L'Internet des objets (IoT) est devenu une technologie de base pour connecter divers appareils dans des domaines tels que la consommation, l'industrie, la santé et les villes intelligentes. Les analystes prédisent que d’ici 2030, plus de 25 milliards d’appareils auront besoin d’un accès réseau fiable et évolutif.
Comment connecter ces appareils de manière économique, efficace,-économe en énergie et stable est un véritable défi. Les technologies sans fil traditionnelles telles que Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee et LTE/5G ne peuvent pas répondre pleinement à ces demandes spécifiques.
NB-IoT vise à combler cet écart. NB-IoT a été défini par 3GPP dans LTERelease13 et a été continuellement optimisé dans les versions ultérieures. Il s'agit d'un réseau étendu à faible puissance (LPWAN) fonctionnant sur un spectre sous licence. NB-IoT est spécialement conçu pour prendre en charge les communications massives de type machine-(mMTC). À l'heure actuelle, le NB-IoT a été appliqué dans des domaines tels que les villes intelligentes, les services publics, la logistique, l'agriculture et la santé.
Les défis de connexion rencontrés par l’expansion de l’Internet des objets
L’expansion du déploiement de l’Internet des objets (iot) est confrontée à plusieurs défis clés :
Consommation d'énergie : de nombreux appareils Internet des objets (IoT) sont alimentés par batterie-, mais ils sont généralement installés dans des endroits où le remplacement de la batterie est coûteux ou peu pratique. Ces appareils nécessitent une autonomie de batterie de 5 à 10 ans pendant le cycle de transmission proprement dit.
Zone de couverture : l'équipement est généralement installé dans des sous-sols, des tunnels ou des zones rurales, où les technologies telles que le Wi-Fi et le Bluetooth Low Energy (BLE) ne peuvent pas fournir de connexions fiables. Par conséquent, une couverture étendue et des capacités de pénétration profondes en intérieur sont d’une importance vitale.
Coût et évolutivité : le déploiement urbain peut impliquer des centaines de milliers de nœuds terminaux. Les modules d'équipement doivent être peu coûteux (en dollars à un chiffre) et le réseau doit prendre en charge chaque station de base pour connecter des dizaines de milliers d'appareils simultanément.
Le Wi-Fi consomme trop d'énergie et n'est pas adapté à une alimentation par batterie à long terme-. La distance de transmission de BLE et Zigbee est limitée. Bien que la LTE/5G offre d'excellentes performances, elle n'a pas été optimisée pour le faible volume de données et la transmission à basse fréquence-de nombreuses applications de l'Internet des objets.
La base technique du NB-IoT
NB-IoT est basé sur l'infrastructure LTE existante mais la simplifie, réduisant ainsi la complexité et la consommation d'énergie. Il fonctionne selon trois modes :
Mode réseau autonome : déployé dans le spectre GSM réattribué.
En-mode bande : déployé dans le bloc de ressources d'un opérateur LTE existant.
Mode bande de protection : déployé dans les bandes de protection inutilisées entre les opérateurs LTE.
Le module radio NB-IoT est plus simple et moins cher, avec une bande passante de canal de seulement 180 kHz. Les principales caractéristiques comprennent :
Couverture étendue : le budget de liaison amélioré lui permet de fonctionner dans des environnements complexes tels que les sous-sols et les zones éloignées.
Modes d'économie d'énergie-(PSM et eDRX) : l'appareil peut conserver son état d'enregistrement réseau mais rester en veille pendant une longue période, se réveillant uniquement lorsque la transmission de données est nécessaire. Cela peut réduire la consommation d'énergie au repos au niveau du microampère et prolonger la durée de vie de la batterie à plus de 10 ans.
Planification efficace : l'utilisation d'une liaison montante à bande étroite avec répétition du signal garantit la transmission stable de petites charges utiles de données (octets à kilo-octets). La plage de retard va de plusieurs centaines de millisecondes à plusieurs secondes, adaptée à la plupart des applications de télémétrie.
Densité des appareils : une seule cellule IoT NB-peut prendre en charge jusqu'à 50 000 appareils, permettant ainsi un déploiement urbain-à haute densité.
Sécurité : NB-IoT hérite du puissant cadre de sécurité 3GPP, y compris l'authentification, le chiffrement et la protection de l'intégrité basés sur la carte SIM-.
Débit : le débit de données est de plusieurs dizaines de kbps, optimisé pour les transmissions de données petites et peu fréquentes.
