne les applications IoT et M2M. Chez Rtone, nous avons l’habitude depuis des années avec notre solution Rbee Solar (découvrir notre success-story) à présent cédée à Mylight, de gérer une flotte d’objets avec de la 2G et 3G. Et pourtant, aujourd’hui, le marché des smartphones nous pousse de plus en plus vers des solutions de réseaux 4G/LTE et maintenir le support de ces vieux réseaux 2G et 3G commence à coûter de l’argent aux opérateurs. Nos clients doivent se préparer à faire face à ces changements et notre rôle est de les aiguiller pour choisir le meilleur réseau pour leurs usages IOT.

Aujourd’hui, nous vous proposons de faire un focus sur une alternative d’avenir, le NB-IoT avec notre partenaire SIMCom, premier fabricant mondial de modules cellulaires en 2018 (Source : ABI Research). Créé en 2002 et appartenant au groupe SUNSEA AIOT, Simcom est un fabricant mondialement connu et reconnu pour proposer une large gamme de modules cellulaires toutes technologies confondues 2G/3G/4G/5G.

Magali Ferez, Regional Sales Manager France/Belgique/Afrique du Nord chez SIMCom nous a accordé une interview.

 

Qu’est-ce que le NB-IoT ?

 

Nb-IoT (NB for narrow band) est une technologie cellulaire de type LPWAN (Low Power Wide Area Network). Protocole IP (Internet Protocol), elle permet aux objets de se connecter à internet en se reliant directement aux antennes-relais des opérateurs, évitant ainsi l’installation de passerelles souvent coûteuses pour le client. Le NB-Iot utilise une bande passante vraiment très étroite (narrow band) de 200kHz, une modulation OFDM pour les communications entrantes et SC-FDMA pour les communications sortantes. Du fait de cette bande passante étroite, les débits théoriques envisageables sur ce réseau sont faibles et de l’ordre de 20 à 250 kbit/s en half duplex (émission et réception possibles, mais pas en même temps).

Le Nb-IoT sera vraiment dédié sur des applications : capteurs, metering – sur des objets fixes. Ce protocole de communication est bas débit, low power et s’appuie sur un réseau d’antennes 4G déjà déployées. Aujourd’hui SIMCom concentre ses développements sur les nouvelles technologies LTE-A/Nbiot – Cat M et 5G proposant différentes variantes de modules cellulaires basées essentiellement sur des chipset Qualcomm. Nous proposons des modules compacts allant de 24×24, 17×15 ou encore 14×12, intégrant multi technologies Cat M-NBIOT- Fallback 2G et GNSS, ou encore CatM +Nb-Iot, ou Nb-IoT only (Release 14/NB2) » Magali Ferez (SIMCom).

Utilisation des réseaux mobiles existants

 

L’un des nombreux avantages du NB-Iot est la facilité à laquelle on peut le déployer. Il peut être déployé sur n’importe quel spectre de fréquence disponible tant qu’il y a au moins 200 kHz de bande passante disponible. Cet avantage permet notamment de l’utiliser facilement sur le réseau LTE par exemple. En effet, le réseau LTE possède des spectres de fréquences qui ne sont pas utilisés et qui permettent aux opérateurs d’y installer ou de faire coexister le NB-Iot facilement.

 

NB-IoT-Réseaux Mobiles

Source: Ericsson

 

Un réseau à dimension internationale

 

Le NB-IoT est un réseau qui a hérité de nombreuses fonctionnalités et mécanismes des réseaux que nous connaissons actuellement, notamment l’option de l’itinérance aussi appelée Roaming.

Cette possibilité permet au NB-IoT et aux opérateurs de mutualiser leurs réseaux et de fournir une dimension internationale à ce réseau. L’illustration ci-dessous démontre que le NB-IoT est très largement supporté en Europe et aux États-Unis.

