lteDYNAMIC ACCESS CLASS BARRING AND RELAY ASSISTED RADIO RESOURCE ALLOCATION METHODS FOR CELLULAR M2M NETWORKS

1. LTE et M2M :
l’heure de la convergence

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Introduction
LTE déferle sur le monde du sans fil à la vitesse d’un raz-de-marée. Selon l’association
mondiale des équipementiers mobiles, la Global Mobile Suppliers Association (GSA),
49 opérateurs avaient déjà lancé des services commerciaux LTE en janvier 2012, et 285
autres avaient démarré des déploiements commerciaux ou lancé des tests. De fait, les
déploiements LTE surviennent bien plus rapidement que ce qui était anticipé. Selon la GSA,
d’ici la fin 2012, il devrait y avoir 119 réseaux LTE en exploitation, répartis dans plus de 50
pays. Et si, initialement, la question se posait de savoir si les déploiements LTE seraient
limités aux zones de haute densité, LTE est devenu le standard de fait de la prochaine
génération de réseaux cellulaires.
Parallèlement à la croissance sans précédent de l’adoption de LTE, le monde du sans-
fil est confronté à une autre tendance majeure aux impacts profonds sur l’industrie : les
communications de machine à machine (M2M). Alors que LTE peut ouvrir sur un nouveau
monde d’applications sans fil à haut débit, le M2M promet de transformer de nombreuses
industries en autorisant l’établissement de communications à distance avec virtuellement
tout type d’appareil – depuis les voitures jusqu’aux cafetières en passant par les oléoducs
et les pompes à insuline. Mais bien que ces deux tendances n’affichent aucun signe de
ralentissement, elles suivent jusqu’ici des trajectoires distinctes. Nombreux sont ceux qui,
dans l’industrie, imaginent les appareils connectés de demain ou qui perçoivent clairement
les bénéfices de connexions LTE ultrarapides. Mais ils sont peu nombreux à réfléchir à la
manière dont ces deux mondes peuvent se rejoindre.
De fait, de nombreuses applications M2M peuvent retirer dès maintenant des bénéfices
des réseaux LTE. Mais il y a également de bonnes raisons de croire que LTE jouera un
rôle important dans le futur des services M2M, y compris pour les solutions M2M qui ne
nécessitent pas les débits et la latence de LTE.
Ce document porte sur l’étude des forces du marché qui poussent les équipementiers
OEM et d’autres acteurs du M2M à envisager le recours à LTE pour des appareils et des
applications connectés. Il évoque également les freins au recours à LTE pour les applications
M2M à bas débit, ainsi que ce que Sierra Wireless et d’autres acteurs proposent pour aider
à faire évoluer la technologie LTE afin de l’ouvrir à un éventail plus large de solutions M2M.

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Les moteurs du marché qui poussent
LTE dans le M2M
Alors que l’on étudie les services LTE pour le M2M, il est
important de distinguer deux classes d’applications M2M :
celles pour lesquelles les débits élevés et la faible latence de
LTE vont apporter des bénéfices immédiats, et celles dont les
besoins de connectivité sont moins exigeants
Les applications M2M à hautes performances
La première catégorie recouvre des applications M2M variées
avec, en particulier, les applications vidéo. Celles-ci peuvent
immédiatement bénéficier des débits de LTE, jusqu’à 100
fois plus importants qu’en 2G. Il s’agit là d’appareils de
vidéosurveillance connectés ou encore d’équipements de
retransmission vidéo. Ces appareils peuvent en outre combiner
des services vidéo avec des services informatiques – par
exemple, un panneau d’affichage numérique qui utilise une
technologie de reconnaissance faciale basée sur des services
réseau pour identifier l’âge et le genre de la personne qui le
consulte, afin de cibler précisément les annonces publicitaires.
Mais les avantages de LTE vont au-delà des seuls débits
élevés. LTE permet d’atteindre une latence (le temps qu’un
paquet de données met pour passer de sa source à sa
destination) 10 fois plus faible qu’avec les technologies 2G
et 3G. Et cela peut avoir un impact encore plus significatif
sur les performances effectives de certaines applications.
Pour certaines applications M2M, la réactivité est un facteur
critique – pour les applications de contrôle d’équipements
sensibles tels que les alarmes et les systèmes de commande
industriels, les systèmes de gestion du trafic, les équipements
médicaux ou encore la voix sur IP, etc. – et la faible latence
de LTE peut permettre le développement d’applications
connectées inenvisageables autrement.
Quatre raisons de penser
LTE pour le M2M
• Longévité : Le cycle de vie des
anciens réseaux cellulaires est
imprévisible. Et le coût de mise
à niveau de technologies déjà
déployées peut être exorbitant.
LTE supportera les appareils
connectés sur site pour de
nombreuses prochaines
années.
• Des coûts de service
potentiellement réduits : LTE
utilise la ressource spectrale
avec bien plus d’efficacité que
les technologies de précédente
génération. Plus économique
à exploiter, LTE conduira
probablement à une réduction
des coûts d’exploitation sur
l’ensemble du cycle de vie des
appareils connectés.
• Élasticité : La plupart des
réseaux LTE aujourd’hui
déployés supportent IPv6. Ils
sont donc particulièrement
adaptés aux déploiements
M2M de masse que les
réseaux plus anciens ne
peuvent pas supporter.
• Des performances
supérieures : LTE est
une solution idéale pour
les applications M2M qui
nécessitent des débits plus
élevés et une meilleure
réactivité.

