Internet des objets massif connectant l'avenir de l'humanité

Connecter de petits objets à l'IoT s'est avéré difficile car les appareils intelligents utilisaient des technologies différentes et non interopérables. Aujourd'hui, les réseaux LPWAN cellulaires pour l'IoT connaissent un essor car ils répondent au besoin de connectivité sans fil longue portée entre les WLAN et le Cloud. L'UIT-R a intégré le NB-IoT et le LTE-M comme éléments essentiels de la norme 5G, garantissant un développement continu. Le DECT NR+ répond à toutes les exigences techniques pour l'IoT massif et est défini comme une technologie 5G. Il permet aux ingénieurs de construire leurs propres réseaux maillés privés denses sans avoir besoin de cartes SIM. L'IoT cellulaire et le DECT NR+ sont idéaux pour les applications IoT à haute densité. Nordic Semiconductor conçoit des composants essentiels de cette technologie qui serviront à connecter des milliards de dispositifs intelligents de demain.

Le chemin de développement allant du réseau cellulaire Bell Labs Advance Mobile Phone System (AMPS) à l'infrastructure 5G d'aujourd'hui a été marqué par des avancées technologiques majeures. Chacune est représentée par une "génération" : la "1G" de la fin des années 1970 et du début des années 1980 reposait sur des communications mobiles cellulaires utilisant des systèmes analogiques pour les appels mais numériques pour le réseau d'interconnexion. La 2G entièrement numérique est apparue au début des années 1990. Juste avant le tournant du siècle, la 3G a apporté un débit plus élevé pour soutenir l'émergence des smartphones. La 4G a introduit la norme Long Term Evolution (LTE) à partir de 2009. Le débit maximal de 100 Mbps de la 4G a permis de prendre en charge la vidéo haute définition. La norme 5G a été introduite en 2016. Cette technologie est directement concurrente des réseaux de fibres pour le haut débit Internet et offre une latence réduite ainsi qu'une meilleure efficacité spectrale par rapport aux générations précédentes. La 5G est également la première norme mobile définie en tenant compte des exigences de la communication massive de type machine (mMTC), ce qui conduit à un IoT massif.

Le terme Massive IoT est utilisé pour désigner le réseau de demain où des milliards, et éventuellement des trillions, de petits appareils seront directement connectés à Internet. Ces « objets » ne sont pas les PC, serveurs, téléviseurs intelligents et smartphones que les consommateurs associent à Internet. Ils sont plutôt susceptibles d’être des capteurs et des actionneurs compacts et limités en ressources, dépourvus d’interface homme-machine. Ericsson définit les applications Massive IoT comme celles « qui sont moins sensibles à la latence et ont des exigences de débit relativement faibles, mais nécessitent un volume important d’appareils à faible coût et faible consommation d’énergie sur un réseau avec une excellente couverture ». L’entreprise explique que la popularité croissante des cas d’utilisation de l’IoT reposant sur une connectivité couvrant de vastes zones et capable de gérer un nombre énorme de connexions stimule la demande pour le Massive IoT.

Il y a quelques années, connecter de petits objets à l'IoT était difficile et nécessitait des passerelles coûteuses et complexes. Mais aujourd'hui, nous avons une solution élégante sous la forme de l'IoT cellulaire, en particulier les options LPWAN LTE-M et NB-IoT. Les LPWAN IoT cellulaires sont en plein essor car ils répondent au besoin de connectivité sans fil longue portée, économique et respectueuse de l'énergie entre les réseaux WLAN et le Cloud.

La technologie cellulaire à haut débit est extrêmement complexe et coûteuse, et le matériel est encombrant et gourmand en énergie. Pour les ingénieurs IoT, le coût élevé, la complexité et la consommation d'énergie de la technologie cellulaire à haut débit rendent difficile la création de réseaux de capteurs compacts et alimentés par batterie qui constitueront l'IoT.

Cependant, les modems cellulaires—essentiellement des modems de téléphones mobiles simplifiés—ont trouvé une niche pour connecter des actifs distants coûteux au Cloud. Par exemple, les dispositifs électroniques intelligents (IED) ruraux utilisés pour contrôler les réseaux de distribution électrique intelligents envoient régulièrement des informations à un centre de contrôle via un modem cellulaire. Et les opérateurs d'équipements commerciaux comme les distributeurs automatiques peuvent utiliser un modem cellulaire pour envoyer des informations au siège sans avoir à dépêcher un technicien pour vérifier manuellement les stocks.

