L'arrivée de la quatrième et de la cinquième génération de connectivité cellulaire, avec des normes de basse puissance et de réseau étendu comme le LTE-M, le NB-IoT et la 5G, permet de connecter facilement la plupart des machines et des divers équipements de l'usine du XXIe siècle. En outre, les réseaux privés offrent des possibilités de connectivité cellulaire assurant la sécurité, la confidentialité et la fiabilité.
Selon une étude intitulée « Rise of the Smarter, Swifter, Safer Production Employee » (Émergence d'un employé de production plus intelligent, plus rapide et plus en sécurité), publiée par Ericsson, la plupart des entreprises de fabrication pensent être automatisées à hauteur d'au moins 80 % dans les 10 prochaines années et nombre d'entre elles espèrent voir au moins doubler l'utilisation d'outils informatisés dans les cinq prochaines années.
Bien que les communications filaires, en particulier les réseaux TSN (Time-Sensitive Networking), offrent la meilleure voie de haute priorité pour les données sensibles au temps, les communications sans fil ont la préférence des utilisateurs dans la mesure où elles offrent un moyen plus rapide de connecter un grand nombre d'appareils, de machines et d'autres équipements dans l'usine.
Depuis l'arrivée du GSM (deuxième génération de réseaux cellulaires) en 1991, les industries ont adopté la norme pour connecter des machines, des systèmes de surveillance, des alarmes et d'autres systèmes. Le GSM autorise des transmissions de données basiques sur GPRS/EDGE et SMS.
10 ans plus tard, la troisième génération (3G) a permis de bénéficier de transmissions de données plus rapides, d'un spectre plus large et d'une norme mondiale. Une nouvelle institution de normes industrielles, le 3GPP (3rd Generation Partnership Project), est alors née pour fournir à ses membres un environnement stable pour produire les rapports et les spécifications qui définissent les technologies 3GPP. Aujourd'hui, toujours sous son nom d'origine, la 3GPP définit les spécifications de chaque génération de réseaux cellulaires.
Les fournisseurs de services cellulaires (Cellular Service Providers, CSP) abandonnent progressivement les réseaux cellulaires 2G et 3G
Ces 30 dernières années, des centaines de milliers d'appareils M2M (Machine-to-Machine) utilisant des réseaux 2G ont été installés. Ce sont des actionneurs, des capteurs environnementaux, des compteurs de services publics, des systèmes d'alarme et d'autres types de détecteurs qui utilisent le SMS et le GPRS/EDGE pour communiquer.
Une raison d'investir dans la connectivité 4G et 5G pour l'IoT est que les opérateurs ont commencé à désactiver les anciens réseaux 2G et 3G dans le monde entier. Bien que les appareils existants soient capables de continuer à fonctionner pour l'instant sur ces anciens réseaux, le support finira par disparaître et les opérateurs n'activeront plus de nouveaux appareils 2G. Les connexions existantes sont désormais en sursis.
Comme avec la 2G, de nombreux opérateurs sont impatients de mettre fin aux réseaux 3G les plus anciens afin de réaffecter leurs fréquences à la 4G LTE et la 5G. Les nouveaux appareils ont besoin de plus de vitesse et la 3G ne dépasse guère 3 Mbps. Non contente d'être plus rapide, la 4G LTE est également plus efficace. Elle permet à davantage d'appareils de partager des canaux et accepte des technologies IoT de grande envergure comme le LTE Cat-M et le NB-IoT.
Selon GSMA Intelligence, outre les 43 réseaux déjà fermés en 2020, au moins 64 autres seront mis hors service entre 2021 et 2025 par des opérateurs qui cherchent à optimiser leurs opérations et leurs coûts et à récupérer des fréquences pour la 4G et la 5G.
L'avantage offert par la 4G LTE avec le LTE-M et le NB-IoT
L'arrivée de la quatrième génération de réseaux cellulaires (LTE, Long-Term Evolution, ou 4G) a fait faire un bond de géant à la capacité des réseaux cellulaires à fonctionner dans des applications industrielles. Non seulement une nouvelle technologie radio a été conçue pour la première fois de façon à gérer un très grand nombre de connexions pour l'Internet des objets (IoT), mais à mesure que de nouvelles versions ont vu le jour, de nouvelles normes basse consommation ont permis d'introduire de nouvelles applications et des appareils plus compacts.
