Les solutions CIoT de la Release 13

2.3.1.1 La solution EC-GSM-IoT

Les caractéristiques du système EC-GSM-IoT sont très proches de celles de la solu-tion d’origine EC-GSM. L’extension de couverture repose uniquement sur l’utilisasolu-tion de répétitions en aveugle, le standard EC-GSM-IoT apportant le moins de modifications pos-sibles aux systèmes 2G. À la suite des nombreux travaux déjà effectués sur la solution

EC-GSM lors du Study Item, certaines fonctionnalités ont été modifiées ou ajoutées. Une amélioration de la sécurité a notamment été apportée. Le nombre de classes de couverture a été réduit à 4, et la modulation 8-PSK est devenue optionnellement utilisable en voie montante et descendante. Enfin, les 2 classes de puissance à 33 et 23 dBm sont toujours considérées, ainsi que les modes d’économie d’énergie PSM et eDRX5. Tout comme pour le système EC-GSM, la mise en place de EC-GSM-IoT ne nécessite qu’une simple mise à jour logicielle, et son utilisation est donc préconisée pour les opérateurs ne souhaitant pas réutiliser toute leur bande 2G pour la 4G. Dans une configuration où le standard EC-GSM-IoT fonctionne seul, donc sans les services des systèmes GSM/GPRS, un minimum de trois canaux duplexes 2G est nécessaire. Des canaux supplémentaires doivent être utilisés si un support parallèle des services 2G classiques est souhaité, le nombre de canaux dépendant de la charge attendue pour ces services.

2.3.1.2 La solution LTE-M

À la façon de la catégorie 0 d’UE ajoutée dans la Release 12, la solution LTE-M [30], aussi appelée eMTC (enhancements for MTC ), ajoute la catégorie M1, tout en proposant de nombreuses modifications au système LTE. L’un des objectifs du système LTE-M est d’obtenir une extension de couverture de 15 dB par rapport au MCL du LTE classique, tout en diminuant la complexité et en limitant la consommation d’énergie de l’UE. Ainsi, un UE de catégorie M1 dispose de 2 modes de fonctionnement. Le mode A est le mode de fonctionnement basique, disposant d’une faible extension de couverture, et pouvant utiliser les modulations QPSK et 16-QAM (voies montante et descendante). Le mode B, optionnel, dispose d’une forte extension de couverture, mais n’autorise que la modulation QPSK.

Pour augmenter la couverture, le standard LTE-M utilise, tout comme EC-GSM-IoT, des répétitions en aveugle. En mode B, le nombre maximal de répétitions nécessaire pour atteindre l’extension de couverture cible est de 512, même si la norme prévoie la valeur de 2048 répétitions au maximum. Le nombre de répétitions requis est déterminé dynamique-ment par le système parmi un ensemble de valeurs, un mécanisme HARQ étant égaledynamique-ment mis en place. Des efforts particuliers ont aussi été réalisés pour améliorer l’estimation de canal. Concernant l’utilisation spectrale, la bande est partagée en NB de 6 PRB, chaque NB étant disjointe des autres. La voie descendante utilise au maximum un NB, alors que la voie montante ne peut employer qu’un ou 2 PRB. Un mécanisme de saut de fréquence est utilisé, de sorte à pouvoir bénéficier de la diversité en fréquence, notamment au sein des répétitions. Concernant la complexité, un mode half-duplex (HD) est également disponible en complément du mode full-duplex (FD) classique. Le système LTE-M supporte les mul-tiplexages de type FDD et TDD. En mode FD-FDD, le débit maximal est de l’ordre de 800 kbps en voie montante et descendante, pour environ 300 kbps en mode HD et sans MIMO. En effet, aucune technique MIMO n’est considérée, la catégorie M1 ne devant comporter qu’une seule antenne TX et RX. Concernant les modes d’économie d’énergie, le système LTE-M dispose du mode PSM et de 2 modes eDRX : eCDRX (Extended Connected Dis-continuous Reception) et eIDRX (Extended Idle Discontinuous Reception). Lorsque l’UE est en mode eCDRX, il peut allonger la durée entre 2 écoutes du canal de paging de 1.28 s à 5.12 s ou 10.24 s. En mode eIDRX, cette durée correspond à un nombre configurable d’hypertrames, pour une durée maximale de 43.69 min. Le mode eCDRX est applicable lorsque l’UE est en mode “RRC connected”, c’est à dire qu’il a un contexte activé au niveau

5. Pour rappel, en mode PSM, le MS reste en sommeil jusqu’à ce qu’il doive réaliser une émission de données ou rappeler sa présence au réseau. Il dispose alors d’une courte fenêtre de paging après sa transmission. En mode eDRX, la durée séparant 2 réveils du MS pour écouter le canal de paging est étendue. Le MS peut rester en sommeil durant cette période, la durée étant configurable.

de l’eNode B. Le mode eIDRX n’est applicable qu’avec le mode “RRC idle”, où l’UE n’a pas de contexte avec l’eNode B mais uniquement avec le réseau cœur. Enfin, un nouveau canal de signalisation est mise en place, le MPDCCH (MTC Physical Downlink Control CHannel). Son rôle est équivalent à celui du PDCCH pour les mobiles classiques et permet notamment de transmettre les ACK/NACK, l’attribution de ressources, le paging, etc ... Le MCL atteint par le standard LTE-M est de 155.7 dB pour une puissance d’émission de 23 dBm. Le niveau de couverture offert est donc équivalent à celui du système EC-GSM-IoT, ce dernier ayant un MCL de 154 dB pour 23 dBm de puissance d’émission.