 

NB-IoT - Map

 

Source: gsma

 

Si la théorie permet au NB-IoT de faire du Roaming, dans la pratique il n’existe encore que très peu de contrats entre opérateurs permettant de le faire. Chez Rtone, lors du développement du produit de nos clients, nous conseillons pour résoudre ce problème d’utiliser la technologie eSim dans le design de l’objet. En effet, cette technologie permet de facilement basculer d’un opérateur à l’autre. Nous parlerons plus largement de la technologie eSim (embedded SIM) et de ses bienfaits dans un prochain article. (n’hésitez pas à vous inscrire à notre Newsletter)

“ Les réseaux étant en construction, les accords de roaming sont en cours de signature pour certains opérateurs. Orange par exemple a déjà signé des accords avec plusieurs opérateurs sur le réseau Cat M, peu à peu, l’offre s’ouvre laissant ainsi la possibilité aux industriels de promouvoir leur produit sur le marché européen. Pour palier à tous les cas d’usage, SimCom propose des modules multi-technologies, assurant ainsi une continuité de service en basculant sur le réseau 2G. En attendant, SFR, unique acteur proposant un réseau Nb-IoT, avance dans son déploiement, ainsi les villes de plus de 100 000 habitants sont dores et déjà maillées. (12 500 relais sont activés et on peut estimer qu’il y a ¾ de la population qui est couverte)” M.F.

 

Une technologie Low-Cost

 

“Les offres des opérateurs devraient permettre de maintenir un coût de connexion optimisé.” M.F

De par la simplicité du protocole NB-IoT, les fabricants de puces électroniques ont pu créer des puces radios peu onéreuses. Le NB-IoT permet ainsi d’avoir accès aux fonctionnalités des réseaux cellulaires à des prix très avantageux. SIMCom, l’un des grands noms de l’industrie du cellulaire, propose par exemple un modem SIM7070G que l’on peut trouver en dessous des 10 USD !

 

Une communication sécurisée

 

L’avantage du NB-IoT est d’être un réseau cellulaire héritant des mécanismes de sécurité propre aux infrastructures mobiles. Il permet ainsi d’avoir des fonctionnalités telles que l’authentification, du chiffrement, et ’intégrité de données. Le protocole utilisé par le NB-IoT est l’UDP (User Datagram Protocol) facilitant ainsi la mise en place de protocoles tel que le DTLS (Datagram Transport Layer Security). Le client peut aussi choisir de mettre en place son propre APN (Access Point Name) pour pouvoir manager facilement et en toute intégrité son réseau d’objets communicants.

 

Portée, scalabilité et tailles de messages

 

Un objet sur le NB-IoT possède une couverture proche de la téléphonie mobile de l’ordre de 5km à 50km en fonction de l’environnement (urbain ou rural) et du nombre d’antennes. Le NB-IoT est particulièrement reconnu pour son efficacité à pénétrer facilement les bâtiments et à être utilisable dans des lieux-dits ‘deep indoor’ où les autres réseaux ont du mal à communiquer. C’est aussi un réseau adapté à ce qu’on appelle le ‘massif IoT’, c’est-à-dire qu’il supporte une densité importante de capteurs. Il permet par l’utilisation de plusieurs techniques (telles que l’exploitation de plusieurs canaux, la gestion dans le temps et l’espace des ondes) d’obtenir un nombre conséquent de 100 000 objets connectables sur une seule cellule d’antenne. Enfin, un autre avantage du NB-IoT en plus d’être bidirectionnel est de proposer une taille pouvant aller jusqu’à 1600 bytes de données pour un seul message (contre 12 bytes chez Sigfox et 243 bytes pour le Lora). Enfin, il n’y a aucune limite de messages par jour.

 

“Les eaux souterraines ne sont pas faciles à mesurer et peuvent être un potentiel danger pour les villes côtières si le niveau des eaux n’est pas connu. C’est pourquoi SIMCom a collaboré avec une société européenne de la gestion des eaux en intégrant dans leur compteur d’eau souterraine intelligent, un module SIMCom NB-IoT SIM7020E. Les avantages d’avoir ce genre de technologie pour cette étude de cas sont l’amélioration de la précision des données, la réduction de la consommation d’énergie ainsi que la durabilité de la solution. De plus, elle est adaptée à divers environnements et la portée des messages est plus importante.” Magali Ferez (SIMCom)

 

Autonomie, latence et QOS

 

Contrairement au réseau cellulaire existant où la consommation d’énergie est importante, le NB-IoT a été développé pour le marché de l’IoT et par divers mécanismes, il permet d’atteindre des niveaux d’autonomie proche d’un Sigfox et de Lora (plus de 10 ans).

