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Le LTE Cat 1bis au service des applications LPWAN Valerio Carta

((Source : u-blox))

Compte tenu du décommissionnement des réseaux 2G et 3G, déjà en cours dans de nombreux pays, le LTE-M se profile aujourd’hui comme la technologie LPWA cellulaire la plus adaptée à l’Internet des objets. En raison des limitations du NB-IoT, la région Asie-Pacifique et l’Union européenne affichent une demande croissante en LTE Cat 1bis.

Fait paradoxal, c’est pourtant dans ces mêmes régions que le NB-IoT a été initialement déployé. Il s’est avéré a posteriori que la plupart des applications IoT mobiles continuaient d’utiliser les anciennes technologies 2G/3G tant que cela était possible afin de garantir la stabilité des services en termes de connectivité, de mobilité et d’itinérance. Seule la Chine a fait exception en la matière, puisque la migration y a été imposée par voie réglementaire.

 

La comparaison entre le LTE-M et le LTE Cat 1bis penche clairement à l’avantage du LTE-M. Il se distingue en effet par plusieurs caractéristiques qui en font la technologie la plus appropriée pour les applications IoT dans la plupart des cas d’utilisation. Ces principaux avantages sont :

  • Consommation d’énergie : le LTE-M prend en charge les modes basse consommation tels que PSM et eDRX, ce qui permet de prolonger la durée de vie des batteries.
  • Bilan de liaison : le LTE-M affiche une perte de couplage maximale (MCL) de -154 dBm contre -149 dBm pour le LTE Cat 1. Le LTE Cat 1bis perd 3 à 4 dB supplémentaires par rapport au Cat 1 en raison de la perte de l’antenne Rx diversity. Il en résulte donc que la MCL du LTE Cat 1bis accuse une différence de 8 à 9 dBm par rapport à celle du LTE-M. Grâce à sa MCL plus élevée, le LTE-M est en mesure de mieux maintenir les connexions actives lorsque les conditions de transmission du signal sont médiocres, par exemple dans un environnement densément urbanisé, dans un parking sous-terrain ou en limite de cellule. De plus, le LTE-M est une technologie robuste. Il convient parfaitement aux applications de terrain, utilisées durant une période prolongée avec des conditions de réseau changeantes.
  • Coût total de la solution : une application LTE-M coûte la moitié de ce que coûterait une application équivalente basée sur le LTE Cat 1. Cependant, l’écart de prix avec le LTE Cat 1bis est plus réduit et même, dans certains cas précis, peu significatif.
  • Compatibilité 5G : les standards LTE-M et NB-IoT sont déjà inclus dans la norme 5G. Les réseaux 5G les prendront en charge à l’avenir, de façon à en faire des standards pérennes. Ce n’est en revanche pas le cas des LTE Cat 1 et 1bis, qui disparaîtront avec les réseaux 4G.

Sur certains points, le LTE Cat 1bis surpasse le LTE-M, notamment en termes de latence et de débit de données. Seulement, dans la plupart des cas d’utilisation, ces caractéristiques ne sont pas pertinentes dans une plage de quelques Mb/s.

Le LTE-M répond aux exigences de la plupart des cas d’utilisation de l’IoT qui reposaient auparavant sur les technologies 2G et 3G : bande passante moyenne, faible consommation d’énergie et faible coût, pour n’en citer que quelques-unes. De plus, sa MCL est meilleure, ce qui garantit donc une meilleure transmission du signal à l’intérieur des bâtiments.

Figure 1: Comparatif LTE-M et LTE Cat 1bis (Source : u-blox)

Pourquoi considérer aujourd’hui le LTE Cat 1bis comme une technologie LPWA valable ? Quels facteurs déterminants pourraient amener les développeurs IoT à considérer le LTE Cat 1bis comme une option en termes de technologie LPWA ? Pour répondre à ces questions, il faut tout d’abord tenir compte du cas d’utilisation particulier, de l’écart de prix et de la situation du déploiement des technologies LPWA dans le monde. Lorsqu’il s’agit de choisir une technologie de communication appropriée, plusieurs facteurs entrent en ligne de compte. En voici une liste non exhaustive :

  • La quantité de données transmises et l'impact sur la batterie.
  • La couverture et la disponibilité du réseau.
  • La durée de vie du service.
  • La taille de l’appareil.

