IoT à bande étroite : tout ce que vous devez savoir sur l'IoT à bande étroite

De la machine à vapeur à la chaîne de production, les premières vagues de la révolution industrielle ont profondément remodelé la civilisation humaine. Aujourd'hui, nous sommes à l'aube d'un nouveau tournant majeur : l'essor de l'Internet des objets (IoT). Cependant, pour que cette révolution s'impose véritablement, il est nécessaire de disposer d'une infrastructure de connectivité fiable, capable d'assurer une couverture étendue et fiable pour les milliards de capteurs et de terminaux attendus. C'est là qu'intervient l'IoT à bande étroite (NB-IoT).

Qu'est-ce que le NB-IoT exactement, et quelles sont les fonctionnalités uniques de cette norme cellulaire à bande étroite ? Et quel est son lien avec les options de connectivité IoT existantes ? Découvrons-le.

Qu'est-ce que l'IoT à bande étroite?

L'Internet des objets à bande étroite (NB-IoT) est un LPWAN protocole normalisé par le 3GPP pour permettre une large gamme de nouveaux appareils et services IoT connectés au réseau cellulaire.

Il offre un chemin sans fil dédié et optimisé pour l'IoT. Comme son nom l'indique, l'IoT à bande étroite utilise une bande passante très étroite, permettant une excellente couverture étendue tout en maximisant l'autonomie des appareils. Les appareils NB-IoT peuvent atteindre plus de 10 ans d'autonomie.

Utilisant des bandes de fréquences sous licence, telles que les bandes 4G LTE, le NB-IoT les optimise exclusivement pour la connectivité IoT. En réaménageant les bandes cellulaires existantes pour l'utilisation du NB-IoT plutôt que de nécessiter de nouvelles allocations de fréquences, cette technologie peut être rapidement déployée par les opérateurs de réseaux mobiles.

Grâce à une excellente couverture et à une efficacité énergétique exceptionnelle, le NB-IoT permet à une large gamme de nouveaux appareils IoT de fournir des données riches avec un coût de maintenance minimal, surmontant ainsi deux obstacles majeurs à l'adoption massive de l'IoT. Un déploiement mondial rapide est déjà en cours, notamment en Asie, en Europe et en Amérique du Nord.

Architecture IoT à bande étroite et son fonctionnement

Le NB-IoT a été normalisé en 2016 par le 3GPP dans la version 13 Pour fonctionner dans les bandes de fréquences sous licence des opérateurs mobiles. La communication entre les appareils NB-IoT et le réseau s'effectue dans une bande étroite de 200 kHz, contrairement aux bandes beaucoup plus larges utilisées par la connectivité cellulaire standard.

L'architecture NB-IoT se compose de terminaux (capteurs), de stations de base ou de points d'accès, du réseau central et de serveurs/plateformes d'applications. Des composants optionnels, comme des passerelles, peuvent être utilisés pour connecter des nœuds à l'intérieur des bâtiments ou sous terre lorsqu'un accès direct n'est pas possible.

Le NB-IoT dispose de trois modes de déploiement distincts pour maximiser la couverture sur diverses infrastructures :

1. En bande – Utilise des blocs de ressources au sein d'un opérateur LTE normal
2. Bande de garde – Utilise les blocs de ressources inutilisés dans un opérateur LTE normal
3. Autonome – Utilise un support autonome dans un spectre dédié
4. 

En exploitant l'infrastructure et le spectre cellulaires existants, le NB-IoT offre une solution IoT performante, prise en charge par les principaux fournisseurs de matériel et de puces à l'échelle mondiale. Il peut coexister avec d'autres technologies cellulaires comme la 2G, la 3G, la 4G, la LTE-M et la 5G grâce à ses modèles de déploiement flexibles.

Quels sont les avantages et les limites du NB-IoT

L'IoT à bande étroite offre d'immenses capacités de connectivité, mais présente également certaines contraintes techniques. Comprendre les avantages et les inconvénients actuels permet de définir clairement les attentes et de prendre une décision éclairée quant à la meilleure solution pour une application donnée.

Avantages de l'IoT à bande étroite

• Faible consommation d'énergie– La très faible consommation d'énergie est obtenue grâce à une faible bande passante de transmission et à des fonctions d'économie d'énergie pendant les périodes d'inactivité, comme PSM et eDRX. Cela permet une plus longue durée de vie de la batterie, essentielle pour les appareils distants disposant d'un accès limité à l'alimentation.
• Couverture et portée amélioréesGrâce à un signal à bande étroite et à la retransmission de paquets, le NB-IoT assure une connectivité fiable en intérieur et en sous-sol. Sa portée atteint environ 1 km en zone urbaine et environ 10 km en zone rurale, ce qui est idéal pour les appareils distants.
• Nombre massif de connexions– Une station de base NB-IoT peut prendre en charge plus de 50,000 XNUMX appareils simultanément grâce à une planification efficace des fenêtres de transmission et de veille. Cette évolutivité permet des déploiements massifs, essentiels pour les réseaux IoT à grande échelle.
• Faible coût de l'appareil et du déploiementEn réduisant la complexité des appareils à la connectivité essentielle, le matériel NB-IoT coûte une fraction du prix des modems 4G/5G. Les petits forfaits de données sont également moins chers. Sans passerelle requise et grâce à l'exploitation des bandes de fréquences existantes, les déploiements sont bien moins coûteux que la construction de réseaux LPWAN dédiés.