Deux normes IoT fonctionnent sur les réseaux 4G et 5G : Long Term Evolution for Machines (LTE-M) et Narrow-Band IoT (NB-IoT). Toutes deux offrent de nouvelles possibilités de connexion basse consommation et de réseau étendu sur les réseaux cellulaires. Ces normes ont permis le déploiement d'applications IoT de très grande envergure, en particulier dans l'industrie et l'agriculture. Au fil des ans, le LTE-M a été largement adopté aux États-Unis, tandis que le NB-IoT devenait la norme préférée en Asie et en Europe.
Pour la plupart des applications IoT de grande envergure nécessitant une faible consommation électrique, ainsi que la sécurité et la disponibilité qu'offrent les réseaux cellulaires, le NB-IoT et le LTE-M sont des solutions privilégiées. Bien que tous deux prennent en charge des déploiements IoT massifs comptant des milliers de connexions, ils présentent certaines différences : le NB-IoT nécessite moins d'énergie et accepte des modems plus petits, ce qui le rend idéal pour les petits appareils fonctionnant sur batterie. En revanche, il ne prend pas (encore) en charge le SMS ou la voix. Le LTE-M, lui, nécessite plus d'énergie, mais il prend en charge le SMS et, dans une certaine mesure, les communications vocales.
Du point de vue du fournisseur de services cellulaires et de la rentabilité, le LTE-M permet de prendre en charge le service sur les réseaux 4G existants avec une simple mise à jour logicielle, tandis que le NB-IoT exige du matériel supplémentaire.
Avec l'arrivée des réseaux 5G, le LTE-M et le NB-IoT font partie des spécifications et sont donc directement pris en charge. En outre, pour les applications IoT qui nécessitent davantage de bande passante, mais qui n'ont pas besoin de toutes les capacités du réseau, il existe la 5G NR-REDCAP, qui offre des performances comparables à celles du LTE sur un spectre inférieur au gigahertz.
Avec l'arrivée des SIM intégrées (eSIM), certaines entreprises, comme Infineon, STMicroelectronics ou Sony Semiconductors, offrent des chipsets plus compacts pour la connectivité cellulaire.
Nouvelle technologie radio, 5G avancée et 5G Redcap
Il reste encore à rendre la totalité des spécifications 5G disponibles partout. La plupart des réseaux 5G à travers le monde utilisent le 3GPP version 15, non-autonome. Cela signifie que ces réseaux doivent s'appuyer sur l'infrastructure 4G LTE existante.
La 5G autonome (3GPP vers. 16 et ultérieures) autorise une connectivité IoT massive n'utilisant que la puissance nécessaire pour exécuter les échanges de données nécessaires. Les appareils IoT peuvent se connecter à la volée et régler leur sortie de puissance en conséquence.
En outre, pour les applications IoT stratégiques telles que la robotique et les opérations à distance, les réseaux 5G répondent aux exigences en matière de fiabilité, de très faible latence et de basse consommation électrique.
L'introduction de fonctionnalités 5G NR (nouvelle radio), comme NR-REDCAP, qui offre des vitesses 4G avec un nombre de fréquences bien supérieur et une consommation électrique inférieure, fera de la 5G une excellente option pour un grand nombre d'utilisateurs qui exigent davantage de sécurité et une connectivité sans faille. De même, des chipsets plus récents, plus petits et moins chers, ainsi que les iSIM, contribueront à réduire le coût des nomenclatures et la consommation électrique.
Selon Ericsson, « Le travail effectué avec la 3GPP version 17 pour prendre en charge des appareils NR à capacité réduite constitue une importante avancée pour élargir le marché potentiel de la 5G NR. Cela permet à des appareils à capacité réduite de fonctionner sur n'importe quelle bande de fréquences NR. »
Alors que la 5G est encore en développement, la 6G s'approche déjà
La recherche et le développement sur la prochaine norme de connectivité cellulaire sans fil sont en cours.