Quantité de données transmises et impact sur la batterie

Avec un débit descendant de 375 Ko et un débit montant de 1 Mo, ainsi qu’un schéma de modulation simplifié et une bonne MCL, le LTE-M est une technologie parfaitement adaptée aux applications IoT qui ne réclament que des débits de données faibles à moyens. De plus, le LTE-M est compatible avec les fonctionnalités eDRX et PSM, des modes d’économie d’énergie innovants qui permettent de prolonger la durée de vie des batteries bien au-delà de ce qui est possible avec le LTE Cat 1 ou 1bis.

Il ne faut toutefois pas oublier que certaines applications IoT comme la vidéosurveillance, les systèmes d’alarme avec vidéo ou les services de santé connectés produisent un volume de données considérable. Pour ce type d’utilisation, la technologie LTE Cat 1bis peut s’avérer un meilleur choix.

Avec plus de bande passante, les données sont transmises plus rapidement. Les données passent par conséquent moins de temps « sur les ondes » et leur transfert sollicite donc moins la batterie. Selon le volume de données, le fait de les transmettre plus rapidement implique qu’elles passent aussi moins de temps sur les ondes, ce qui permet d’améliorer l’efficacité énergétique du transfert de données. Mais ce cas de figure ne s’applique que si la bande passante disponible est limitée par rapport au volume de données.

Pour les applications qui ne sont pas alimentées par batterie ou qui peuvent être facilement ou fréquemment branchées à une alimentation, le LTE Cat 1bis peut toutefois toujours convenir malgré sa consommation d’énergie plus élevée. Bref, un écart de prix inférieur et des vitesses de transfert de données plus élevées sont autant de bonnes raisons d’opter pour le LTE Cat 1bis plutôt que pour le LTE-M.

Couverture réseau

L’extinction des réseaux 2G et 3G déjà en cours dans plusieurs pays marque aussi l’arrêt de la portabilité au niveau mondial qui était jusqu’alors assurée par ces deux standards obsolescents. Or, le manque de coordination en ce qui concerne le déploiement des technologies LPWA a provoqué une situation mondiale particulière. La région Asie-Pacifique et l’Europe de l’Est ne bénéficient que d’une couverture NB-IoT, tandis que les Amériques, l’Australie et quelques pays européens disposent à la fois du NB-IoT et du LTE-M, même si le déploiement de ce dernier se heurte à plusieurs obstacles. La 4G LTE est présente dans la plupart des pays africains où ni le NB-IoT ni le LTE-M n’ont été déployés. L’Afrique du Sud fait toutefois figure d’exception, puisque le NB-IoT y est actuellement actif.

La mise en œuvre de deux standards (d’abord le NB-IoT, puis le LTE-M) donne lieu à une situation délicate en Europe occidentale. Prenons l’exemple de l’Italie : les opérateurs de téléphonie mobile italiens, à l’instar de la plupart de leurs homologues européens, ont d’abord déployé le NB-IoT. Cependant, en 2022, Vodafone Italia met en service le LTE-M. Le service est donc techniquement disponible, mais il est loin de couvrir tout le territoire national et aucune date n’a été avancée pour la couverture totale, d’autant plus que la couverture du NB-IoT n’est elle-même pas complète.

De pareils cas de figure peuvent mener les développeurs IoT à considérer le LTE Cat 1bis comme une technologie LPWA valable. Même s’ils peuvent entre-temps encore compter sur la 2G, son avenir semble compromis au-delà de 2025.

