Technologie d'accès radio multiple (Multi-RAT)

Tendances de l'Internet des objets:

L'adoption généralisée de l'Internet des objets, dans presque tous les secteurs et dans l'ensemble de l'infrastructure mondiale, catalyse ce que beaucoup ont décrit comme une ère exponentielle qui déclenchera des augmentations massives de la productivité et de la croissance commerciale.

Comme pour toute innovation technologique, il y a des problèmes de démarrage. À l'heure actuelle, le potentiel de l'Internet des objets est limité par la capacité de réseau sans fil nécessaire pour prendre en charge des milliards de connexions IoT.

Plusieurs technologies sans fil concurrentes ont été mises en œuvre, mais individuellement, elles ont besoin de la capacité ou de l'harmonisation nécessaires pour prendre en charge la vaste gamme d'appareils de l'Internet des objets, ce qui conduit à un paysage fragmenté et convivial pour l'utilisateur final.

LoRa Alliance: Il n'existe pas de technologie de réseau unique pour l'IoT qui offre:

• Une couverture omniprésente
• Disponibilité et compatibilité universelles
• Capacité à prendre en charge tous les types de solutions IoT et de cas d'utilisation
• Possibilité d'être utilisé en tant que réseau personnel (PAN), réseau local (LAN), réseau de quartier (NAN) ou réseau étendu (WAN)

La 5G promet de fournir la capacité requise pour prendre en charge de grands volumes de connexions IoT, mais la mise en œuvre complète des technologies de réseau cellulaire de cinquième génération est encore loin de nombreuses années. En attendant, les parties prenantes explorent des solutions pour harmoniser la connectivité IoT entre les technologies hétérogènes actuellement utilisées.

Cet article explorera les efforts visant à créer et à mettre en œuvre des technologies d'accès radio multiples (Multi-RAT) qui associent les différentes technologies de réseau utilisées par l'Internet des objets, en particulier les technologies de réseau cellulaire LPWAB, y compris LoRa.

Qu'est-ce que la technologie d'accès radio multiple (Multi-RAT)?

La technologie d'accès radio multiple (Multi-RAT) est une architecture de réseau qui crée des réseaux sans fil hétérogènes qui intègrent de nombreuses technologies cellulaires et non cellulaires. Cette architecture prend en charge des applications IoT massives qui connectent de nombreux nœuds situés de manière disparate à l'aide de plusieurs technologies de mise en réseau.

La technologie d'accès radio (RAT) est une technologie utilisée pour prendre en charge la connectivité dans un réseau de communication radio. Des appareils tels que les téléphones portables peuvent prendre en charge plusieurs RAT dans un seul appareil.

De nouvelles architectures de réseaux sans fil hétérogènes sont en cours de développement à l'aide de RAT. En particulier, Multi-RAT fournit une sélectivité de réseau parmi les différents RAT pour transférer des données sur Internet, similaire à la sélection de points d'accès en WiFi.

Les technologies de réseau qui peuvent actuellement être combinées avec cette technologie comprennent:

• Nouvelle radio 5G (5GNR)
• NB-IoT
• LTE
• GSM
• UMTS
• Wifi
• Lora
• Bluetooth

Les réseaux créés à partir de ces technologies sont hautement ciblés et adaptatifs, avec plusieurs couches de cellules axées sur des domaines spécifiques de fourniture de services, notamment l'expansion de la capacité et de la couverture, la réponse à des conditions de propagation défavorables ou l'économie d'énergie et de bande passante.

L'intérêt pour le multi-RAT s'est accru avec le déploiement de la technologie cellulaire de cinquième génération, la 5G NR. Cette technologie peut être utilisée pour construire des réseaux multicouches (macro et petites cellules), étendre la capacité du réseau avec de petites cellules ou se décharger sur d'autres réseaux.

La planification multi-RAT utilise les différentes couches de la technologie de réseau cellulaire et des solutions de dispositifs où d'autres technologies sans fil cellulaires et non cellulaires peuvent coexister avec un réseau cellulaire et gérer son débit (déchargement). D'autres domaines d'harmonisation et de synchronisation entre des technologies disparates comprennent la commutation, les cibles de couverture, les liaisons terrestres, la gestion des interférences et les antennes.

À propos des réseaux sans fil hétérogènes

Ces nouveaux réseaux, des réseaux sans fil hétérogènes, combinent plusieurs technologies d'accès radio (RAT) en un seul réseau.

Théoriquement, toute combinaison de technologies de réseau sans fil, qu'il s'agisse de technologies d'accès cellulaires ou non cellulaires, peut fonctionner ensemble.

