IdO cellulaire — Comparaison des technologies CIoT

Note de l'éditeur :les exigences croissantes pour une disponibilité accrue des appareils IoT coïncident avec l'émergence de technologies cellulaires bien adaptées à l'IoT . Pour les développeurs, le besoin d'informations plus détaillées sur les technologies cellulaires et leur application à l'IoT n'a jamais été aussi aigu. Extrait du livre Cellular Internet of Things, cette série présente les concepts et technologies clés dans ce domaine.

Dans une série précédente, les auteurs ont décrit l'évolution du paysage du cellulaire, son rôle dans l'IoT et les technologies pour les communications massives de type machine (mMTC) et les communications ultra fiables à faible latence (URLLC).

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Adapté de Cellular Internet of Things, par Olof Liberg, Marten Sundberg, Eric Wang, Johan Bergman, Joachim Sachs.

Chapitre 9. Le paysage technologique concurrentiel de l'Internet des objets (suite)

Par Olof Liberg, Marten Sundberg, Eric Wang, Johan Bergman, Joachim Sachs

9.3 CHOIX DE LA TECHNOLOGIE CIoT

9.3.1 COMPARAISON DES TECHNOLOGIES CIoT

Les différentes technologies CIoT EC-GSM-IoT, NB-IoT et LTE-M ont été analysées en détail dans les chapitres 3 à 8. Ici, nous résumons et comparons les performances et les caractéristiques. Pour NB-IoT, nous considérons dans ce résumé uniquement les options de déploiement intrabande et autonome pour plus de simplicité. Les performances du mode de fonctionnement en bande de garde sont dans une large mesure similaires aux performances dans la bande. L'analyse complète des performances NB-IoT, y compris le fonctionnement de la bande de garde, est disponible au chapitre 8.

9.3.1.1 Couverture et débit de données

Les débits de données en liaison montante et en liaison descendante pour toutes les technologies CIoT sont résumés dans les figures 9.7 et 9.8 pour différentes pertes de couplage. Toutes ces technologies ont introduit des fonctionnalités de couverture étendue, qui permettent un fonctionnement avec une perte de couplage allant jusqu'à 164 dB. Il s'agit d'une extension significative de la plage de couverture par rapport à ce que l'on peut trouver aujourd'hui dans les réseaux Global System for Mobile Communications (GSM), UMTS ou Long-Term Evolution (LTE). Pour EC-GSM-IoT, la perte de couplage de 164 dB est basée sur un appareil avec une puissance de sortie de 33 dBm, comme cela est courant dans les réseaux GSM. Cependant, cela signifie qu'une puissance de sortie de l'appareil 10 dB plus élevée est nécessaire pour une gamme étendue complète dans EC-GSM-IoT par rapport à la puissance de sortie de l'appareil pour NB-IoT et LTE-M pour obtenir la même couverture de liaison montante. Lorsque l'on examine plus en détail les résultats de la couverture étendue dans les chapitres 4, 6 et 8, on constate que NB-IoT peut fonctionner à un taux d'erreur de bloc de canal de contrôle inférieur à EC-GSM-IoT et LTE-M à 164 dB MCL , ce qui le rend plus robuste à une couverture extrême. On peut noter que LTE-M et EC-GSM-IoT peuvent appliquer des sauts de fréquence, ce qui offre une robustesse de couverture supplémentaire en raison de la diversité de fréquence ajoutée.

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FIGURE 9.7 Couverture et débit de données de la couche physique pour la liaison montante.

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FIGURE 9.8 Couverture et débit de données de la couche physique pour la liaison descendante.

Les figures 9.7 et 9.8 fournissent également les débits de données de la couche physique valeurs pour les différentes technologies CIoT. Le débit de données de couche physique de crête instantané spécifie le débit de données réalisable des canaux de données uniquement. Les autres valeurs de débit de données dans les tableaux se réfèrent aux débits de données de couche physique effectifs pour la transmission d'un message unique, où les latences pour la programmation et la signalisation de contrôle sont également prises en compte dans le temps de transmission du message. Dans cette comparaison, il est supposé que le fonctionnement en semi-duplex est utilisé pour toutes les technologies, mais il convient de noter que les dispositifs LTE-M peuvent également être mis en œuvre avec la prise en charge du fonctionnement en duplex intégral qui permettra d'atteindre des débits de données plus élevés (avec des débits de pointe proches du débits de données de pointe instantanés de la couche physique). Ces débits sont fournis pour les appareils avec une perte de couplage différente avec la station de base :débit de données de couche physique de pointe correspond à un appareil avec une connexion idéale sans erreur à une station de base. Les débits de données de la couche physique à 144 dB de perte de couplage correspondent au bord de cellule normal de la cellule radio GSM ou LTE, et 154 et 164 dB correspondent à 10 et 20 dB d'extension de couverture par rapport au bord de cellule du GSM.

