Les réseaux de communication de l’IoT - De la 4G à la 5G

01/12/2017
Auteurs : Patrice Collet
OAI : oai:www.see.asso.fr:20892:20901
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Les réseaux de communication de l’IoT - De la 4G à la 5G

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Les réseaux de communication de l’IoT De la 4G à la 5G P. Collet Rennes 1er décembre 2017 Introduction • Depuis la release 8 du 3GPP des évolutions importantes de LTE vers LTE-A et LTE advanced Pro • Concernant IoT: – Des techniques de réduction de consommation des terminaux • Power Saving Mode : PSM • Extended Idle Mode Discontinuous Reception eDRX – Des techniques radio adaptées à l’IoT: • EC-GSM IoT : Extended Coverage GSM IoT • LTE-M ou eMTC • NB IoT – Une évolution de l’architecture pour les services IoT • SCEF: Service Capability Exposure Function • Définies en release 13 et seront étendues en R14 PSM: Power Saving Mode Mode de fonctionnement applicable aux applications où les données sont transmises de façon programmée par les terminaux Avec PSM, le terminal reste enregistré dans le réseau : pas de ré attachement nécessaire ni de rétablissement de session de données. Il ne répond plus aux paging du réseau durant un temps qu’il indique préalablement au réseau Le terminal n’est plus accessible jusqu’à son réveil. eDRX : extended Discontinuous Reception • Permet de réduire les échanges de message • Prolonge le temps séparant deux périodes d’écoute de messages de paging. – Le terminal peut indiquer au réseau sa durée Caractéristiques principales des solutions R13 Famille EC-GSM-IoT eMTC NB-IoT Modes de déploiement In-band GSM In-band LTE In-band LTE/GSM, Stand- alone, et Guard-band LTE Fréquences 800 à 900 MHz 700 à 900 MHz 700 à 900 MHz Largeur de canal 200 kHz 1,4 MHz dont 1,08 occupés 200 kHz dont 180 kHz occupés Débit maximal et modulations Flux montants et descendants : ~ 70 kbit/s (GMSK) ~ 240 kbit/s (8PSK) Flux montants et descendants : 1 Mbit/s (QPSK et 16 QAM) Flux descendants: ~250 kbit/s Flux montants : ~250 kbit/s (multi-tone) ~20 kbit/s (single-tone) Puissance d’émission 33 dBm, 23 dBm 23 dBm, 20 dBm 23 dBm, 20 dBm Budget de liaison 164 dB en classe 33 dBm 154 dB en classe 23 dBm 155,7 dB 164 dB Portée typique <15 km <11 km <15 km Capacité (nb d’objets) ~ 50 000 objets par cellule EC-GSM-IoT • Défini dans la version 13 des spécifications du 3GPP • S’appuie sur le transport de données du GPRS – Débit de 70 à 240 kbit/s selon la modulation • Nécessite une mise à niveau logicielle sur – L’accès radio – Le cœur de réseau • Couverture améliorée de 20 dB: – Par répétition systématique du signal (Blind Physical Layer Repetitions) • Consommation réduite grâce à: – PSM et eDRX • Sécurité renforcée par rapport au GSM standard eMTC ou LTE-M • Extension logicielle de LTE • Utilise un canal à 1,4 MHz à l’intérieur d’un canal LTE • Offre un débit de 10 kbit/s à 1 Mbit/s • Utilise PSM et eDRX pour réduire la consommation du terminal avec l’objectif d’une autonomie des batteries de 10 ans • Couverture améliorée de 15 dB Narrowband IOT (NB-IOT) • Quelles applications sont visées? – À débits faibles : quelques dizaines de kbit/s – Acceptant des latences significatives : jusqu’à la seconde – A faible mobilité :pas de transfert intercellulaire • Caractéristiques: – Interface radio spécifique • OFDMA dans le sens descendant • Single tone ou multitone SCFDMA dans le sens montant – Bande étroite de 180 kHz – Plusieurs ressources physiques possibles • Remplacement d’une porteuse GSM par celle de NB-IoT • Utilisation de ressources dans la bande de garde LTE • Utilisation d’une bande disponible dans la spectre LTE NB-IoT: modes de déploiement SCEF • SCEF est une entité qui fournit des moyens d’accéder à des fonctions du réseau mobile au travers d’interfaces de programmation d’application de réseau (Network API) • Des applications IoT peuvent ainsi accéder à des fonctions du réseau: par exemple – Demander un certain niveau de QoS – Agir sur le mode de tarification – Être informée de l’état de charge du réseau – … • SCEF intervient aussi dans les transferts de données non IP entre un terminal et des applications IoT (NIDD non IP Data Delivery Déploiement des accès IoT 3GPP • En Août 2017: – 8 opérateurs avaient lancé des réseaux NB-IoT • Europe et Asie – 3 opérateurs avaient mis en œuvre LTE-M • USA notamment – Des chipsets ou modules traitant NB-IoT ou LTE-M sont disponibles: • Plusieurs dizaines sur le marché • Des évolutions de NB-IoT et LTE-M en R14: – Localisation du dispositif, Multicast… 5G • Quelle amélioration apportera la 5G pour IoT? – Une intégration des exigences de l’IoT dans la conception du système – La diminution des temps de latence : de l’ordre de la milliseconde – Des ressources radio nouvelles notamment avec l’accès aux bandes millimétriques – L’intégration dans une même architecture de différents types d’accès radio – Une extension de la couverture des besoins IoT • Véhicules rapides • Débits élevés – Le recours à des techniques d’accès multiple non orthogonales => un plus grand nombre de dispositifs peuvent être connectés – Efficacité radio accrue: Mimo massif, Cloud RAN, …