Ce type de connectivité est en cours de développement pour l'Internet des objets. Les appareils peuvent déjà maintenir la connectivité Internet via plusieurs RAT de manière séquentielle et simultanée. Les ingénieurs en électronique peuvent également configurer des réseaux hétérogènes pour minimiser la consommation d'énergie ou optimiser la couverture selon les besoins des nœuds participants.

Principaux défis et considérations du modèle multi-RAT

Le réseau multi-RAT est vulnérable aux interférences et aux régions encombrées du réseau. En effet, il peut y avoir des problèmes avec les algorithmes utilisés pour sélectionner les technologies radio, surtout si de nombreux appareils ont besoin d'un accès à Internet. La disponibilité des points d'accès/passerelles est essentielle, car c'est là que toutes les technologies de réseau obtiennent un accès à Internet. Les limites critiques des réseaux multi-RAT sont les suivantes:

• Disponibilité du point d'accès (ou de la passerelle)
• Distance jusqu'au point d'accès le plus proche
• Qualité du signal du point d'accès ou de la passerelle
• Charge ressentie au point d'accès
• Nombre d'utilisateurs utilisant une technologie d'accès radio spécifique

L'utilisation courante de la technologie des réseaux cellulaires dans ces réseaux rend tout besoin de retransmission coûteux et inefficace sur le plan énergétique. En intégrant d'autres technologies de réseau, nous pouvons communiquer en utilisant plusieurs sauts plus courts, moins chers et à faible consommation d'énergie entre les nœuds de relais plutôt qu'une transmission cellulaire point à point longue distance.

Protocoles d'interopérabilité entre les technologies d'accès radioélectrique

Plusieurs normes émergentes recherchent une intégration fonctionnelle entre les diverses technologies de communication sans fil de l'IoT. Un exemple existant est IEEE 802.21, qui spécifie un transfert indépendant du support entre divers réseaux câblés et sans fil.

Les ingénieurs en électronique ont développé des algorithmes complexes qui contrôlent la sélection du meilleur réseau en fonction de diverses caractéristiques, notamment les performances des réseaux constitutifs, la consommation d'énergie et l'efficacité énergétique.

Le réseau défini par logiciel (SDN) peut gérer des réseaux multi-RAT

L'une des limites fondamentales des réseaux multi-RAT pour l'IoT est que chaque RAT dispose de sa propre couche de contrôle et de gestion. Pour obtenir un contrôle harmonisé d'une gamme variée de RAT dans un seul réseau, une plate-forme de gestion unique et unifiée doit être nécessaire pour éviter des performances réseau sous-optimales.

L'architecture réseau basée sur SDN peut fournir un contrôle de bout en bout de plusieurs RAT en fournissant des garanties de qualité de service et un accord de niveau de service (SLA). Cette approche de la gestion de réseau dissocie le logiciel du matériel des différentes technologies participantes et centralise le contrôle sur une plate-forme unique qui facilite la configuration et le contrôle unifiés.

Les réseaux SDN peuvent faire évoluer les réseaux IoT. Il fournit la vue globale du réseau nécessaire pour garantir que les nœuds en aval fonctionnent de manière optimale à l'aide des RAT disponibles. Le SDN est également simplifié, ne nécessitant qu'un seul contrôleur au lieu d'un contrôleur de réseau central et de contrôleurs RAN distincts.

Le rôle des LPWAN dans le multi-RAT

Multi-RAT utilise une combinaison de solutions radio à courte, moyenne et longue portée pour répondre aux exigences de divers cas d'utilisation et applications.

Les technologies LPWAN (Low Power Wide-Area Networking) sont en train de s'imposer en tant que technologies d'accès radio capables de fournir une couverture et une prise en charge des connexions IoT dans les grandes agglomérations à faible coût. L'utilité de LoRa et d'autres technologies LPWAN est activement étudiée en tant que solution pour prendre en charge les RAT de cave dans le cadre d'un réseau multi-RAT.

La mise en réseau LPWAN s'est avérée être une solution efficace pour connecter des appareils ou des nœuds alimentés par batterie qui ne peuvent pas utiliser de réseaux cellulaires standard pour le transfert de données en raison de leur forte consommation d'énergie. Il devrait être utilisé parallèlement aux réseaux cellulaires, à l'instar deWifi.