Limites de l'IoT à bande étroite

• Transmission de données inférieure– Le NB-IoT offre une bande passante et un débit inférieurs à ceux du LTE-M, et ne permet pas les transferts de données à haut débit. Il ne prend pas en charge les applications voix/vidéo exigeant un débit élevé.
• Latence plus élevéeComparé à la 4G et à la 5G, le NB-IoT subit un décalage plus important entre la transmission et la réception des paquets de données. Il n'est pas optimal pour les cas d'utilisation nécessitant une communication en temps réel à faible latence.
• Mobilité limitée des appareils– Avec une faible bande passante et des débits montants/descendants lents, le NB-IoT est idéal pour les appareils fixes ou à très faible mobilité. Les transferts rapides entre cellules de réseau comme la 4G-LTE et la 5G ne sont pas pris en charge efficacement.
• Une couverture mondiale réduiteLe déploiement du NB-IoT continue de progresser dans de nombreuses régions du monde. Actuellement, le nombre d'accords d'itinérance pour les réseaux NB-IoT est inférieur à celui des réseaux mobiles, ce qui limite la couverture mondiale transparente.

Le NB-IoT est-il sécurisé ou peut-il être piraté ?

Le NB-IoT utilise le cadre de sécurité éprouvé défini par le 3GPP pour les réseaux LTE. Ce cadre inclut l'authentification mutuelle entre l'appareil et le réseau, le chiffrement des données via des clés de session et les mises à jour de firmware signées. Des stratégies supplémentaires au niveau de l'appareil, comme la protection contre les falsifications et la détection des anomalies, renforcent encore la sécurité.

Un autre avantage de la conformité aux normes 3GPP est que le NB-IoT prend en charge à la fois les protocoles de sécurité actuels utilisés sur les réseaux cellulaires ainsi que toutes les nouvelles fonctionnalités ajoutées à l’avenir.

Bien qu'aucune technologie ne soit totalement à l'abri des altérations ou du piratage, le NB-IoT offre des mesures de sécurité standardisées robustes, comparables aux réseaux mobiles actuels, pour se protéger contre une gamme de cybermenaces qui s'étend jusqu'aux appareils périphériques IoT.

Principaux cas d'utilisation et applications du NB-IoT

Avec sa longue durée de vie de la batterie, sa portée étendue, ses petits transferts de paquets de données et sa sécurité renforcée, le NB-IoT est une technologie idéale pour connecter des capteurs, des moniteurs et des actionneurs à travers des systèmes d'infrastructure afin de permettre :

Les compteurs intelligents

Relevé à distance et en temps réel de la consommation de gaz, d'électricité et d'eau, sans contrôle manuel. Ces informations permettent de mieux économiser l'énergie et de détecter les fuites. La faible consommation et la portée étendue du NB-IoT conviennent même aux environnements difficiles.

Les Villes Intelligentes

Capteurs environnementaux pour la qualité de l'air/de l'eau, la surveillance du bruit, le débordement des poubelles, le suivi des places de stationnement, la surveillance des infrastructures et l'éclairage intelligent qui s'ajuste en fonction des conditions ambiantes et du flux de personnes.

Surveillance environnementale

Les champs agricoles, les rivières, les zones sauvages et les zones de conservation protégées peuvent être surveillés pour les conditions, les opérations d'équipement, les intrusions, etc. sans infrastructure électrique ou de communication étendue.

Agriculture intelligente

Des capteurs d'humidité peu coûteux, des moniteurs d'équipement et des testeurs de nutriments du sol connectés via NB-IoT offrent une meilleure visibilité pour optimiser l'arrosage, les engrais et suivre les cultures.

Suivi et gestion des actifs

Les étiquettes NB-IoT alimentées par batterie et abordables surveillent l'emplacement et l'état des véhicules, des machines lourdes, des articles de transport consignés (palettes, conteneurs) et des infrastructures d'actifs distantes.

Maisons intelligentes

Les capteurs surveillent l'occupation de la pièce, la température, l'humidité, le bruit et les niveaux de lumière tandis que les contrôleurs ajustent automatiquement le CVC, l'éclairage et les appareils en fonction des conditions et des habitudes d'utilisation pour améliorer le confort, la sécurité et l'efficacité énergétique.