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Pour toutes ces applications – et pour d’autres encore – où les débits, la réactivité et
les performances comptent, LTE peut apporter des progrès considérables par rapport
aux technologies cellulaires des précédentes générations. Alors que les déploiements de
réseaux LTE continuent de s’étendre à travers le monde, on peut s’attendre légitimement à
la multiplication de ce type d’applications M2M.
Les applications M2M à basse vitesse
Mais qu’en est-il de l’autre catégorie d’applications M2M ? De nombreux appareils M2M
actuels n’ont tout simplement pas besoin des performances de LTE. Et puisque le coût de
fabrication et d’achat des modules LTE embarqués de dernière génération reste supérieur
à celui de solutions cellulaires 2G et 3G, ceux qui développent des applications M2M
peuvent trouver difficile de justifier d’investir dans LTE. À long terme, toutefois, les bonnes
raisons ne manquent pas pour réfléchir à LTE, y compris lorsque des vitesses élevées ne
sont pas nécessaires. En voici quelques-unes :
• Longévité : l’un des principaux avantages de LTE est la longévité de la technologie
– un élément significatif pour les appareils connectés qui doivent avoir un cycle de
vie long. Les appareils M2M pour l’automobile peuvent avoir besoin de fonctionner
pour dix ans voire plus. Les équipements et infrastructures connectés industriels
ont généralement des durées de vie encore plus longues. Bien que ces applications
puissent fonctionner correctement sur des réseaux 2G, le cycle de vie de ces réseaux
varie considérablement d’une région à l’autre. Dans certaines régions du monde, les
opérateurs de réseaux mobiles se détournent activement des services 2G. Par exemple,
de nombreux opérateurs de réseaux mobiles ont déjà mis un terme à l’exploitation
de leurs réseaux 2G ou arrêté la certification de nouveaux produits pour ces réseaux.
Les facteurs motivant ces décisions peuvent être difficiles à prévoir – changements du
cadre réglementaire, spectre radio limité, croissance du parc d’abonnés au haut débit
mobile. Les équipementiers OEM développant des appareils M2M doivent prendre
en considération que, sur certains marchés, les services 2G risquent de ne pas être
disponibles pour l’ensemble du cycle de vie de leurs appareils. De plus en plus, ils vont
devoir mettre en perspective les coûts incrémentaux liés à l’utilisation de modules LTE
avec ceux d’une vaste campagne de remplacement ultérieure.
• Des coûts de service potentiellement inférieurs : LTE est également susceptible
de réduire, à l’avenir, les coûts de service. En tant que technologie basée sur IP, LTE
permet aux opérateurs de réseaux mobiles d’utiliser un cœur de réseau IP “plat”, ainsi