Durée de vie du service

Le LTE-M possède un avantage considérable par rapport aux LTE Cat 1 et 1bis, à savoir qu’il est régi par la spécification 5G. La post-compatibilité du LTE avec les réseaux 5G garantit que certaines applications IoT utilisant le LTE peuvent rester opérationnelles sur le terrain durant des années. Elles peuvent dès lors être déployées à distance ou dans des endroits difficilement accessibles (comme les compteurs internes). Pour ces cas d’utilisation, le LTE-M est le seul choix garantissant la pérennité du service, tandis que le LTE Cat 1bis ne survivra pas à l’extinction des réseaux 4G (qui devrait toutefois rester en place au moins jusqu’en 2030).

Le LTE Cat 1bis ne constitue donc un choix valable que s’il s’agit d’assurer la connectivité dans les quelques années à venir. Les développeurs IoT devraient envisager cette solution uniquement pour les applications à durée de vie courte ou moyenne (par rapport à l’arrêt de la 4G) et si un écart de prix réduit le justifie. Il semble en revanche plus raisonnable de réserver le LTE-M aux conceptions de nouvelle génération, en attendant son déploiement complet. Enfin, le LTE Cat 1bis est le seul choix possible dans le cas d’applications mobiles devant avoir recours à l’itinérance des données à travers des pays où différentes technologies LPWA sont déployées, par exemple entre l’Europe de l’Ouest et l’Europe de l’Est.

Taille de l’appareil

Malgré la miniaturisation des composants électroniques, les développeurs éprouvent encore des difficultés à répondre à certains cas d’usage. Ce problème affecte davantage le LTE Cat 1 que le LTE-M, à cause de la prise en charge de la Rx-diversity et de la nécessité d’une conception à double antenne. Par exemple, le LTE Cat 1 est bien adapté au marché des wearables. Le LTE Cat 1 offre en effet à la fois une bande passante, une couverture et une consommation d’énergie suffisantes. Tout ce dont ce type d’appareils a besoin.

Dans la mesure où les concepteurs recherchent des solutions compactes, il leur faut trouver un juste équilibre entre taille et performance. C’est pourquoi il leur arrive souvent de ne pas mettre en œuvre la ligne Rx-diversity et de supprimer la deuxième antenne de la conception.

Avec son antenne simplifiée, un moins grand nombre de pièces nécessaires et son prix plus abordable (par rapport au LTE Cat 1), le LTE Cat 1bis peut également remplacer le LTE Cat 1. C’est en tout cas une solution appropriée pour des applications limitées en taille et avec de meilleures structures de coûts, capables malgré tout d’offrir des performances similaires.

Prise en charge des appareils

Le portefeuille de produits LTE-M d'u-blox a pour point de départ la première série de modules LTE-M certifiés, les SARA-R4. C’est sur la base de cette série que le chipset LTE-M UBX-R5 a été développé. Ce chipset constitue à présent la base de la famille de modules sécurisés SARA-R5 d'u-blox, qui intègrent donc aussi un élément sécurisé.

Pour le LTE Cat 1, u-blox propose les modules LARA-R6 (entièrement compatibles Rx-diversity) et la série LENA-R8 pour LTE Cat 1bis. La série LENA-R8 est également disponible en combo avec une variante LTE Cat 1bis + GNSS. Le cœur du GNSS est la nouvelle plateforme GNSS M10. Le combo LENA-R8 (LENA-R8M10) dispose de deux alimentations.

 

Conclusion

Le LTE Cat 1bis n’est pas forcément une technologie concurrente du LTE-M, mais devrait plutôt être considéré comme une technologie complémentaire au sein de l’écosystème cellulaire LPWA. Dans toutes les régions où le service a été déployé, le LTE-M convient à la plupart des cas d’utilisation de l’IoT, à l’exclusion seulement des applications nécessitant une large bande passante ou une vitesse de transfert élevée. En pareil cas, le LTE Cat 1bis ou même le LTE Cat 1/Cat 4 s’avèrent des solutions plus appropriées.



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Valerio Carta est Senior Product Marketing Manager Cellular chez u-blox

 

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