LTE-M : les points essentiels à maîtriser avant de choisir ce réseau

Elle s’est depuis imposée comme l’une des solutions LPWAN les plus adaptées pour déployer des systèmes IoT nécessitant une basse consommation tout en couvrant de larges zones géographiques.

Dans cet article, nous allons voir en détail le fonctionnement du protocole LTE-M, les cas d’usage de cette technologie et comment elle se compare aux autres solutions disponibles.

Au menu

• LTE-M : pourquoi un réseau cellulaire basse consommation ?
• Spécifications et fonctionnalités du réseau LTE-M
• Dans quels cas choisir le réseau LTE-M ?
• Couverture et déploiement du réseau LTE-M
• Ce qu’il faut retenir
  
  

LTE-M : pourquoi un réseau cellulaire basse consommation ?

Le choix de la technologie de communication sans fil d’un dispositif IoT est crucial. Il doit être pensé dès les premières phases de développement du produit en fonction des différentes spécifications et contraintes liées à son cas d’usage.

LPWAN, cellulaire ou short range

Les connectivités Wifi, Bluetooth, RFID ou ZigBee sont utilisées pour des applications où la communication des données se fait sur de courtes distances (de l’ordre de quelques mètres à une centaine de mètres).

Tandis que les technologies cellulaires classiques (2G, 3G, ou 4G) étaient souvent utilisées pour les applications où le déploiement des dispositifs IoT se faisait sur de vastes distances.

Au fur et à mesure du développement de l’Internet des objets, il s’est avéré que ces deux types de technologie n’étaient pas adaptés pour tous les cas d’usage IoT.

En effet, pour des applications telles que l’industrie 4.0, les applications smart city ou encore l’agriculture connectée, le déploiement d’un grand nombre de capteurs se fait sur des distances pouvant aller jusqu’à des dizaines de kilomètres.

En raison des vastes zones à couvrir et/ou de leur difficulté d’accès, ces capteurs tirent souvent leur énergie de petites batteries pour transmettre de façon régulière des données à des serveurs distants.

Il est donc clair que les connectivités Wifi, Bluetooth ou Zigbee ne pourraient pas être utilisées au vu de leur faible portée.

Les technologies cellulaires classiques, bien qu’elles soient capables de couvrir de larges distances, sont surdimensionnées en termes de débit, de consommation en énergie ou de coût de déploiement pour les cas d’usage en question.

Naissance de la technologie LPWAN

Face à ce besoin, un nouveau paradigme IoT appelé LPWAN (Low-Power Wide Area Network) a vu le jour au début de la dernière décennie.

Proposant un compromis original, le LPWAN s’est depuis imposé comme une solution de premier choix pour les systèmes IoT et M2M nécessitant une basse consommation tout en ayant une large portée.

Les applications IoT basse consommation à réseau étendu étant aussi différentes les unes que les autres, une seule technologie LPWAN ne permettrait pas de répondre à tous les besoins.

Il existe donc une multitude d’implémentations du LPWAN qui diffèrent en termes de débit, de bandes de fréquences utilisées ou de modulation.

Néanmoins, nous pouvons classifier ces implémentations en deux grandes catégories : les réseaux LPWAN non-cellulaires et les LPWAN cellulaires.

Pour aller plus loin
Introduction aux réseaux LPWAN
Introduction aux réseaux IoT : une vue d'ensemble

LTE-M : un réseau LPWAN cellulaire

Le LTE-M (Long-Term Evolution for Machines), autrement appelé LTE Cat-M1, fait partie des réseaux LPWAN cellulaires.

Ce protocole exploite l’infrastructure LTE déjà existante et a été standardisé par la 3GPP (Third Generation Partnership Project) pour faire face à la demande croissante des industriels, et plus particulièrement, ceux qui souhaitent déployer des solutions IoT nécessitant un débit plus haut que celui offert par les LPWAN non-cellulaires, une meilleure couverture et une latence faible tout en ayant une alternative moins gourmande en énergie et en coût que les réseaux cellulaires classiques.

Spécifications et fonctionnalités du réseau LTE-M

Afin d’offrir une solution adaptée aux cas d’usage cités plus haut, le réseau LTE-M se démarque des autres réseaux LPWA en offrant principalement :

• Une autonomie de longue durée (> 5 ans)
• Un temps de latence faible et adaptable
• Une couverture étendue
• Un débit élevé et adaptable

L'autonomie : le PSM et le eDRX à la rescousse

Pour beaucoup d'applications IoT et M2M, telles que l’agriculture connectée, l’industrie 4.0 ou encore le biologging, les objets doivent opérer pendant une longue durée sur batterie.

L’autonomie du dispositif connecté est ainsi un paramètre critique qui conditionne non seulement la faisabilité du déploiement mais aussi son coût.