Plusieurs entreprises et établissements de recherche travaillent avec la 3GPP pour définir et tester la faisabilité de la prochaine évolution des réseaux, la 6G. Ils pensent que cette nouvelle norme pourra offrir des vitesses de 1 à 100 Gbps à l'utilisateur final, ainsi que des capacités multi-MIMO de 100 à 1 000 faisceaux simultanés à modulation dépendante pour proposer efficacement des vitesses de l'ordre de plusieurs dizaines de téraoctets par seconde.
Outre la capacité d'offrir des localisations précises au centimètre près pour compléter le GPS, les techniques d'imagerie 6G permettront d'identifier n'importe qui ou n'importe quel objet en déplacement. Cette infrastructure intelligente et immersive pourrait offrir des fonctionnalités de réalité virtuelle (RV) ou augmentée (RA) à faible latence, ou encore des capacités de téléprésence fluides.
La montée en puissance des réseaux sans fil privés
Les réseaux privés câblés et sans fil existent depuis de nombreuses années. De nombreux secteurs utilisent une combinaison d'Ethernet filaire et de Wi-Fi pour connecter des machines, des capteurs, des passerelles et d'autres équipements.
À l'heure où les réseaux cellulaires apportent une nouvelle couche de sécurité et de disponibilité, certains secteurs nécessitent une connectivité sur site, ainsi que la possibilité de sécuriser localement les données et les opérations. La LTE et la 5G offrent la possibilité de déployer des réseaux cellulaires privés sur des sites spécifiques et pour certaines applications.
Certains de ces réseaux privés ne sont que des tranches virtuelles fonctionnant sur une infrastructure publique existante. Ils sont gérés par des fournisseurs de services cellulaires qui allouent à leurs clients industriels une portion du spectre ou certaines cellules.
Aujourd'hui, certains fournisseurs d'infrastructures cellulaires offrent également des réseaux privés en dehors du domaine CSP. Des sociétés comme Cisco, Samsung, Huawei, Nokia ou Ericsson, entre autres, livrent maintenant directement leurs solutions à de grands clients industriels.
« Les industriels peuvent également déployer un réseau privé à l'aide de leur propre spectre d'entreprise s'ils peuvent obtenir l'autorisation de la part du régulateur », explique Sylwia Kechiche, Principal Industry Analyst, Enterprise chez Ookla, « ou le louer auprès de l'opérateur. Si elles veulent ce type de réseau virtuel privé, les entreprises ont donc plusieurs moyens à leur disposition en fonction du niveau de contrôle dont elles souhaitent disposer. »
Pour Juniper Research, Nokia et Ericsson sont des leaders sur le marché cellulaire privé. Selon ce cabinet d'études, « Notre enquête a montré que les opérateurs de réseaux cellulaires avaient souvent du retard sur le déploiement de capacités de réseaux privés, ce qui permettait à d'autres prestataires de jouer ce rôle à leur place. Ici, les acteurs les plus performants sont des fournisseurs de réseaux possédant des canaux d'équipement qu'ils peuvent utiliser pour entrer sur le marché. La nature flexible de la 5G a permis à des opérateurs nouveaux de fournir des services cellulaires privés, en particulier là où la réglementation permet l'utilisation du spectre 5G sans licence. »
Les CSP, qui maîtrisent les capacités techniques, continuent de devoir former leurs équipes de ventes pour répondre aux besoins de leurs clients industriels. Ils utilisent leurs commerciaux, dont beaucoup sont proches de la retraite, pour promouvoir des services plus anciens, tels que la voix et les données.
Tom Loozen, Global Telecommunications Leader chez EY, a confié à IoT Times que les opérateurs cellulaires devaient faire davantage d'efforts pour fournir des solutions de réseau privé. Sinon, a-t-il prévenu, d'autres intégrateurs de systèmes plus agressifs continueront de venir picorer dans leur assiette.