Mais les modems qui alimentent ces applications ne conviennent pas aux appareils à faible consommation d'énergie et aux ressources limitées qui constitueront l'IoT. En revanche, l'origine de l'IoT cellulaire se trouve dans la Release 13 des spécifications LTE du 3rd Generation Partnership Project (3GPP) — un regroupement de sept organismes de développement de normes en télécommunications. La spécification a défini un nouveau modem RF de faible complexité répondant aux besoins des LPWAN pour l'IoT.

Lors de son adoption en 2016, la version 13 spécifiait trois nouvelles technologies pour le support LPWAN : Extended Coverage GSM Internet of Things (EC-GSM-IoT), LTE-M et NB-IoT. Ce sont les deux dernières qui ont depuis eu le plus grand impact. LTE-M fonctionne comme un système en mode semi-duplex ou duplex complet avec une bande passante de 1,4 mégahertz. Le débit brut des données est de 300 kilobits par seconde en liaison descendante et de 375 kilobits par seconde en liaison montante, offrant environ 100 kilobits par seconde dans les deux sens pour une application exécutant le protocole Internet (IP). La mobilité est entièrement prise en charge par la même transition cellulaire que le LTE conventionnel. En revanche, le NB-IoT a été conçu principalement pour l'efficacité énergétique et une meilleure pénétration dans les bâtiments et les sous-sols. Le compromis est un débit relativement modeste. NB-IoT n'est pas basé sur la couche physique (PHY) de LTE ; au lieu de cela, c'est un nouveau type de technologie RF avec une complexité du modem encore inférieure à celle d'un modem LTE-M. NB-IoT utilise une bande passante étroite de 200 kilohertz.

Depuis la version 13 en 2016, les spécifications pour l'IoT cellulaire ont continué d'évoluer. Par exemple, la version 14 a introduit une deuxième forme de NB-IoT, CAT-NB2, qui offrait un débit plus élevé et incluait certaines technologies de positionnement avancées pour le NB-IoT. La version 17 a également augmenté le débit. Peut-être plus important encore, bien que le NB-IoT et le LTE-M aient été initialement développés dans le cadre de la norme LTE 4G, le 3GPP a fait du NB-IoT et du LTE-M une partie essentielle de la norme 5G, garantissant un développement continu au fur et à mesure que le réseau évolue.

La prochaine phase de croissance massive de l'IoT s'appuiera sur ces réseaux 5G. Les ingénieurs ont anticipé les besoins à venir et ont défini un avenir incluant la « communication massive de type machine » (mMTC). Cet avenir prévoit une installation à très grande échelle de technologies sans fil à faible consommation pour des applications de machine à machine (M2M). Cette technologie sera conçue pour le déploiement de jusqu'à un million de dispositifs par kilomètre.

Nordic Semiconductor a lancé sa solution IoT cellulaire, le nRF9160, un SiP basse consommation avec modem LTE-M/NB-IoT intégré et GNSS, en 2018. Cela a fait de l'entreprise un pionnier dans la technologie émergente de l'IoT cellulaire et aujourd'hui, elle s'est appuyée sur cette base pour devenir la première à proposer une solution IoT massive, entièrement inclusive et de classe mondiale. L'offre de Nordic apporte simplicité, stabilité et efficacité économique à la conception, à la fabrication et au déploiement de l'IoT cellulaire.

Si l'IoT doit atteindre son potentiel promis, il lui faudra une base entièrement conçue. En offrant un support complet pour l'IoT cellulaire, Nordic est parmi les leaders aidant ses clients à construire une infrastructure IoT durable. Mais l'entreprise ne fait que commencer ; son plan est de devenir un concepteur et fournisseur majeur de pièces essentielles de l'infrastructure que nous utiliserons pour connecter des milliards d'appareils intelligents de demain pendant des années à venir.

Nordic a utilisé son temps judicieusement pendant le déploiement mondial complet de cinq ans de l'IoT cellulaire. Ce qu'il a fait, c'est développer une solution de plateforme depuis le début, bien en avance sur ses concurrents : la série nRF91, en commençant par le nRF9160 LTE-M/NB-IoT SiP.