Application pratique
Comptage intelligent
Les entreprises de services publics constituent l'un des principaux domaines d'application de la technologie NB-IoT. Les compteurs d'eau et de gaz prenant en charge le NB-IoT ont remplacé la lecture manuelle des compteurs et peuvent transmettre des données de manière fiable, même dans les zones intérieures profondes telles que les sous-sols. Cela améliore la précision de la facturation, facilite la détection des fuites et minimise au maximum les opérations manuelles. Vodafone et d'autres opérateurs européens ont déployé des millions de compteurs intelligents NB-IoT.
Suivi des actifs et logistique
NB -Les capteurs IoT peuvent suivre l'emplacement et l'état des marchandises, y compris la surveillance environnementale. Par rapport aux solutions utilisant uniquement le GPS, la durée de vie de la batterie de ces capteurs a été considérablement prolongée. Par exemple, China Mobile a déployé la technologie NB-IoT sur des milliers de camions sous chaîne du froid, réduisant ainsi les pertes de marchandises de plus de 15 %.
Surveillance environnementale
Les villes déploient des capteurs NB-IoT pour surveiller la qualité de l'air, la pollution sonore et les niveaux d'eau. En Inde, les capteurs de niveau d'eau NB-IoT peuvent fournir des alertes d'inondation, démontrant le potentiel de cette technologie en termes de faibles coûts de maintenance et de déploiement à l'échelle municipale-.
Infrastructure intelligente
NB -L'IoT est intégré aux lampadaires intelligents, aux parcomètres et aux poubelles. À Vienne, les lampadaires intelligents utilisent le NB-IoT pour ajuster l'éclairage en fonction des conditions d'activité, réduisant ainsi la consommation électrique de 30 %. La poubelle intelligente avertira le service de collecte des déchets lorsqu'elle sera pleine, optimisant ainsi le parcours et économisant du carburant.
Appareils de santé et portables
NB -L'IoT peut être connecté à des appareils tels que des glucomètres à distance, des stimulateurs cardiaques et des boutons d'urgence personnels. Le projet pilote de télémédecine rurale utilise le NB-IoT pour surveiller les patients dans les zones où la couverture haut débit est insuffisante, réduisant ainsi la nécessité pour les patients de se rendre à l'hôpital.
Agriculture
Les capteurs d'humidité du sol guident les agriculteurs dans la formulation de plans d'irrigation visant à minimiser la consommation d'eau et à augmenter les rendements des cultures. Les colliers pour bétail peuvent suivre la localisation-en temps réel et l'état de santé des animaux, permettant ainsi une gestion plus efficace du troupeau.
Comparaison avec d'autres technologies de réseau étendu-à faible consommation (LPWAN)
LoRaWAN et Sigfox sont deux technologies LPWAN grand public fonctionnant dans un spectre sans licence. LoRaWAN est parfaitement adapté au déploiement dans des réseaux dédiés, tandis que Sigfox offre une couverture étendue via ses opérateurs de réseau. Cependant, par rapport à la technologie de spectre sous licence, les deux sont vulnérables aux interférences et peuvent présenter des limites en termes de capacité de liaison montante et de support à long terme de la part des opérateurs.
En revanche, le NB-IoT utilise un spectre sous licence, offrant une fiabilité-de niveau opérateur, une standardisation mondiale et une assistance à long terme-de la part des opérateurs de réseaux mobiles, ce qui le maintient en ligne avec l'orientation de développement du LTE-M et de la 5G. Par conséquent, le NB-IoT est parfaitement adapté aux réseaux publics gérés par les opérateurs, tandis que LoRaWAN offre généralement une plus grande flexibilité pour les réseaux d'entreprises privées.
Considérations sur la conception technique
NB-IoT est un complément plutôt qu'un remplacement d'autres normes sans fil telles que BLE, Wi-Fi ou Thread, et coexiste généralement avec elles dans les déploiements hybrides. Les ingénieurs doivent peser les avantages et les limites du NB-IoT :
Délai : un délai de quelques secondes ne s'applique pas aux applications qui nécessitent un contrôle en temps réel-.
Mobilité : la prise en charge de la commutation inter-cellulaire est limitée. Le NB-IoT est donc plus adapté aux appareils fixes ou à faible-mobilité.
Débit : le débit de données est limité à quelques dizaines de Kbit/s. Il n'est donc pas adapté aux applications à-volume de données-élevé.
Dépendance de l'opérateur : la couverture et la disponibilité fonctionnelle varient selon l'opérateur et la région.
Un déploiement efficace du NB-IoT nécessite une attention particulière aux aspects suivants :
Composition chimique des batteries : une sélection minutieuse est nécessaire, par exemple en utilisant-des batteries au lithium-chlorure de thionyle longue durée ou des supercondensateurs pour prendre en charge la transmission des impulsions de puissance.
