La chronique de la 5G : la 5G et l’Internet des objets

12/05/2018
Auteurs : Patrice Collet
Publication REE REE 2018-2
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2018-2:22863

Résumé

La chronique de la 5G : la 5G et l’Internet des objets

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	    <date dateType="Updated">Sun 15 Jul 2018</date>
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26 ZREE N°2/2018 Patrice Collet poursuit sa chronique sur les technolo- gies qui vont sous-tendre la 5e génération de communi- cations mobiles. Dans ce numéro, il nous parle de l’apport de la 5G à l’Inter- net des objets (IoT). Introduction L’idée de connecter des entités matérielles ou logicielles (les objets) à l’Internet est apparue avec le développement massif de celui-ci à la fin des années 1990 : elle a pris son essor sous le nom d’Internet des objets (IoT1 ). L’objectif est de pouvoir agir à distance sur des entités, de superviser leur bon fonctionnement, de collecter des données élaborées par des capteurs de différente nature ou de permettre à ces entités d’interagir directement entre elles. A priori le champ d’application est immense de la télérelève de compteurs à la supervision d’installations industrielles en passant par la surveillance de malades à domicile et l’interaction avec les véhicules autonomes. La mise en œuvre effective de l’IoT requiert évidemment la connexion des entités à un réseau qui, pour des raisons évidentes de facilité de raccordement, devra de préférence utiliser des moyens hertziens plutôt que filaires. De nom- breuses technologies de réseaux peuvent être utilisées2 pour ce faire comme Wi-Fi, Bluetooth ou ZigBee à courte distance ou bien des technologies à bas débit mais plus longue dis- tance comme LoRaWAN ou Sigfox, ou encore les réseaux mobiles cellulaires à longue distance. Par leur très grande couverture et leur infrastructure préexistante, ces derniers semblent a priori être de bons candidats pour figurer parmi les réseaux préférés de l’IoT. Mais les exigences propres à un certain nombre d’applications ne pourront pas être satisfaites sans évolution par les systèmes cellulaires tels qu’ils sont mis en œuvre aujourd’hui et se pose bien évidemment la ques- tion du coût des connexions, en investissement et en ex- ploitation. La cybersécurité est également une préoccupation importante pour un grand nombre d’applications de l’IoT : comment interdire des accès malveillants à ces entités pour 1 IoT : Internet of Things, Internet des objets 2 Pour plus de détails sur les réseaux et l’IoT, on pourra se référer à l’étude de la SEE « L’Internet des objets 2018 » publiée comme numéro hors-sé- rie de la REE en 2017. éviter par exemple des vols de données ou le sabotage d’ap- plications ? Les réseaux doivent contribuer à la cybersécurité de l’IoT par exemple par le chiffrement des liaisons ou par l’authentification des entités. La satisfaction de l’ensemble des exigences des diverses applications de l’IoT est donc l’une des motivations du déve- loppement des systèmes de 5e génération : ceux-ci devraient permettre à leurs opérateurs de disposer d’une infrastructure de communication permettant d’offrir en plus du téléphone et du transport de données, le support des applications de l’IoT. Pour permettre aux réseaux en service de jouer le rôle de réseau longue distance de l’IoT sans attendre la générali- sation du déploiement de la 5G, le 3GPP a défini des évolu- tions de LTE-A lui permettant de satisfaire un certain nombre de contraintes que nous venons d’évoquer. Les exigences de l’IoT et les réseaux 5G Les exigences des différentes applications IoT vis-à-vis des réseaux sont nombreuses et varient d’une famille d’applica- tions de l’IoT à l’autre. La consommation d’énergie Une des exigences les plus connues est la limitation de la consommation d’énergie par la fonction de communication dans les entités de l’IoT : en effet certaines entités comme les capteurs ne disposent que de très faibles réserves d’éner- gie alors même que leur durée de vie doit pouvoir atteindre 10 ans sans intervention. Il faut donc que cette énergie soit réservée à la communication, même si elle n’a lieu que pen- dant des périodes brèves séparées par de longues périodes de silence. Or l’interaction avec les réseaux mobiles, via no- tamment les protocoles de gestion de la mobilité, peut être très coûteuse en énergie si aucune procédure particulière n’est mise en œuvre. Ces protocoles doivent donc être amé- nagés pour limiter leur consommation d’énergie et n’être ac- tivés que lorsque les capteurs ont besoin de communiquer. Cette préoccupation est prise en compte dans la définition de la 5G et dans les évolutions de LTE-A. La