Et bien que vous ne puissiez pas espérer faire fonctionner un produit IoT cellulaire avec quelque chose d'aussi petit qu'une pile bouton, vous pouvez vous attendre à le faire fonctionner pendant de longues périodes avec des batteries standard légèrement plus grandes. Les derniers développements dans la technologie des batteries pourraient permettre à des applications IoT cellulaires de fonctionner pendant des durées similaires à celles de la technologie sans fil Bluetooth. Cela signifie des années dans certains cas d'utilisation. Et les récents progrès dans la récupération d'énergie promettent d'étendre la durée de vie de ces batteries à de nombreuses années, voire des décennies, dans un futur pas si lointain.

Le nRF9160 SiP de Nordic a depuis été accompagné par deux nouvelles puissantes additions à la gamme SiP IoT cellulaire : les solutions nRF9161 et nRF9131 LTE-M/NB-IoT et DECT NR+ (‘NR+’). Celles-ci non seulement redéfinissent davantage les possibilités commerciales et technologiques disruptives de l’IoT cellulaire, mais introduisent également pour la toute première fois la prise en charge native NR+ et des capacités à l’IoT cellulaire.

Contrairement au cellulaire traditionnel, NR+ ne nécessitera pas de station de base cellulaire pour fonctionner. Il opérera comme un réseau privé utilisant la bande mondiale de 1,9 GHz sans licence, ne nécessitant ni planification de fréquences ni coûts de location de spectre. Cependant, NR+ sera une technologie 5G de pointe qui promet d'offrir tous les avantages du cellulaire à un coût bien inférieur. Ceux-ci incluent la capacité transparente de passer à l'échelle mondiale, non seulement pour des millions, mais pour des milliards de nœuds IoT, avec la sécurité et la fiabilité légendaires du cellulaire.

NR+ est une technologie sans fil IoT pure qui promet d'offrir une connectivité sans fil ultra fiable dans de toutes nouvelles applications M2M où l'échec n'est pas une option. Pensez aux véhicules autonomes ou aux robots à grande vitesse qui opèrent aux côtés des travailleurs humains dans les usines ou les entrepôts, par exemple. Ou aux infrastructures critiques dans les bâtiments, les villes et les réseaux de services publics.

Pour maîtriser l'ensemble de la chaîne d'approvisionnement et répondre à la demande des clients, l'offre de produits de Nordic s'est aujourd'hui étendue à tous les principaux protocoles et technologies de connectivité IoT sans fil. Cela inclut non seulement l'IoT cellulaire (NB-IoT et LTE-M), mais aussi la nouvelle technologie IoT massive, DECT NR+, ainsi que le Wi-Fi basse consommation, Matter, Thread, Zigbee, les services Cloud et de localisation, les PMICs et les amplificateurs de portée.

Nordic a initialement redéfini le marché de la connectivité sans fil Bluetooth avec le lancement de sa série nRF51. Et maintenant, il redéfinit ce qui est possible de faire dans l'IoT cellulaire avec sa série nRF91 à la pointe de la technologie. Nordic a prouvé son aptitude à être le premier à commercialiser des produits de connectivité IoT sans fil redéfinissant leur catégorie, laissant ses concurrents s'efforcer de rattraper leur retard, tandis que Nordic se concentre sur le développement de la prochaine innovation majeure. L'entreprise est également la première à lancer des produits intégrant des améliorations clés aux différentes technologies IoT standard qu'elle prend en charge.

Le plus important pour les clients de Nordic, cela signifie que s'ils intègrent une solution Nordic dans l'un de leurs produits, le dispositif sera suffisamment performant pour gérer plusieurs mises à niveau des générations futures. Une telle anticipation peut non seulement offrir des économies significatives, mais également procurer des avantages concurrentiels en termes de délai de mise sur le marché.

L'IoT va jouer un rôle majeur pour résoudre certains des plus grands problèmes de la planète, notamment le changement climatique, la consommation durable, la conservation des ressources naturelles précieuses, l'amélioration des résultats de santé et la création d'un monde plus heureux, plus sûr et plus sain pour tous. Cela fait longtemps que cela se prépare, mais 2024 pourrait bien être l'année où la technologie IoT cellulaire commence à devenir plus courante. Cela signifie être installée dans une large gamme de produits et constituer l’épine dorsale essentielle qui offre une connectivité globale à d'innombrables applications IoT.