Le protocole LTE-M permet aux designers de systèmes IoT de faire des économies au niveau du budget énergétique des dispositifs déployés principalement en réduisant la communication entre les objets et le réseau.

Ceci est possible grâce à deux innovations majeures : le PSM (Power Saving Mode) et l’eDRX (Extended Discontinuous Reception).

PSM (Power Saving Mode)

Bien qu’il soit toujours possible pour un device IoT d’éteindre son module de communication quand il n’est pas utilisé afin de réduire sa consommation, cette solution n’est pas privilégiée par les concepteurs car la procédure de détachement/rattachement au réseau est coûteuse sur la durée en énergie.

Le mode PSM permet au dispositif de rentrer dans une phase de veille profonde tout en restant enregistré sur le réseau. Durant cette phase, le dispositif ne sera pas joignable et restera en veille profonde jusqu’à ce qu’un timer pré-défini expire ou que le device ait besoin de communiquer des données sur le réseau.

eDRX (Extended Discontinuous Reception)

Le mode eDRX permet au dispositif IoT d’étendre ses intervalles de paging. En effet, quand un device est en état de repos, il doit écouter les messages entrants sur le canal de paging.

Pour certaines applications, il est tout à fait tolérable que le device ne soit pas joignable pendant plusieurs minutes. Ainsi, pour ce type d’applications, le mode eDRX permet d’augmenter l’autonomie du device en prolongeant l’intervalle de paging de 5,12s à 43,69 minutes.

PSM + eDRX = autonomie décuplée 

❝ Le concepteur du système IoT peut utiliser les modes PSM et eDRX simultanément afin d’augmenter considérablement l’autonomie des dispositifs.

 

Cependant, comme rien n’est jamais gratuit, le gain en autonomie se fera au détriment d’une communication temps-réel avec le device.

 

Il est donc important, en fonction de l’application, de trouver un compromis entre l’économie d’énergie et la réactivité du device. ❞

Débit et latence optimisés

Le LTE-M permet une transmission de données à des débits variables pouvant aller de la dizaine de bits/s jusqu’à 1 Mbit/s pour les modules Cat-M1 utilisant une bande de fréquences 1.4 MHz.

Il est à noter que la release 14 a introduit le protocole LTE CAT-M2 qui permet d’atteindre sur une bande de fréquences 5 MHz des débits de 4 Mbit/s en lien descendant et 7 Mbit/s en lien ascendant.

En termes de latence, le protocole LTE-M offre une latence faible et adaptable.

En effet, pour les applications nécessitant une communication temps-réel telle que des dispositifs médicaux ou des systèmes de transport intelligents, le mode de couverture normale offre une latence de l’ordre de quelques millisecondes.

Pour des applications telles que le biologging ou la météorologie, le mode “extension de couverture” du LTE-M offre une latence de l’ordre de quelques secondes.

Ces performances en termes de débit et de latence confèrent au LTE-M un avantage considérable par rapport aux réseaux LPWA concurrents (SigFox, LoRaWAN ou encore le NB-IoT) qui sont souvent limités en débit (quelques dizaines voire quelques centaines de Kbit/s) et ont des latences relativement plus grandes (plus de 10 fois celle du LTE-M dans certains cas).

En raison de cette adaptabilité en débit et en latence, le LTE-M permet de couvrir un champ d’applications plus large comme on peut le voir sur la figure 1 ci-dessous :

Différents cas d’usage du réseau LTE-M en fonction du débit et de la latence

Une couverture améliorée avec les modes CE-A et CE-B

Le standard LTE CAT-M1 a introduit deux fonctionnalités qui améliorent la couverture du réseau. Il s’agit des modes CE (Coverage Enhancement) A et B.

Les modes CE-A et CE-B : quel intérêt ?

Concrètement, ces deux modes permettent une amélioration de la couverture principalement en exploitant la technique de répétition.

Ainsi, chaque transmission de données est répétée des dizaines ou même des centaines de fois afin d’augmenter les chances d’une transmission réussie.

Le mode CE-A vs CE-B

Le mode CE-A permet jusqu'à 32 répétitions alors que le mode CE-B permet jusqu’à 2048 répétitions. Le mode CE-A est le mode par défaut.

Le mode CE-B, quant à lui, est optionnel et a été introduit pour améliorer la couverture dite profonde. C’est un mode qui est particulièrement adapté pour des applications indoor comme des systèmes de mesure de gaz en sous-sol par exemple.

Bien évidemment, le mode CE-B permet d’améliorer la couverture indoor au détriment de la latence et du débit de données. Il est donc primordial de n’utiliser ce mode que pour des applications limitées en volume de données et nécessitant un débit relativement faible.

Dans quels cas choisir le réseau LTE-M ?