densité de connexion Les études sur le marché de l’IoT prévoient une explosion du nombre des objets à desservir par les réseaux. Ces der- niers devront donc être capables de fournir une densité de connexion (mesurée en termes d’objets à desservir par unité de surface) qui dépasse significativement celle rencontrée avec les terminaux mobiles et les smartphones. Or les tech- ACTUALITÉS Chronique de la 5G La 5G et l’Internet des objets REE N°2/2018 Z 27 nologies d’accès multiple utilisées jusqu’à présent dans les réseaux mobiles visent la réduction des interférences entre utilisateurs en allouant à chacun d’eux une ressource propre en temps ou en fréquence suivant la technologie d’accès multiple utilisée. On dit alors que la méthode d’accès multi- ple est orthogonale (OMA). Pour augmenter la densité de connexions il faudrait faire croître les ressources allouées, avec le risque qu’elles soient très mal utilisées : il est en effet probable qu’un très grand nombre d’entités de l’IoT, comme par exemple les capteurs de télérelève, seront sources et puits d’un très faible volume de données. Pour faire face à la demande massive de com- munication entre machines (mMTC3 ), sans une consomma- tion excessive de ressources, on envisage de partager une même ressource entre plusieurs utilisateurs en faisant appel à des méthodes d’accès non orthogonales. Avec la 5G, on s’est fixé l’objectif de pouvoir atteindre une densité de connexion d’un million d’objets desservis par km² 3 mMTC : massive Machine Type Communication soit dix fois plus que ne le permet la 4G. Pour atteindre cet objectif, on envisage donc, en plus des méthodes d’accès multiple orthogonales, d’utiliser des méthodes non orthogo- nales comme NOMA4 (figure 1) ou SCMA5 . Les données des utilisateurs utilisant les mêmes ressources sont discriminées par la puissance émise en NOMA et par l’utilisation d’un code propre à chacun d’eux en SCMA. La réduction de la latence Un certain nombre de familles d’applications de l’IoT, comme par exemple les véhicules autonomes ou les au- tomatismes industriels, imposent des fonctionnements en temps réel « dur ». Le temps de traversée des réseaux par les paquets de données (latence) doit donc, avec la 5G, être réduit d’un facteur 10 passant de 10 ms environ en 4G à 1ms. Pour satisfaire à cet objectif il faut agir aussi bien au niveau de l’accès radio que du cœur de réseau. Dans la nouvelle radio 5G ont été définies un espacement des sous- porteuses et des structures de trame flexibles : ainsi le retard induit par la traversée de l’accès radio peut être réduit pour certains usages le nécessitant. Dans le cœur de réseau la mise en œuvre de la virtualisation des fonctions de réseau (NFV) et du network slicing6 permet de configurer le cœur de réseau de façon à réduire le temps de traversée en met- tant en œuvre les seules fonctions adaptées à la fourniture de services à faible latence dans une « tranche » de réseau spécialisée aux services IoT à faible latence (figure 2). 4 NOMA : Non Orthogonal Multiple Access - Accès multiple non orthogonal 5 SCMA : Sparse Code Multiple Access 6 Voir REE 2015 n°2. Figure 1 : Principe de NOMA - Source: IEEE 5G Tech Focus. Figure 2 : Principes du Network Slicing. Source : NGMN. ACTUALITÉS 28 ZREE N°2/2018 IoT et carte SIM Les objets de l’IoT pour se connecter aux réseaux cel- lulaires doivent être équipés d’un module d’identification d’utilisateur (SIM) : les utilisateurs de téléphone mobile le connaissent sous la forme de la carte SIM personnalisée par les opérateurs. Il permet d’identifier l’opérateur de réseau et les services auxquels l’utilisateur a souscrit. La carte impose aux différents terminaux d’incorporer un lecteur de carte SIM : ce serait une contrainte forte pour certaines entités de l’IoT, en particulier les capteurs qui seront installés par mil- lions et doivent avoir un prix très bas. De plus, un tel arrange- ment lierait fortement un opérateur de service IoT à son opé- rateur de réseau : en effet il serait très difficile pour le premier d’intervenir sur tous les capteurs qu’il a installés. C’est une des raisons qui ont poussé la GSMA7 à définir l’eSIM8 dans laquelle les informations d’identification ne sont plus portées par une carte SIM physique mais sont téléchargées dans un circuit intégré pré-installé dans l’entité qui doit se connecter au réseau (figure 3). C’est une évolution indépendante de la 5G mais de nature à faciliter l’usage des réseaux cellulaires par les services IoT. Les évolutions de la 4G vers l’IoT Parallèlement aux travaux sur la 5G, des évolutions ont été définies dans les systèmes de générations précédentes pour les adapter aux besoins de l’IoT. Elles permettent de 7 GSMA : GSM association. Association regroupant opérateurs et fournis- seurs de téléphonie mobile du monde entier. 