Conception de l'antenne : bien que de petites antennes puissent être utilisées, elles doivent être soigneusement ajustées lorsqu'elles sont déployées sous terre ou dans un boîtier métallique pour obtenir les meilleures performances.
Sélection du module : les ingénieurs doivent faire correspondre les fonctions du module et les bandes de fréquences prises en charge avec l'infrastructure de l'opérateur réseau.
Mise à jour du micrologiciel : les mises à jour-Over-Over The Air (OTA) doivent être effectuées de manière incrémentielle et efficace pour économiser de l'énergie et de la bande passante.
Si vous développez de nouveaux circuits ou modules intégrés NB-IoT, T2M dispose d'une adresse IP vérifiée en silicium-, ce qui peut raccourcir le délai de commercialisation de vos produits et réduire les risques de développement.
Considérations réglementaires et de déploiement
NB -IoT utilise un spectre sous licence et doit coopérer avec les opérateurs de réseaux mobiles. Les ingénieurs doivent être familiers avec l'attribution du spectre, les réglementations locales et les permis de déploiement. Les licences de spectre garantissent des performances prévisibles et réduisent les interférences, ce qui constitue un avantage clé par rapport aux solutions LPWAN sans autorisation. De plus, les accords d'opérateur et les garanties de niveau de service sont cruciaux pour les déploiements-critiques au niveau urbain-dans des secteurs tels que les services publics, la santé et l'industrie.
Intégration avec les technologies émergentes
NB -L'IoT s'intègre de plus en plus à d'autres technologies pour créer de puissantes solutions hybrides :
Connexion hybride : les appareils peuvent utiliser le NB-IoT pour accéder au cloud et combiner des protocoles à courte portée-tels que BLE, Matter ou Thread pour obtenir l'interopérabilité des appareils locaux.
Intelligence Edge : NB : les appareils-IoT intégrés à des-accélérateurs d'IA à faible consommation peuvent traiter les données localement. Par exemple, les capteurs de vibrations industriels peuvent analyser les modèles de vibrations sur-site et envoyer uniquement des alertes anormales, économisant ainsi considérablement la bande passante.
Intégration des satellites : les modules NB-IoT sont testés avec des satellites à orbite terrestre basse (LEO) pour fournir des connexions aux applications maritimes, minières et agricoles éloignées.
Évolution de la sécurité : la recherche en cryptographie post-quantique vise à développer des algorithmes légers et résistants au quantique-qui peuvent s'exécuter sur des appareils NB-IoT, améliorant ainsi la capacité du réseau à résister aux menaces émergentes.
Industrie 4.0 : l'évolutivité et la haute efficacité énergétique du NB-IoT lui permettent de créer des réseaux de capteurs denses dans les usines intelligentes, notamment des capteurs de surveillance de l'état, des compteurs d'électricité et des étiquettes logistiques.
Perspectives d'avenir
NB-IoT a été intégré à la feuille de route 5G MTC, garantissant ainsi son développement et son évolution continus. Son intégration avec les réseaux hybrides, l'informatique de pointe, la connectivité par satellite et l'Industrie 4.0 en fait une technologie fondamentale pour un écosystème Internet des objets-évolutif et à faible consommation. À mesure que les villes et les industries adoptent des infrastructures plus intelligentes, le NB-IoT devrait devenir une solution de connectivité puissante et-rentable dans les décennies à venir.
L'application de l'-IoT NB dans le déploiement de l'IoT à grande-échelle
NB-IoT est spécialement conçu pour répondre aux exigences de base des applications-Internet des objets à grande échelle : haute efficacité énergétique, large couverture,-évolutivité à grande échelle et sécurité renforcée. Il comble le fossé clé entre les protocoles sans fil traditionnels et le LPWAN propriétaire en fournissant des solutions standardisées à l'échelle mondiale de qualité opérateur.
Son application pratique dans des domaines tels que les compteurs intelligents, la surveillance environnementale, la logistique, les soins de santé et l'agriculture a prouvé son efficacité dans divers scénarios d'application. Malgré ses limites en termes de latence, de mobilité et de débit, le NB-IoT reste une technologie complémentaire importante pour la construction de réseaux Internet des objets à grande échelle-, économes en énergie-et sécurisés.
Avec des milliards d'appareils connectés au réseau, il est crucial pour les ingénieurs développant des systèmes stables et orientés vers l'avenir de comprendre les avantages et les inconvénients, les technologies de déploiement et le potentiel d'intégration du NB-IoT.