2.3.1.3 La solution NB-IoT

Le travail de normalisation basé sur les travaux de Huawei et Qualcomm sur la solu-tion NB-CIoT, ainsi que sur la solusolu-tion NB-LTE de Ericsson et Nokia, ont conduit à la solution NB-IoT [30]. D’un côté, le système NB-IoT est prévu pour pouvoir fonctionner sur les bandes LTE en parallèle des services LTE classiques (cas de NB-LTE), la solution utilisant l’OFDM en voie descendante et le SC-FDMA en voie montante (dans le cas de plusieurs sous-porteuses). Mais d’un autre côté, le standard NB-IoT peut également utiliser les bandes de garde du LTE ou encore les bandes de la 2G (cas de NB-CIoT). En effet, seule une bande duplexe de 180 kHz (1 PRB) en FDD est requise, sachant que le système est uniquement prévu pour fonctionner en mode HD-FDD. Comparé au gabarit de puissance utilisé en LTE, une augmentation de 6 dB de la puissance maximale employable est mise en place, permettant un gain de couverture. Plusieurs largeurs de canaux sont considérées pour les transmissions. En voie descendante, la station de base peut utiliser soit une, soit plusieurs sous-porteuses de 15 kHz, avec un maximum de 12 sous-porteuses. En voie mon-tante, l’UE a en plus la possibilité d’utiliser une seule sous-porteuse de 3.75 kHz, dans le cadre d’une extension de couverture extrême. Dans le cas d’une seule sous-porteuse utilisée, de 15 ou 3.75 kHz, le spectre du signal modulé possède une enveloppe en sinus cardinal (tout comme pour l’OFDM). La modulation QPSK est utilisée pour la voie descendante. Une modulation π

4-QPSK est employée pour la voie montante, sauf dans le cas d’une sous-porteuse de 3.75 kHz, où une modulation π

2-BPSK est utilisée. Ces modulations étaient déjà employées dans le cadre de la solution NB-CIoT, et ont pour objectif de diminuer le PAPR et donc la complexité du système. De même, le système NB-IoT utilise un code convolutif pour la voie descendante, et un turbo code en voie montante. Enfin, pour permettre une extension de couverture suffisante, des répétitions en aveugle sont employées. Tout comme dans le cas du système LTE-M, un maximum de 2048 répétitions est prévu, ajouté à un mécanisme d’HARQ. Finalement, l’extension de couverture offerte permet d’atteindre le MCL de 164 dB pour la nouvelle catégorie d’UE ajoutée : la catégorie NB1.

À la suite de la Release 13, les opérateurs disposaient donc de plusieurs solutions CIoT. Le tableau 2.11 résume les différentes caractéristiques de ces solutions. Concernant la 4G, 2 possibilités s’offraient à eux : la solution LTE-M ou la solution NB-IoT. D’un côté, le système NB-IoT offrait une meilleure couverture que le système LTE-M, une complexité d’UE réduite et la possibilité d’un déploiement hors bandes LTE, donnant plus de flexibilité aux opérateurs. Mais d’un autre côté, le standard NB-IoT impliquait certaines modifica-tions matérielles sur les eNode B, contrairement à LTE-M. En effet, la mise en place du système LTE-M consistait en une simple mise à jour logicielle, tout comme EC-GSM-IoT. De plus, le système LTE-M proposait des débits plus élevés et se plaçait dans une certaine continuité avec le système LTE. On peut aussi noter que la Release 13 ne proposait que des premières versions de ces solutions, qui devaient encore être calibrées et améliorées en Release 14. La question de l’absence de techniques de localisation a plus particulièrement été soulevée, l’objectif des 100 m de précision en moyenne étant évoqué. Le choix d’une

solution à adopter étant une décision importante pour un opérateur, les premiers tests matériels de la Release 13 et les améliorations de la Release 14 étaient particulièrement attendus.

LTE-M (Cat M1) NB-IoT (Cat NB1) EC-GSM-IoT Déploiement Bande LTE _{garde LTE, standalone}^{Bande LTE, bande de} Bande GSM

MCL 155.7 dB 164 dB 164 dB (à 33 dBm)

Voie descendante porteuse 15 kHz,^OFDMA, porteuse 15 kHz,^{OFDMA, TDMA/FDMA,}GMSK, 8PSK

(VD) turbo code, conv. code, optionnelle,

16-QAM, 1 RX QPSK, 1 RX 1 Rx

Voie montante porteuse 15 kHz,^SC-FDMA, porteuse 15 kHz^{SC-FDMA, TDMA/FDMA}_{GMSK, 8PSK}

(VM) turbo code, et 3.75 kHz, _optionnelle

16-QAM turbo code, π

4-QPSK

Bande passante 1.08 MHz 180 kHz 200 kHz par canal Débit max. 1 Mbps/ ^{250 kbps/250 kbps 70 kbps (GMSK),} (VD/VM) 1 Mbps ^{(20 kbps pour}_{une porteuse) (8PSK) (VD/VM)}^{240 kbps} Duplexage _{FDD et TDD}^{FD et HD,} HD-FDD HD-FDD

Consommation PSM, eIDRX, PSM, eIDRX, PSM,

d’énergie eCDRX eCDRX eIDRX

Classe de 23 dBm 23 dBm 33 dBm

puissance 20 dBm 20 dBm 23 dBm

Table 2.11 – Caractéristiques des différentes technologies CIoT en Release 13.