8 eSIM : Embedded SIM : Module d’identification d’utilisateur embarqué. commencer à utiliser les réseaux installés pour offrir certains services de l’IoT sans attendre le déploiement de la 5G. Depuis sa définition dans la version 8 des spécifications du 3GPP, LTE (4G) a fait l’objet de nombreuses évolutions. En particulier certaines d’entre elles ont pour but de prendre en charge l’IoT. Réduction des consommations d’énergie Une première famille de modifications a pour objet de réduire la consommation d’énergie demandée aux entités IoT pour leur connexion aux réseaux cellulaires. Les spécifica- tions des terminaux LTE comportent, dès l’origine, un méca- nisme de réception discontinue (DRX9 ) qui permet de limiter leur consommation d’énergie : le récepteur n’est actif que cycliquement pendant une durée fixée par le réseau. Avec la version 13 des spécifications, pour faire mieux face aux exigences des équipements de l’IoT comme les capteurs, le mécanisme DRX a été étendu sous le nom de eDRX10 ; la durée de la période de veille peut atteindre dans ce cas 44 min : la consommation d’énergie est ainsi réduite (figure 4). L’équipement IoT peut toujours transmettre, à son initiative, des données vers le réseau et le réseau connaît les instants auxquels il peut communiquer avec celui-ci. Pour les terminaux IoT qui ne sont pas susceptibles de recevoir de commande du réseau, mais doivent émettre des données, un mode d’économie d’énergie particulier (PSM11 ) a été défini dans la version 12 des spécifications de 3GPP. 9 DRX : Discontinuous Reception : Réception discontinue. 10 eDRX : Extended DRX 11 PSM : Power Saving Mode. Mode économie d’énergie. Figure 3 : De la carte SIM à l’eSIM – Source: SK Telecom. Figure 4 : Evolution de la réception discontinue vers eDRX. ACTUALITÉS REE N°2/2018 Z 29 Avec PSM, le terminal s’éteint tout en restant enregistré sur le réseau : il reste éteint, en principe, pendant une durée prédé- finie lors de l’attachement au réseau ou lors de la mise à jour de la localisation (figure 5). Elle peut au maximum atteindre 12,1 jours. Pendant cette phase le terminal est inaccessible depuis le réseau, mais il peut prendre l’initiative d’un transfert de données vers le réseau. Les nouveaux profils de la 4G LTE Dans la version 13 de ses spécifications, le 3GPP a intro- duit deux nouvelles catégories de services dans la 4G LTE afin de répondre à deux catégories de besoins. La première, LTE-M (appelée aussi e-MTC), est com- patible au plan matériel avec les installations LTE déjà dé- ployées et ne nécessite que des modifications logicielles dans les réseaux installés. Elle utilise une bande de 1,4 MHz dans les bandes de fréquence allouées à LTE. LTE-M offre des débits pouvant atteindre 1 Mbit/s en mode half-duplex. LTE-M peut transporter le service de voix et est compatible avec le transfert intercellulaire. Les services de voix peuvent être un complément intéressant pour la connexion de bornes d’alarme incendie par exemple. La seconde NB-IoT offre un service à débit limité à quelques centaines de kbit/s avec une latence élevée et avec une mobilité réduite (pas de transfert intercellulaire). Elle utilise une bande de 180 kHz qui peut soit remplacer une porteuse du GSM, soit appartenir aux bandes de garde de LTE, soit enfin appartenir à la bande LTE (figure 6). NB-IoT impose d’installer dans les stations de base offrant le service un nouveau modem. Elle utilise une technologie radio spéci- fique, OFDMA dans le sens descendant et SC-FDMA12 dans le sens montant. Ainsi sans attendre le déploiement de la 5G, les réseaux LTE peuvent donc avec LTE-M et NB-IoT, couplés avec PSM, servir dès aujourd’hui de réseau de raccordement de termi- naux IoT. Seule la 5G permettra de faire face à la très forte densité de connexion que pourra demander le déploiement massif de l’IoT. En mars 2018, 44 opérateurs à travers le monde avaient lancé des réseaux NB-IoT et 13 des réseaux LTE-M. Avec la 5G et les évolutions de la 4G, les réseaux cel- lulaires devraient être armés pour participer à la com- pétition avec les autres technologies de réseau dédiées à l’IoT. Au-delà de la satisfaction aux exigences techniques des applications de l’IoT, leur succès dépendra largement des structures et des niveaux de tarif des offres que les opérateurs mettront sur le marché ainsi que des garan- ties qu’ils pourront fournir en termes de cybersécurité. Q Patrice Collet 12 SC-FDMA : Single Carrier Frequency Division Multiple Access Figure 5 : Le mode PSM. Source : Université de Poitiers Figure 6 : NB-IoT, les différents modes de transmission. ACTUALITÉS