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LTE-M, eDRX, PSM…les clés pour tout comprendre de ces évolutions technologiques qui décuplent la durée de vie des batteries de vos appareils IoT.

Si votre appareil IoT doit fonctionner sur batterie pendant une longue durée, la consommation énergétique du modem est un enjeu majeur pour éviter une perte de service et limiter les interventions de maintenance. Idéalement, la batterie devrait être suffisante pour la durée de vie totale de l’appareil, tout en évitant d’accroitre son cout

Dans ce but, de nouvelles technologies ont été développées côté réseaux et côté modem:

  • Les fabricants de modem ont développé des modèles capables de rester en veille prolongée, et de ne se réveiller que peu fréquemment pour se connecter au réseau et échanger des informations. Il s’agit notamment de fonctionnalités nommées « PSM » ou « eDRX ».
  • Les opérateurs télécom ont mis en place des réseaux (cellulaires licenciés et parfois sur fréquences libres) appelés LPWAN (Low Power Wide Area Network), c’est-à-dire des réseaux à longue portée et basse consommation énergétique. Ceci permet donc de réduire la consommation d’énergie de l’endpoint. Ces réseaux sont également pensés pour avoir une meilleure pénétration, c’est-à-dire mieux traverser les murs, pour atteindre l’intérieur des bâtiments, voire certains sous-sols. Les opérateurs ont choisi de déployer ces réseaux sur des fréquences basses pour maximiser cet effet. Pour le cellulaire licencié, il s’agit de réseaux tels que le LTE-M ou le NB-IoT.

Pour bénéficier de ces évolutions, il faut s’assurer que toutes les cases sont cochées :

Par exemple, si vous souhaitez déployer une flotte de capteurs équipés de modems LTE-M avec les fonctionnalités eDRX et PSM, votre opérateur mobile doit :

  • Offrir une couverture LTE-M
  • Être compatible avec les modes PSM et eDRX

Ce n’est pas parce qu’un opérateur propose une couverture LTE qu’il peut proposer un service LTE-M. Le LTE-M n’est pas automatiquement disponible dans la couverture 4G classique des opérateurs – ils doivent spécifiquement déployer le service.

Ensuite, ce n’est pas parce qu’un opérateur proposer un service LTE-M que votre gateway IoT pourra bénéficier des modes d’économie d’énergie PSM et eDRX. Là aussi, le service doit être activé.

Il faut donc que votre fournisseur de connectivité et votre fournisseur de modem soient au rendez-vous !

Les réseaux cellulaires à basse fréquence pour l’IoT

Deux technologies mobile dédiées à l’IoT permettent d’économiser de l’énergie : le NB-IoT et le LTE-M (aussi appelé LTE Cat-M1).

Pour l’instant les deux technologies sont toutes deux en cours de déploiement par les opérateurs à travers le monde, et il n’y a pas encore une technologie qui domine fortement l’autre à l’échelle mondiale. Certains pays ont commencé à déployer les 2, mais il faut noter que d’autres (en Asie notamment) ont choisi de ne déployer que le NB-IoT pour l’instant. De même, on trouve sur le marché des modems compatibles exclusivement NB-IoT, exclusivement LTE-M, ou bien les deux !

Les deux technologies sont très différentes, avec des avantages et inconvénients qui leur sont propre.

Le LTE-M

Il s’agit d’un réseau basé sur la technologie 4G. Cela lui a comme avantage :

  • Il offre une réactivité forte (une latence réduite) et un débit bien plus élevé que le NB-IoT (jusqu’à 1Mb/s contre 128kb/s pour le NB-IoT)
  • Il est compatible avec les SMS, et chez certains opérateurs avec la VoLTE (appels vocaux)
  • L’itinérance (roaming) est possible avec les accords existant des opérateurs pour le LTE, conférant ainsi facilement une couverture mondiale aux opérateurs qui déploiement le service LTE-M
  • L’objet connecté peut se déplacer sans interruption de service (de la session data) quand l’appareil se déplace, et change donc d’antenne

Il est donc une bonne solution, peu onéreuse, si votre objet connecté :

  • Se déplace,
  • Et/ou a besoin d’envoyer des volumes de données à haute fréquence,
  • Et/ou a besoin d’envoyer un peu plus de données qu’un simple relevé textuel/chiffré.