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qu’une technologie standardisée de réseau s’auto-organisant. Ils peuvent ainsi déployer,
exploiter et étendre leurs réseaux cellulaires à moindre coût et plus simplement. LTE
offre également aux opérateurs mobiles une grande flexibilité de gestion du spectre,
avec la possibilité de déployer LTE dans plusieurs bandes et combinaisons de bandes
de fréquences – pour finalement déployer des services de nouvelle génération dans
virtuellement n’importe quelle partie du spectre alloué. Enfin, LTE offre bien plus de
capacité par MHz que les réseaux 2G. Des études ont montré qu’il offre deux fois plus
de capacité par MHz que les réseaux 3G HSPA+, y compris en utilisant des antennes
et des allocations de spectre comparables. Tous ces facteurs peuvent réduire les coûts
d’investissement et d’exploitation. Le coût par bit est ainsi réduit pour les opérateurs de
réseaux mobiles – qui peuvent répercuter cette baisse sur leurs clients.
• Élasticité : LTE présente en outre une grande évolutivité. Contrairement aux réseaux
2G et 3G, il est actuellement déployé pour supporter IPv6. Une capacité qui devient
cruciale alors que le monde commence à manquer d’adresses IPv4. IPv6 étend les
capacités d’adressage de manière exponentielle, rendant finalement possible la vision
M2M ultime d’un “Internet des objets.” Le fait que les réseaux LTE supportent IPv6 les
rend donc bien adaptés à des déploiements M2M massifs qui pourraient être contraints
par les limitations des anciens réseaux qui s’appuient sur IPv4 et sur la translation
d’adresses réseau (Network Address Translation, NAT).
Dépasser les freins à l’adoption de LTE dans le M2M
Les appareils connectés à hautes performances tirent déjà profit de ces innovations liées à
LTE. Pour les développeurs d’applications M2M bas débit/basses performances, toutefois,
il reste certains freins que l’industrie doit dépasser pour faire de LTE la technologie cellulaire
de référence. En voici quelques-uns :
• Couverture inégale : Les déploiements LTE progressent rapidement et il ne fait
aucun doute que LTE sera déployé à grande échelle sur des réseaux nationaux et
régionaux – et pas uniquement dans les zones à forte densité – dans le monde entier.
Mais la technologie LTE est encore jeune, la couverture continue d’évoluer – et n’est pas
aussi continue qu’elle peut l’être pour les réseaux 2G et 3G. La nature dynamique du

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marché LTE est en outre synonyme d’une forte variabilité de la couverture d’une région
du monde à l’autre.
• Le coût des appareils : Le coût est également une préoccupation pour les OEM
développant des applications M2M bas débit. Puisque LTE est récent, et que la
technologie est plus complexe que la 2G – avec le support d’un plus grand nombre de
bandes de fréquences et de combinaisons de bandes, des configurations de recepteur
radio plus complexes, et des antennes plus sophistiquées – les modèles LTE actuels
sont plus chers que leurs équivalents 2G. Dès lors, certains OEM construisant des
solutions M2M bas débit peuvent estimer que, compte tenu des composants à hautes
performances des modules LTE – et de leur coût –, le standard LTE lui-même n’est tout
simplement pas optimum pour les applications qu’ils construisent actuellement.
Certains de ces freins seront levés simplement avec le temps. Par exemple, le coût des
modules et des appareils LTE va naturellement diminuer, comme c’est le cas pour toute
nouvelle technologie. L’absence de couverture LTE dans certaines zones sera également
réparée du fait de l’extension progressive des déploiements LTE à travers le monde. (En
outre, on peut relever que puisque de nombreux opérateurs mobiles déploient LTE sur des
bandes de fréquences basses, telles que celle des 700 MHz, les réseaux LTE pourraient in
fine offrir une meilleure couverture que les services 3G pour les applications en intérieur.)
Toutefois, les opérateurs de réseaux, les fournisseurs d’équipements LTE, et les organes de
standardisation font d’importants efforts pour rendre LTE plus accessible aux applications
M2M dans leur ensemble.
Réduire les coûts
LaflexibilitéintrinsèquedeLTE,enmatièredespectreradio,impliquequ’ilseraprobablement
toujours plus compliqué à mettre en œuvre que les systèmes 2G. Mais les fournisseurs de
technologies M2M travaillent à apporter des réponses à ces complexités afin de réduire
le coût des déploiements M2M. Par exemple, Sierra Wireless utilise – comme d’autres –
de nouvelles technologies de composants ajustables qui permettent aux modems et aux
antennes d’utiliser des bandes de fréquences étendues et plus nombreuses, et qui aident
à répondre à la diversité des déploiements LTE actuels. Idéalement, ces technologies
pourraient éliminer le besoin de filtres multiples et d’autres composants périphériques qui
participent de l’augmentation du coût des équipements.