Les LPWAN offrent des communications longue portée efficaces avec des options sous licence et sans licence, malgré une faible consommation. Bien que toutes les solutions LPWAN soient à faible consommation, il est essentiel de noter qu'elles utilisent des technologies distinctes et présentent des avantages et des limites différents. Par exemple, voici une comparaison entre LoRaWAN et NB-IoT:

LoRaWAN

Un LP WAN qui utilise le spectre radio sans licence:

• LoRa a été initialement développé par Semtech à l'aide de la technique de modulation Chirp Spread Spectrum (CSS).
• Le  protocole de communication LoRaWAN décrit l'architecture réseau qui repose sur la couche physique LoRa développée par Semtech en 2015.
• Les réseaux LoRaWAN comprennent des entreprises à but non lucratif telles que The Things Network et des entreprises commerciales comme Nova Labs (Helium Network) ou Amazon Web Services (AWS) qui déploient des réseaux LoRaWAN à grande échelle.
• LoRa devrait être la principale technologie LPWAN non cellulaire dès 2026. Il devrait prendre en charge au moins 1,3 milliard de connexions IoT, soit plus de 25 % de toutes les connexions LPWAN à l'heure actuelle.

NB-IoT

Technologie cellulaire qui utilise des bandes de fréquences sous licence

• Ce protocole LPWAN commercial a été développé par le 3rd Generation Partnership Project (3GPP).
• NB-IoT est développé explicitement pour la connectivité LPWAN longue portée, à faible consommation et à faible débit binaire pour les appareils IoT alimentés par batterie

Les RAT IoT à courte portée tels que Bluetooth et WiFi ont été intégrés avec succès dans des solutions Multi-RAT. Un arrangement similaire comprend également plusieurs technologies cellulaires sur les appareils, fournissant une solution de repli GPRS en cas de défaillance de la couverture LTE.

La décision d'intégrer ces LPWAN aux côtés des RAT cellulaires et à courte portée avec commutation dynamique entre eux est ambitieuse. Mais une approche multi-RAT précise qui inclut la mise en réseau LPWAN peut offrir des avantages pour la mise en réseau IoT, notamment:

• Une plus grande autonomie, les appareils/nœuds restant alimentés par batterie plutôt que dépendants de l'alimentation par batterie.
• Rendement énergétique
• Réduction de la latence
• Adaptation de charges utiles de plus grande taille
• Amélioration de la qualité de service
• Réduction des coûts

Par exemple, un dispositif basé sur un capteur qui envoie des lectures nécessitant une petite transmission de données peut utiliser une technologie adaptée aux transmissions à faible débit binaire (par exemple, LoRaWAN), mais s'il doit échanger de plus grandes quantités de données, une autre technologie de connectivité peut être automatiquement sélectionnée et utilisée.

Un examen plus approfondi des avantages de la mise en réseau Multi-RAT

Une approche multi-RAT de la mise en réseau IoT devrait apporter des avantages dans 6 domaines clés:

[A] Gestion de l'alimentation

Les réseaux multi-RAT peuvent permettre de réaliser d'importantes économies d'énergie, ce qui les rend idéaux pour prendre en charge les appareils alimentés par batterie. Le passage au réseau vers la technologie de réseau la plus économe en énergie signifie que les appareils IoT peuvent optimiser leurs performances et ne dépenser que des quantités importantes d'énergie pour les communications requises.

L'Alliance LoRa préconise l'inclusion de la technologie LoRaWAN dans les réseaux multi-RAT car elle est intrinsèquement à faible consommation. La consommation d'énergie de LoRa est principalement déterminée par le temps d'antenne (ToA) d'un appareil émetteur, qui est une combinaison de la charge utile et du facteur d'étalement. LoRa peut optimiser la puissance de transmission et le débit de données en fonction des conditions de canal disponibles. La puissance peut être augmentée si le rapport signal/bruit est faible, mais elle peut également être réduite dans des conditions favorables.

Ce type de signalisation à bande passante étroite avec un simple MAC réduira considérablement la consommation d'énergie globale des réseaux IoT, en particulier si les données cellulaires appropriées sont déchargées via un LoRaWAN.

Le NB-IoT peut être facilement intégré aux réseaux IoT cellulaires en tant qu'option cellulaire à faible consommation. NB-IoT est une version simplifiée de la norme LTE. Il permet d'économiser de l'énergie en permettant aux appareils d'avoir une durée de veille plus longue, un temps radio actif réduit et un mode d'économie d'énergie où les appareils participants peuvent se déconnecter complètement du réseau s'ils ne sont pas utilisés.

[B] Couverture réseau

La couverture est essentielle pour la connectivité fiable dont les nœuds IoT ont besoin dans les applications critiques, en particulier dans les zones inaccessibles ou éloignées. La distance jusqu'au point d'accès ou à la passerelle la plus proche est un déterminant clé de la fiabilité d'un réseau IoT LoRaWAN.

Les LPWAN sont déjà activement utilisés dans l'IoT car ils sont conçus pour faciliter la connectivité à longue portée et améliorer la couverture.