 

Le niveau de latence est lui aussi très intéressant sur le réseau NB-IoT avec des niveaux de l’ordre de 1,4 et 10s ce qui fait de lui le réseau LPWAN le plus efficace lorsque le niveau de latence doit être faible.

 

Le NB-Iot hérite comme on l’a dit des réseaux mobiles ce qui fait de lui un choix intéressant lorsque la qualité de service est importante dans un projet. La bande du LTE qui est une bande sous licence est entretenue par des opérateurs historiques qui garantissent la qualité de service de ces réseaux. Le NB-IoT est basé sur un protocole synchrone ce qui est optimal pour faire du QOS (Quality of Service).

 

Les inconvénients du protocole Nb-IoT

 

“Aujourd’hui techniquement, il y a peu “d’inconvénients” à ce genre de technologies. Normés par la 3GPP, les modules proposés, en version « Global », fonctionnent dans le monde entier.

Contrairement aux technologies Sigfox ou LoRa qui fonctionnent sur des fréquences libres (868MHz/433MHz et 169Mhz en Europe), le Nb-IoT n’est pas une technologie propriétaire, elle s’appuie sur une normalisation mondiale de réseaux et permet ainsi l’interopérabilité. Les fabricants de modules cellulaires répondent aux mêmes normes, ainsi les « industriels » peuvent basculer d’un fabricant à un autre (même si cela ne nous arrange pas toujours !).

Aussi, utiliser un module SIM7020G vous permettra de vous connecter au réseau NB-IoT, et ce, quel que soit le pays dans lequel votre device sera.

 

Si on peut lui trouver un inconvénient, pour l’instant, les réseaux ne sont pas totalement déployés, ou en tous cas pas dans la release 14- NB2 de la 3GPP, ainsi les débits attendus doivent encore être optimisés. Ce n’est qu’une question de temps !

 

En conclusion, nous sommes en train de préparer la ville de demain, le Nb-IoT et le Cat M sont des technologies qu’on appelle 5G ready… la partie Low Power de la 5G.”

Magali Ferez de SIMCom  

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Conclusion

 

Le NB-IoT s’est démontré être une excellente alternative, car il a su rassembler tous les avantages que l’on connaît avec les réseaux mobiles tout en restant un réseau adapté à l’Internet des Objets de demain. En ce sens, il s’agit d’un réseau à mi-chemin entre le LPWAN et le LTE.

 

  • Une faible consommation (objet sur batterie jusqu’à 10 ans et plus)
  • Adapté aux fortes densités de capteurs (5G ready)
  • Il entre dans la catégorie LPWAN avec des distances jusqu’à 50 km (milieu rural)
  • Il a un excellent taux de pénétration dans les bâtiments
  • Les modules sont low-cost (<10€) par rapport à du modem 2G et 3G

 

Le choix du réseau 2G et 3G n’est plus une option que l’on estime viable surtout si votre objet a vocation à avoir une durée de vie au-delà de 10 ans. Le NB-IoT répond clairement aux usages de l’IoT et là où hier l’option 2G et 3G était possible pour vos projets, l’option NB-IoT est aujourd’hui une alternative beaucoup moins onéreuse et adaptée. Cependant, pour les clients les plus frileux et prudents quant au déploiement encore en cours de ce réseau NB-IoT, nous conseillons une autre approche qui est d’utiliser des modules compatibles NB-IoT/2G. Certes un peu plus cher cette approche a l’avantage de pouvoir basculer de l’un à l’autre et de se baser sur un déploiement historique tout en positionnant votre objet sur un réseau d’avenir.

 

Comme toujours, le choix de l’architecture réseau doit être établi selon le cas d’usage. Il existe de nombreux autres réseaux performants tels que SigFox et Lora qui parfois peuvent être mieux adaptés. Chez Rtone en tant que pionniers du développement de solutions connectées en France, nous avons une connaissance fine de ces différents réseaux et solutions. Le choix de la connectivité est une étape déterminante dans la vie de votre objet et il est important de se faire accompagner. Rtone et ses équipes d’experts sont là pour vous orienter et vous conseiller sur les meilleures solutions.

 

Nous remercions Magali Ferez, Regional Sales Manager à SIMCom pour nous avoir accordé cette interview.

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