Ce que l'on peut voir, c'est que LTE-M peut atteindre des débits de données nettement plus élevés en liaison montante et descendante par rapport à NB-IoT ou EC-GSM-IoT. C'est notamment le cas pour les appareils qui se trouvent dans la couverture normale de la cellule radio. Lorsque les appareils sont situés dans des zones de couverture étendues, la liaison montante est limitée par la puissance de sortie de l'appareil, et toutes les technologies CIoT nous font des répétitions pour atteindre la qualité de liaison requise. Dans des situations de couverture extrêmes comme à une perte de couplage de 164 dB, les débits de données réalisables pour différentes technologies deviennent assez similaires en utilisant la même puissance de sortie. EC-GSM-IoT a, à 164 dB MCL, un débit de données plus élevé que les autres technologies en raison de la puissance de sortie supérieure de 10 dB de l'appareil. Au sein du même opérateur LTE, le LTE-M a en général des débits de données plus élevés que le NB-IoT intrabande.

Les trois technologies satisfont à l'exigence 3GPP en atteignant 160 bps au MCL de 164 dB.

9.3.1.2 Latence

La latence des technologies CIoT a été évaluée par rapport à un rapport d'exception , qui est un message IoT peu fréquent et très important contenu dans un paquet IP de 85 octets, qui est transmis à partir d'un appareil sur le réseau CIoT. Toutes les technologies, LTE-M, NB-IoT et EC-GSM-IoT, remplissent l'objectif de latence 3GPP de 10 s défini pour la première fois dans la version 13, comme illustré à la figure 9.9. Lorsqu'un appareil se trouve dans une couverture normale, le LTE-M peut atteindre des latences légèrement inférieures en raison des débits de données plus élevés fournis par le LTE-M. Dans une couverture étendue, EC-GSM-IoT peut fournir la latence la plus faible en raison de la puissance de sortie de l'appareil plus élevée, qui peut fournir des débits de données plus élevés. Le NB-IoT autonome a une latence inférieure à celle du NB-IoT intrabande en raison de la puissance plus élevée utilisée pour les canaux de liaison descendante.

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FIGURE 9.9 Latence pour le rapport d'exception.

9.3.1.3 Durée de vie de la batterie

La durée de vie de la batterie a été analysée pour toutes les technologies CIoT, en supposant deux piles AA d'une capacité conjointe de 5 Wh. Un rendement de l'amplificateur de puissance de 45 % à 50 % a été supposé pour les trois technologies IoT.

Dans l'ensemble, toutes les technologies CIoT appliquent des mécanismes pour économiser la durée de vie de la batterie pour la transmission peu fréquente de messages, comme cela est courant pour de nombreux services IoT. Les principes fondamentaux sont que les appareils ne deviennent actifs que pour le transfert de données, et sinon sont mis dans un état de veille économisant la batterie. Des procédures efficaces ont été définies, qui minimisent le surdébit de signalisation associé au transfert de données. Ceci est particulièrement important pour les petits messages, car toute surcharge de signalisation peut alors représenter une part importante de la consommation d'énergie.

Pour un rapport quotidien d'un message de 200 octets, la durée de vie de la batterie pour les différentes technologies CIoT est illustrée à la Figure 9.10. Les résultats pour différentes tailles de messages et périodicités de transferts de données IoT sont résumés dans le tableau 9.5. Dans l'ensemble, toutes les technologies permettent des durées de vie des batteries de 10 ans, voire dans certains cas nettement plus longues. Le plus grand défi pour une longue durée de vie de la batterie est lorsqu'un appareil est situé dans une très mauvaise position de couverture. Dans le mode de couverture étendue, des débits de données très faibles sont utilisés et de nombreuses répétitions sont appliquées pour le transfert de données. Dans cette situation, un appareil nécessite un effort prolongé pour les transmissions de données, ce qui réduit la possibilité de se reposer dans un état de veille économisant la batterie. En conséquence, la durée de vie de la batterie est considérablement réduite au MCL de 164 dB pour toutes les technologies CIoT. Avec une perte de couplage aussi importante, une durée de vie de la batterie de 10 ans ne peut être atteinte que si les événements de transfert de données d'un appareil se produisent rarement, comme une fois par jour. Pour les événements de transfert de données plus fréquents, comme un message toutes les 2 heures, des durées de vie de la batterie de 1 à 3 ans sont réalisables à un MCL de 164 dB.

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FIGURE 9.10 Durée de vie de la batterie pour un appareil avec un rapport quotidien d'un message de 200 octets.

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Tableau 9.5 Durée de vie de la batterie

Les trois technologies remplissent, ou indiquent un potentiel de remplir, l'exigence 3GPP pour atteindre une durée de vie de la batterie de 10 ans au MCL de 164 dB.