Comme décrit précédemment, les applications IoT basse consommation à réseau étendu sont différentes les unes des autres et une seule technologie LPWAN ne permettrait pas de répondre à tous les besoins.

Plusieurs protocoles LPWAN qui diffèrent en termes de débit, de latence, ou de couverture ont vu le jour ces dernières années.

Il est donc important de trouver le meilleur compromis entre les différents paramètres discutés plus haut afin de choisir la technologie LPWAN la plus adaptée à votre application.

LTE-M vs NB-IoT vs Sigfox vs LoRa

Si, pour votre cas d’usage, vous disposez d’un budget énergétique très faible, que vous avez besoin de recueillir des données de petite taille, et qu’une faible fréquence d'acquisition (quelques mesures par jour par exemple) vous suffit, il convient sans doute d’utiliser une connectivité non-cellulaire de type LoRaWAN ou SigFox.

Si votre application requiert une transmission fréquente de données et que vous avez besoin d’un débit de transmission de données important (exemples d’application : suivi logistique, Industrie 4.0, médecine connectée...), une connectivité cellulaire est plus adaptée. Le choix se fera ainsi entre le LTE-M et le NB-IoT.

Afin de vous aider à faire votre choix, l’objectif de la section ci-dessous est de discuter les facteurs les plus importants à prendre en considération.

Focus LTE-M vs NB-IoT : débit et latence

Débit

Comme on a vu précédemment, Le LTE-M permet une transmission de données à des débits variables pouvant aller jusqu’à 1 Mbit/s en Uplink (UL) et Downlink (DL) pour les modules Cat-M1 et jusqu’à 7 Mbit/s en UL et 4 Mbit/s en DL pour les modules Cat-M2.

En ce qui concerne le NB-IoT, il offre un débit de transmission pouvant aller jusqu’à 25,5 Kbit/s en DL et jusqu’à 62,5 Kbit/s en UL.

Latence

La latence est aussi un facteur déterminant à considérer. Le LTE-M offre une latence pouvant aller de 10 ms à quelques secondes suivant le mode utilisé, alors que le NB-IoT atteint des latences allant de quelques secondes à une dizaine de secondes.

Il est donc clair qu’en termes de débit et de latence, les deux réseaux ne jouent pas dans la même ligue.

En effet, le réseau LTE-M présente des performances supérieures d’un ordre de grandeur comparé au NB-ioT.

Le LTE-M sera donc plus adapté à des applications où une latence faible et un haut débit sont requis, tels que des dispositifs médicaux connectés (monitoring à distance des patients) ou l’industrie 4.0 (monitoring des infrastructures et des process).

De son côté, le NB-IoT peut être une alternative pour des applications de monitoring de l’environnement (mesure de la qualité de l’air, température, humidité…) ou de télémétrie (compteurs d’eau et d’électricité). Ces applications sont également assurées par la technologie GSM.

Il est aussi intéressant de souligner que si vos dispositifs IoT doivent être contrôlés à distance, tout dépendra du type de manœuvre souhaitée. S’il s’agit d’une manœuvre simple, telle que le changement de la fréquence d’acquisition d’un capteur, le protocole NB-IoT peut être adapté.

En revanche, si votre application nécessite des interventions complexes (contrôle d’un bras robotique par exemple), le NB-IoT ne sera pas adapté à votre cas d’usage en raison de sa latence. Ainsi, pour des cas d’usage similaires, il conviendra de choisir le réseau LTE-M.

Focus LTE-M vs NB-IoT : support de la mobilité et voix sur IP

Dans beaucoup de cas d’usage, tels que le suivi logistique ou la smart city, les dispositifs IoT sont amenés à être souvent en mouvement.

Pour assurer une communication continue, les modules radios en mouvement doivent constamment mesurer les signaux provenant des cellules du réseau et activer la procédure de Handover. Là encore, le LTE-M et le NB-IoT présentent des différences majeures par rapport à la gestion de la mobilité.

En effet, le NB-IoT a été conçu pour des devices statiques, la mesure des signaux provenant des tours radios voisines a été abandonnée afin d’augmenter l’autonomie de la batterie. Ainsi, lorsque les appareils NB-IoT sont en mouvement, les sessions sont abandonnées et les appareils doivent se reconnecter au réseau.

De l’autre côté, la technologie LTE-M supporte le handover permettant ainsi aux dispositifs mobiles de changer de tour de communication sans perte de session même à des vitesses pouvant dépasser les 100 km/h.

La voix sur IP est une des fonctionnalités qui profitent du handover. Le protocole LTE-M supporte la voix sur IP, désignée aussi sous le nom de Voice over LTE (VoLTE).

Ainsi, pour des applications IoT pouvant nécessiter une certaine interaction humaine (smart home, système d’alarme ou des systèmes de monitoring sanitaires), le LTE-M est la solution la plus adaptée.