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Il est en outre important de considérer que l’électronique embarquée n’est que l’une des
composantes du coût total (TCO) d’une solution M2M.
Les études de la GSMA suggèrent que le matériel ne
compte actuellement que pour 5 à 15 % du TCO et que
les coûts de service et d’exploitation peuvent contribuer
considérablement au coût d’une solution au cours de son
cycle de vie. Les principaux équipementiers LTE travaillent
à réduire le TCO des applications M2M en les rendant plus
économiques à développer et à exploiter. Par exemple,
Sierra Wireless a intégralement conçu son système
d’exploitation Open AT® pour simplifier le développement
des applications M2M en fournissant tous les services
sans fil essentiels, la connectivité TCP/IP et les ressources
matérielles nécessaires aux applications M2M sans que
des processeurs supplémentaires ne soient requis. Open
AT s’appuie en outre sur le projet Eclipse pour fournir un
environnement de développement intégré (IDE) embarquant
des outils de langage M2M, un environnement d’exécution,
des éditeurs applicatifs, et plus encore. L’ensemble rendant
particulièrement simple le développement d’applications
M2M pour appareils connectés.
De nouvelles solutions d’administration M2M, telles que la
plate-forme AirVantageTM de Sierra Wireless, fournissent en
outre des outils complets pour développer des applications
M2M et administrer appareils, abonnements, et actifs sous-
jacents. Associées à des passerelles LTE intelligentes, les
solutions de ce type assurent l’abstraction de l’administration
M2M de la technologie de réseau cellulaire. Les équipementiers OEM et les développeurs
peuvent ainsi créer des applications M2M une unique fois avant de les porter pour les
réseaux 2G, 3G, et 4G, sans modification de code.
Améliorer LTE pour le
M2M
Les opérateurs mobiles, les
organes de standardisation, les
équipementiers LTE, entre autres,
travaillent ensemble pour optimiser
le standard LTE pour un plus vaste
éventail d’applications M2M. À
cette fin, ils collaborent pour :
• développer une nouvelle classe
d’appareils LTE économiques ;
• réduire la congestion induite
par les déploiements M2M à
grande échelle ;
• minimiser l’empreinte des
appareils LTE accédant au
réseau ;
• améliorer l’efficacité
énergétique en allongeant
les cycles de veille pour
les applications tolérant la
latence, et en introduisant
des fonctions de gestion de la
mobilité configurables.

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Optimiser LTE pour le M2M
• Compte tenu de l’importance des applications M2M à bas débit sur le marché,
et des actuelles limitations fonctionnelles du standard LTE pour les supporter, les
organes de standardisation travaillent ardemment à l’amélioration du protocole LTE.
Des développements sont actuellement en cours pour supporter une nouvelle classe
d’appareils LTE à bas coût :
• qui fonctionnent à des débits inférieurs à 1 Mbit/s, afin de leur permettre de n’utiliser
qu’une petite part de la bande passante disponible à l’interface air (ex. : 1,5 MHz) – une
petite fraction du minimum actuellement requis de 20 MHz ;
• qui utilisent un récepteur unique en semi-duplex (au lieu d’un full duplex assorti de
récepteurs multiples à diversité pour chaque bande de fréquences) ;
• qui utilisent des puissances d’émission limitées pour réduire la consommation
électrique et les coûts matériels.
Aux côtés d’autres équipementiers, Sierra Wireless travaille étroitement avec les organes
de standardisation pour faire de ses améliorations à LTE une réalité commerciale. Au final,
ces efforts permettront aux développeurs d’applications M2M bas débit de tirer profit d’une
nouvelle gamme d’appareils LTE qui se distingueront par une complexité, un nombre de
composants et un coût réduits, sans perte de couverture. (Pour plus de détails, consultez
la spécification 3GPP TR 36.888, et la description d’étude 3GPP RP-111112.)
Améliorer l’efficacité et les performances de LTE
Les acteurs de l’écosystème LTE travaillent en outre avec les organes de standardisation
pour répondre aux problèmes de congestion qui affectent les sites cellulaires de tous types
(2G et 3G ainsi que LTE) lorsqu’un grand nombre d’appareils cherchent à accrocher un
réseau simultanément. Ce peut être particulièrement important pour les applications M2M
industrielles ou du secteur de l’énergie où un grand nombre d’appareils est susceptible
d’être déployé dans une zone géographique restreinte.
Par exemple, de nouveaux travaux de standardisation visent à identifier les appareils M2M
à “basse priorité” pour les retarder dans leurs efforts de reconnexion après un échec.
Parallèlement, les ingénieurs développent de nouvelles stratégies de radiodiffusion pour
permettre au réseau d’interdire aux appareils à basse priorité de s’y connecter durant
certaines périodes.

