Dans le domaine de l’Internet des objets (IoT), de nombreux protocoles sans fil essaient de tirer leur épingle du jeu. Mais si chacun de ces protocoles offre des avantages, ils présentent aussi de nombreux inconvénients : l’un offre un débit élevé, mais a une portée médiocre ; l’autre a une plus grande portée, mais utilise des bandes de fréquences différentes selon la région du monde ; un autre encore utilise la même bande de fréquences partout dans le monde, mais nécessite une passerelle dédiée que vous devrez également concevoir, certifier et maintenir vous-même à jour.

Si vous avez conçu un appareil que vous souhaitez pouvoir déployer dans le monde entier, vous avez certainement déjà envisagé le recours à la technologie cellulaire. Le problème avec les protocoles cellulaires, c’est qu’on peut vite se perdre au milieu de tous ces acronymes. De plus, la technologie cellulaire ne semble pas satisfaire aux exigences en matière de durée de vie des batteries pour les objets IoT. Mais est-ce bien le cas ?

Passage en revue des acronymes cellulaires

3GPP (3^rd Generation Partnership Project) est l’organisme qui chapeaute le développement des protocoles de télécommunications mobiles. Initialement créé pour développer les normes 3G (UMTS), il a ensuite créé la 4G (LTE) et supervise aujourd’hui le développement de la 5G. Pour la plupart des autres technologies sans fil, les normes sont d’abord entièrement développées avant d’être déployées. Dans le cas de la téléphonie mobile, la 5G est une norme en constante évolution. En effet, la première forme complète de la norme 5G était la version 15, achevée en 2018.

Les partenaires de 3GPP travaillent actuellement aux versions 18 et 19. Pour cela, des groupes de travail opèrent en parallèle pour ajouter et affiner des fonctionnalités à mesure que les besoins des utilisateurs évoluent et que la technologie progresse. Cette démarche évolutive est en grande partie possible du fait que certaines fonctionnalités du réseau sont implémentées dans un logiciel, ce qui simplifie leur mise à niveau.

La 5G offre un débit de données moyen supérieur à 100 Mbit/s. Or, la majeure partie des appareils IoT n’a besoin que d’un débit de l’ordre du kbit/s. Pour ces applications, il existe deux standards intéressants (figure 1) qui ont été développés pour la 4G, mais que l’on retrouve aussi dans la 5G, à savoir :

• LTE-M (LTE Cat M2) – Avec une liaison montante maximale de 7 Mbit/s et une liaison descendante de 4 Mbit/s, la latence est inférieure à 100 ms. Le voice-over-LTE est également pris en charge. Les appareils peuvent être transférés entre les stations de base, comme un smartphone.
• NB-IoT (LTE Cat NB2) – La liaison montante maximale est ici de 160 kbit/s pour une liaison descendante de 127 kbit/s et une latence inférieure à 10 s. Le voice-over-LTE n’est pas pris en charge, pas plus que le transfert entre stations de base.

Qu’en est-il de la consommation électrique ?

Dans le cadre de ses normes cellulaires à destination de l’IoT, 3GPP s’est fixé pour objectif de garantir une durée de vie de 10 ans pour une batterie de 5 Wh. Bien que l’effort soit louable, cela n’est pas suffisant pour les ingénieurs. Des tests menés dans des conditions identiques ont montré que le NB-IoT est moins énergivore que le LoRa tout en utilisant des facteurs de propagation plus élevés (c’est-à-dire en assurant une communication à plus longue portée). Lors de tests menés sur le terrain, il s’est même avéré que le LTE-M nécessite en fait moins d’énergie que le NB-IoT pour transférer une même quantité de données (voir figure 2), car la radio est allumée moins longtemps.

Pour se faire une bonne idée de ce que la technologie cellulaire peut apporter à l’IoT, il existe sur le marché une gamme intéressante de chipsets hautement intégrés, dont le dernier SiP (système dans un boîtier) de la série nRF91 produite par Nordic Semiconductor, le nRF9151. Ce dispositif IoT cellulaire avancé a une empreinte 20 % plus réduite que son prédécesseur, le nRF9161, et offre une puissance de sortie de classe 5 (20 dBm) – en complément de la classe 3 (23 dBm) – afin de fournir davantage de flexibilité dans les conceptions visant à prolonger la durée de vie de la batterie (voir figure 3).

Ce nouveau SiP prend en charge les protocoles LTE-M et NB-IoT. Étant donné la diversité dans le déploiement mondial de l’IoT, seule une de ces deux technologies est prise en charge dans certaines régions du monde. Le fait que nRF9151 soit compatible avec les deux garantit donc la connectivité quasiment dans le monde entier. Cette double technologie offre également un avantage secondaire. Dans l’hypothèse où votre application reposerait sur le NB-IoT, mais que la prise en charge de mises à jour OTA s’avère nécessaire, le nRF9151 est alors capable de passer au LTE-M pour utiliser le débit de données disponible le plus élevé.

Mise en œuvre et déploiement

L’un des aspects rebutants de la technologie cellulaire est le fait de devoir s’enregistrer auprès d’un opérateur de réseau. Notre expérience de consommateur nous a appris qu’il faut d’abord choisir un opérateur, puis attendre que la carte SIM nous soit envoyée par courrier et enfin nous escrimer parfois à insérer correctement cette carte dans notre smartphone. Alors, l’idée de devoir faire cela chaque jour avec des centaines d’appareils IoT n’a évidemment rien de réjouissant.

Heureusement, nous n’en sommes plus là, notamment grâce à l’eUICC, une technologie qui permet les mises à jour OTA de votre SIM. Ainsi, si vous souhaitez changer d’opérateur de réseau mobile ou charger une autre configuration, l’opération peut être réalisée à distance, sans changement physique de carte SIM. On parle alors d’une carte eSIM. Le facteur de forme MFF2 est fourni dans un boîtier semi-conducteur soudable aux dimensions de 6 × 5 × 0,9 mm et dont l’empreinte est 30 % plus petite que celle d’une carte nano-SIM.

Une autre méthode consiste à intégrer la fonctionnalité SIM dans un logiciel. C’est ce qu’on appelle l’iSIM. C’est l’approche choisie par Nordic Semiconductor en s’associant à Onomondo pour offrir aux développeurs l’itinérance mondiale avec la SoftSIM. Cette technologie se passe de matériel SIM et ne requiert donc aucun espace sur le circuit imprimé (PCB). La mise en œuvre s’effectue au niveau logiciel et les clés sont stockées dans une zone sécurisée du micrologiciel. Cette méthode permet en outre de réduire la consommation d’énergie, car toutes les commandes APDU (Application Protocol Data Unit) sont exécutées sur le SiP plutôt que sur une carte SIM matérielle externe via une interface série.

Une expérience antérieure qui procure un avantage

Afin de garantir un développement fluide, le nRF9151 est pris en charge par les mêmes outils de développement que pour tous les autres dispositifs de la série nRF91, à savoir le SDK Memfault Firmware pour le débogage à l’aide de backtraces, nRF Cloud pour la gestion du cycle de vie et d’autres services (voir figure 4), ainsi que nRF Connect pour la surveillance du modem cellulaire. En conclusion, lorsque les protocoles LoRa, Bluetooth, Zigbee ou Z-Wave vous semblent aussi peu adaptés à vos besoins que l’est une fourchette pour manger de la soupe, l’IoT sur réseau cellulaire peut être l’ustensile dont vous avez besoin.