Focus LTE-M vs NB-IoT : ce qu'il faut retenir

Pour résumer, le choix de la technologie de communication sans fil à utiliser pour équiper vos dispositifs nécessite une compréhension détaillée des différences majeures qui existent entre ces technologies.

Ainsi, le LTE-M et le NB-IoT offrent tous les deux des fonctionnalités pour améliorer l’autonomie et la couverture, bien que le NB-IoT offre une autonomie et une couverture relativement meilleures que le LTE-M.

Cependant, comme on peut le voir sur le tableau ci-dessus, le LTE-M s’impose comme une meilleure solution pour les cas d’usage où le débit, la latence, la prise en charge de la voix ou le support de la mobilité sont les paramètres les plus importants.

Comparaison des fonctionnalités majeures entre le LTE-M et le NB-IoT

Couverture et déploiement du réseau LTE-M

Bien que le lancement commercial de la technologie soit relativement récent (2017), le nombre de réseaux LTE-M déployés a connu une évolution rapide depuis. En date de mars 2021, le nombre de réseaux LTE-M disponibles dans le monde est de 52 d’après la GSM Association, la liste des réseaux est consultable sur le même lien.

La figure ci-dessous montre la répartition des réseaux LTE-M et NB-IoT déployés au niveau mondial. Le nombre total de réseaux LPWA cellulaires est passé d’une cinquantaine en 2018, à 119 en 2019 et à 156 en mars 2021. Toutefois, on peut constater qu’il y a encore du chemin à faire pour atteindre une couverture mondiale.

Carte mondiale des déploiements des réseaux LPWA cellulaires -  Source GSMA

Bien qu’au départ, on pensait que l’Amérique du nord allait se focaliser sur le LTE-M et que l’Asie et l’Europe allaient de leur côté se focaliser sur le NB-IoT, il est intéressant de noter qu’aujourd’hui le protocole LTE-M est présent sur les trois continents.

Couverture LTE-M du réseau Orange en France - Source : Orange

En France, le déploiement du réseau LTE-M, comme on peut le voir sur la figure ci-dessus est bien avancé à travers l’opérateur Orange. En effet, l’opérateur annonce que +99% de la population en France métropolitaine est couverte par la technologie LTE-M.

En septembre 2021, Bouygues Telecom a annoncé le lancement de son réseau LTE-M. SFR a suivi un an plus tard.

Ce qu'il faut retenir

Face aux besoins de l’industrie IoT, les technologies de connectivité ont dû se développer et évoluer. Le protocole LTE-M est l'une de ces technologies qui a été conçue spécifiquement pour l'Internet des objets. Il offre une solution cellulaire basse consommation à réseau étendu avec :

• Une autonomie augmentée à travers les modes PSM et eDRX
• Une couverture améliorée outdoor et indoor, en exploitant les modes CE A et B
• Une latence faible et adaptable permettant d’élargir le champ d’application à plusieurs applications IoT critiques
• Un support de la mobilité avec le handover
  
  

Vers des technologies modernes et pérennes

Petit à petit le LTE-M remplace d’anciennes technologies comme la 2G/3G qui sont les solutions cellulaires choisies par les concepteurs pour assurer la connectivité de leurs systèmes.

Aujourd’hui beaucoup d’opérateurs ne souhaitent plus maintenir leur infrastructure 2G/3G en raison d’une demande décroissante.

Avec une 4G largement utilisée et une 5G qui arrive à grands pas, on peut présumer que dans un avenir plus ou moins proche les technologies 2G/3G seront abandonnées en faveur de réseaux 4G, 5G, LTE-M et NB-IoT qui sont plus adaptés aux besoins IoT. D’autant plus que ces deux derniers protocoles sont compatibles avec la 5G.

Cependant, le LTE-M ne manquera pas d’être challengé par la rude concurrence qui existe entre les différents acteurs de ce segment.

Face à cette concurrence, le LTE-M profite pour le moment d’une position confortable puisqu’il est un des protocoles LPWA les plus récents et qu’il est soutenu par de grands acteurs (constructeurs et opérateurs).

Les déploiements massifs prévus dans les années à venir joueront bien évidemment un rôle important dans son évolution.

Sources

1. Introduction aux réseaux LPWAN
2. 3GPP - Evolution of LTE in Release 13
3. 3GPP - Release 14
4. GSMA - LTE-M Deployment Guide to Basic Feature Set Requirements
5. LTE; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); User Equipment (UE) radio transmission and reception (3GPP TS 36.101 version 14.5.0 Release 14)
6. Performance of LTE in a high-velocity environment: a measurement study
7. GSMA - Mobile IoT Network Launches
8. GSMA - Mobile IoT Deployment Map
9. Orange Business - Couverture mobile de la technologie LTE-M en France