Santé intelligente

La faible consommation d'énergie et la connectivité étendue du NB-IoT sont idéales pour améliorer la prise en charge des patients grâce à la surveillance à distance pendant le traitement. Un système de localisation des chutes basé sur le NB-IoT permet d'alerter rapidement les patients à risque qui tentent de se lever ou de se déplacer seuls. Le personnel soignant peut ainsi être alerté et intervenir rapidement.

Les applications s'étendent à presque tous les secteurs, des transports à l'énergie, en passant par l'éducation et le commerce de détail, entre autres. Presque tout ce qui nécessite une connectivité à long terme pour des transmissions de données à faible bande passante est potentiellement adapté à l'IoT à bande passante étroite.

Comparaisons entre NB-IoT et autres LPWAN

NB-IoT contre LTE-M

Le NB-IoT et le LTE-M sont deux technologies LPWAN cellulaires normalisées par le 3GPP pour l'IoT. Cependant, le LTE-M prend en charge une bande passante plus élevée à 1.4 MHz avec des débits de pointe plus rapides, jusqu'à 1 Mbit/s. Contrairement au NB-IoT, le LTE-M offre également une mobilité totale et une prise en charge vocale. Cependant, malgré des optimisations comme PSM et eDRX, il consomme davantage d'énergie.

Globalement, la LTE-M est adaptée aux applications sensibles à la latence nécessitant une bande passante plus élevée, tandis que la NB-IoT est idéale pour les appareils statiques ou lents qui envoient de petites quantités de données non critiques. La LTE-M nécessite le versement de redevances aux détenteurs de brevets, tandis que la NB-IoT évite les coûts de passerelle en exploitant le spectre cellulaire existant. Les normes sont complémentaires pour différents cas d'utilisation de l'IoT : la LTE-M pour des communications robustes et la NB-IoT pour une économie d'énergie maximale.

NB-IoT contre LoRa

Les principales différences résident dans le fait que le NB-IoT fonctionne sur un spectre cellulaire sous licence, comme la 4G LTE, tandis que LoRa utilise un spectre sans licence dans les bandes ISM. Ainsi, le NB-IoT bénéficie de la sécurité et de la fiabilité des réseaux cellulaires, tandis que LoRa offre davantage de flexibilité, puisque chacun peut déployer son propre réseau LoRa.

Le NB-IoT offre également une latence plus faible et un débit plus élevé que le LoRa. Cependant, ce dernier offre une portée plus longue, une consommation énergétique plus faible et des coûts de modules plus faibles. Le LoRaWAN privilégie la minimisation de la consommation énergétique, avec une autonomie de batterie pouvant atteindre plus de 15 ans.

NB-IoT contre Sigfox

Sigfox est une autre technologie LPWAN concurrente qui utilise du spectre sans licence dans les bandes radio ISM. Elle utilise une modulation à bande ultra-étroite pour assurer des communications longue portée tout en consommant très peu d'énergie.

Une différence essentielle entre le NB-IoT et Sigfox réside dans le fait que le NB-IoT offre une bande passante plus importante, des débits de données plus élevés et une latence plus faible que Sigfox. Le NB-IoT peut offrir un débit allant jusqu'à 250 kbit/s avec une latence inférieure à 10 s. Sigfox offre un débit maximal de 100 bps et une latence typique de 1 à 30 s. De plus, le transfert de données ne comporte aucun canal de retour vers les appareils.

Cependant, Sigfox présente certains avantages en termes de simplicité et de couverture mondiale. Les réseaux Sigfox sont plus faciles à déployer et offrent déjà une large couverture mondiale. La couverture NB-IoT dépend du déploiement des réseaux LTE et peut donc être plus limitée.

FAQ sur le NB-IoT

Y a-t-il des frais pour l’utilisation de Narrowband-IoT ?

Oui, les forfaits de données sont souscrits auprès des opérateurs mobiles, comme pour les smartphones. Cependant, compte tenu de la taille réduite des paquets, les coûts peuvent être bien inférieurs à 1 $ par appareil et par mois. Les tarifs varient selon les opérateurs en fonction de facteurs tels que le nombre d'appareils et la consommation de données.

Le NB-IoT est-il axé sur l’efficacité énergétique ?

Absolument ! Une autonomie de plus de 10 ans est possible, permettant ainsi d'utiliser des terminaux entièrement alimentés par batterie. Associée à une couverture étendue, cette fonctionnalité permet des applications jusqu'alors inaccessibles.

Quel est le taux de latence des transmissions IoT à bande étroite ?

La plupart des transferts de données prennent entre 1 et 10 secondes. Pour les besoins sensibles aux délais inférieurs à 1 seconde, la LTE-M est probablement la meilleure solution.