NB-IoT

Cette technologie possède plus de limites mais lui confère en retour des avantages notables :

  • Un module NB-IoT consomme encore moins d’énergie que le LTE-M,
  • La portée des ondes est meilleure qu’en LTE-M, notamment à l’intérieur de bâtiments,
  • Il permet de connecter de très grands nombres d’appareils (jusqu’à des centaines de milliers d’appareils connectés à une seule cellule !) – limitant les problèmes de saturation du réseau pour les cas d’usages qui supposent une forte densité d’appareils sur une même zone
  • Il permet de baisser le coût de votre appareil, les modules NB-IoT étant encore moins onéreux que LTE-M

Ses limites :

  • Perte de connexion si l’appareil se déplace
  • Débit très réduit (128Kb/s)
  • Pas de SMS, ni voix
  • Une itinérance internationale (roaming) difficile à mettre en œuvre pour de nombreux opérateurs
  • Une grande hétérogénéité dans les implémentations du NB-IoT par les opérateurs, qui activent ou non certaines fonctionnalités permettant de tirer la meilleure optimisation énergétique (mode no IP)

Le NB-IoT est donc une bonne solution pour des appareils à très faible consommation de données et statiques.

Les protocoles de veille avancés des modems IoT

Les modems basse consommations compatibles Nb-IoT et LTE-M disposent de 2 modes de veille avancés qui permettent de réduire la consommation énergétique de l’appareil. Les deux ont pour but de contrôler – et d’allonger- l’intervalle durant lequel l’appareil peut se mettre en veille avant de se réveiller et de se remettre à l’écoute du réseau.

Ils peuvent par ailleurs être utilisés ensemble pour réduire encore plus la consommation énergétique

Ce sont donc des réglages à paramétrer sur l’appareil – à condition bien sûr que le réseau (Nb-IoT ou LTE-M) de l’opérateur soit compatible.

LTE eDRX

L’eDRX (Extended Discountinuous Reception) est une évolution de la procédure DRX, un mode permettant à un appareil connecté sur un réseau LTE se de mettre en veille périodiquement au lieu de rester constamment à l’écoute du réseau.

Le standard DRX est déjà utilisé par nos smartphones en 4G, et leur permet de n’avoir à être à l’écoute « que » toutes les 2,56 secondes, au lieu de rester en permanence en attente de trafic.

L’eDRX multiplie par près de mille le temps de ces périodes de veille, qui peuvent alors atteindre jusqu’à 43 minutes.

La durée de ces périodes de veille est paramétrée au niveau de l’objet, et c’est donc lui qui transmet au réseau cette fréquence, pour que le réseau lui permette de rester connecté.

Le schéma ci-dessous montre comment l’eDRX permet de diminuer l’activité, et donc la consommation :

Après avoir transféré ses données, l’appareil reste joignable pendant de courtes périodes (les barres vertes), et l’eDRX permet d’espacer donc d’espacer ces périodes :

Le mode eDRX utilisé seul permet de réduire considérablement la consommation de l’appareil, tout en gardant une bonne disponibilité- l’appareil se reconnecte tout de même au moins toutes les 43 minutes, et reste donc très joignable.

PSM

Le Power Saving Mode va encore plus loin, l’appareil peut se mettre en dormance pendant un minimum de 4h… et jusqu’à 412 jours !

Quand l’appareil se réveille (sur la base d’un timer, ou d’une programmation basée sur un évènement), il se reconnecte au réseau, transmet ses données, puis reste joignable pour quelques cycles de réception (ce sont les cycles de réception mentionnés plus haut pour l’eDRX).

Le graphe suivant montre :

  • Les périodes de transfert
  • L’appareil est joignable pendant les petites périodes de paging – qui sont séparées par des cycles DRX
  • Puis il passe en veille pendant une période d’hibernation (PSM cycle), avant de se reconnecter, et le cycle reprend

Ce mode est donc recommandé si l’appareil n’a pas à rester joignable rapidement. En réglant l’appareil pour de longues périodes d’hibernation, 2 petites piles AA peuvent suffire à obtenir jusqu’à 10 ans d’autonomie 

eDRX combiné avec le PSM 

En combinant l’eDRX avec le PSM, la consommation énergétique est réduite au minimum – mais attention au paramétrage, il faut s’assurer que le timer du PSM et la durée des cycles eDRX sont bien alignées, sans quoi il n’y aura pas de connexion !

Voici un graphe montrant ce que cela donne :

L’appareil se réveille et transmet, puis se met à l’écoute pendant quelques cycles sur la base de sa programmation eDRX, avant de se mettre en hibernation (PSM), jusqu’à la prochaine période d’éveil.

L’offre Transatel pour les réseaux NB-IoT et LTE-M

Rendez-vous ici pour retrouver tout le détail des destinations où nous offrons une couverture LPWAN.

Pour plus d’information, nous vous proposons une session gratuite de 30 minutes avec l’un de nos experts IoT afin de tout savoir sur le PSM et l’eDRX ! TOI CLIQUER ICI.

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