• La LoRa s'appuie sur une distribution adéquate et la proximité des passerelles pour être fiable et est généralement déployée de manière disparate et décentralisée. Il n'existe actuellement aucune infrastructure commune pour les réseaux LoRaWAN, et il existe de nombreux réseaux privés. La couverture des réseaux LoRa est simplement étendue en augmentant le nombre de passerelles dans le réseau. La portée peut également être améliorée en modifiant le débit de données en changeant le facteur d'étalement.
• NB-IoT peut maintenir la connectivité réseau en utilisant trois niveaux d'amélioration de la couverture (CE) pour maintenir la connectivité dans les zones éloignées ou inaccessibles. Les classes de couverture permettent à NB-IoT de réduire sa bande passante et d'augmenter sa consommation d'énergie pour obtenir une couverture plus excellente si nécessaire.

[C] Charge utile

Pour les appareils IoT basés sur des capteurs typiques, la taille de la charge utile est généralement faible, car ils ne peuvent transmettre qu'un nombre limité d'octets à la fois. Cependant, des transmissions simultanées à partir d'un grand nombre de nœuds ou une augmentation de la taille des paquets de données augmenteront la charge utile.

Une solution multi-RAT permet à un réseau de choisir parmi une gamme de tailles de charge utile disponibles. Les différences de gestion de la taille de la charge utile entre les différents LPWAN peuvent également être exploitées. Par exemple, la taille de la charge utile LoRaWAN dépendra du débit de données utilisé, tandis que le NB-IoT offre des transmissions de données illimitées en liaison montante et descendante avec un cycle d'utilisation nul.

[D] Latence

Pour assurer le bon fonctionnement des projets d'infrastructure tels que les villes intelligentes, la latence du transfert de données IoT doit être minimisée. La latence comprend la latence de liaison montante, le délai entre les données transmises par un nœud et celles reçues sur un serveur, et le transfert de données dans la direction opposée d'un serveur à l'autre, connu sous le nom de latence de liaison descendante

Le réseau cellulaire 5G devrait fournir la latence extrêmement faible qui serait requise pour les systèmes de transport intelligents et les projets connexes.

Dans un modèle multi-RAT, la latence de l'ensemble du réseau est limitée par la latence la plus faible des technologies participantes. L'inclusion de la mise en réseau LP WAN signifie que la latence augmentera pour les appareils qui choisissent d'utiliser cette technologie d'accès radio pour le transfert de données.

Pour les réseaux LoRaWAN, la latence des liaisons montantes et descendantes est déterminée par la classe de l'appareil participant, le cycle d'utilisation et le débit de données. Le NB-IoT a également une latence accrue, car les appareils écoutent régulièrement les informations sur les cellules et effectuent un processus de synchronisation avec la station de base avant de transmettre.

[E] Qualité de service (QoS)

La perte de paquets et le débit sont des indicateurs clés de QoS pour les cas d'utilisation de l'IoT basés sur des capteurs. Les nœuds qui peuvent répéter la transmission, augmenter leur puissance de sortie ou être contrôlés dynamiquement offrent généralement une qualité de service plus élevée. Les WAN LP n'offrent généralement pas une variété de niveaux de QoS, ce qui signifie que l'utilisation de la technologie LP WAN dans un réseau multi-RAT se fera au détriment de la QoS. NB-IoT est une exception car il dispose du même protocole synchrone à créneau horaire que LTE, ce qui lui permet de fournir une QoS de bout en bout.

[F] Rentabilité

Une approche multi-RAT de la mise en réseau IoT va être plus coûteuse qu'une seule fourniture radio. Les coûts de déploiement des réseaux multi-RAT pour l'IoT comprennent:

• Coûts du spectre
• Matériel (y compris les antennes)
• Backhaul
• Coûts de l'opérateur de réseau
• Terminaux
• Batteries (y compris les coûts de remplacement et de recharge)
• Entretien

Cependant, l'amélioration des performances et de l'efficacité énergétique qui peut être obtenue grâce à un réseau multi-RAT efficace pourrait se traduire par des économies importantes à long terme.

En conclusion

La mise en réseau multi-RAT est une solution proposée pour répondre aux exigences de capacité et de performance d'un nombre croissant de connexions IoT. Une approche multi-RAT a le potentiel d'exploiter les avantages des réseaux cellulaires et LP WAN pour fournir la couverture et la capacité dont un écosystème diversifié d'appareils et de nœuds IoT a besoin. Bien qu'une approche multi-RAT de la mise en réseau IoT soit coûteuse, une planification et une mise en œuvre minutieuses de ce type de réseau peuvent maximiser les avantages pour les appareils de l'utilisateur final et récupérer les coûts.