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Les groupes de standardisation travaillent également avec les développeurs de la
technologie LTE pour créer des standards visant à protéger le réseau des congestions et
des défaillances induites par des connexions en itinérance. Par exemple, les groupes de
standardisation sont en train de développer des mécanismes de protection qui permettent
aux réseaux d’autoriser leurs abonnés à se connecter tout en interdisant l’accès à des
utilisateurs en itinérance. Ce serait important pour assurer, sur les réseaux d’une même
zone géographique, qu’une défaillance de l’un ne se transforme pas en un énorme pic de
trafic sur un autre – ce qui pourrait même conduire à une défaillance en chaîne.
En plus de ces efforts, les fournisseurs d’appareils LTE et les groupes de standardisation
travaillent à améliorer la couverture et à réduire l’empreinte des appareils M2M accédant
aux réseaux cellulaires. Un domaine en particulier ouvre d’importantes perspectives :
réduire les débits au profit de la couverture. Actuellement, LTE est optimisé pour mettre
sa bande passante plus importante au service de débits plus élevés. Mais en théorie, pour
les applications M2M qui ne nécessitent pas des débits élevés, une partie de ce spectre
pourrait être utilisé pour améliorer la pénétration dans les édifices et, partant, la couverture
pour les systèmes M2M internes à des bâtiments.
Bien que la plupart de ces innovations pourraient théoriquement être appliquées à tous les
types de réseaux cellulaires, elles devraient apparaître dans les réseaux LTE : les opérateurs
de réseaux mobiles investissent actuellement au déploiement de cette nouvelle technologie
sur leurs sites cellulaires. (Pour plus de détails sur ces efforts, consultez le document de
travail 3GPP System Improvements to Machine-Type Communications.)
Améliorer l’efficacité énergétique du M2M
Sierra Wireless collabore aussi avec d’autres acteurs de l’industrie pour améliorer l’efficacité
énergétique des appareils M2M. Dans un module cellulaire standard, la consommation
électrique est largement liée aux fonctions de réception. Dans le cadre de communications
d’humain à humain – dans un téléphone mobile, par exemple –, il est important de concevoir
des appareils avec des cycles de repos très courts, capables de sortir de veille et de
recevoir une connexion dans un délai très limité - de moins d’une à deux secondes, en
général. Toutefois, pour de nombreuses applications M2M, il est parfaitement acceptable
qu’un appareil mette plusieurs minutes pour se connecter au réseau après réception d’une
notification.

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Les organes de standardisation travaillent actuellement à modifier le standard LTE pour tenir
compte de cette réalité, développant des cycles de veille plus longs pour les applications
LTE tolérantes à la latence. Le standard LTE fait également l’objet d’ajustements pour
permettre la configuration, au niveau de chaque appareil, de la périodicité d’accessibilité
des fonctions de gestion de la mobilité. Cela permettrait par exemple qu’un composant
industriel statique se contente de se connecter toutes les deux heures pour signaler sa
présence : ses besoins ne sont pas comparables à ceux d’un téléphone mobile qui doit
régulièrement indiquer au réseau où il se trouve (et cela éviterait de gaspiller inutilement la
capacité de la batterie pour remplir ces fonctions).
Conclusion
Les appareils et applications connectés promettent de révolutionner l’industrie du sans
fil. Mais actuellement, les solutions pour les applications M2M bas débit et pour les
applications M2M à hautes performances évoluent dans deux directions différentes. Ceux
qui peuvent immédiatement retirer des bénéfices de performances et de débits élevés
adoptent rapidement LTE, tandis que ceux qui développent des applications bas débit se
contentent largement des modules cellulaires de précédente génération. Toutefois, ces deux
voies d’évolution du M2M convergeront bientôt. Les avantages de LTE – et notamment sa
longévité, son élasticité, et son efficacité opérationnelle – sont tout simplement trop grands
pour que les OEM et les autres acteurs du M2M les ignorent.
Sierra Wireless travaille en collaboration avec d’autres équipementiers LTE et avec les
groupes de standardisation pour optimiser LTE pour le M2M. Ce travail recouvre un
vaste éventail d’efforts pour améliorer l’efficacité de LTE pour les OEM qui ont besoin de
performances élevées et d’une faible latence pour leurs applications M2M, et pour réduire
les coûts et la complexité de LTE pour les autres.
Sierra Wireless s’appuie en outre sur son importante expertise des solutions multimodes/
multifréquences pour développer les modules et les appareils LTE les plus efficaces. En
tant que pionnier de la première génération de technologies LTE, et leader du marché M2M,
Sierra Wireless a établi des protocoles de test LTE complets, des capacités de conception
d’antennes avancées, et une connaissance approfondie des réseaux d’opérateurs mobiles

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et des processus de certification dans le monde entier. En conséquence, Sierra Wireless
est bien positionné pour aider les OEM et les développeurs d’applications M2M à éviter les
pièges potentiels inhérents à LTE et à industrialiser le développement et l’approbation de
leurs appareils connectés LTE.
Le marché du M2M, comme la technologie LTE, va continuer d’évoluer. Sierra Wireless
investit ses ressources pour garantir qu’il continuera d’être le leader mondial de ces deux
révolutions industrielles.