L'avenir des modules sans fil

Les technologies sans fil font face à des changements extraordinaires Le marché cellulaire passe de la 3G à LTE, LTE Advanced et LTE Advanced Pro pour améliorer les débits de données et réduire l'alimentation, tout en évoluant vers la technologie 5G nouvelle génération. Cela impliquera de nombreuses bandes de fréquences à de plus hautes fréquences pour des débits de données encore plus élevés. Cela permettra également d'autres technologies actuellement utilisées dans des bandes de fréquences non soumises à une licence, comme le Wi-Fi.

En même temps, les opérateurs et les développeurs étudient les avancées en termes de réseaux cellulaires sans fil pour proposer des liaisons sans fil économiques, fiables et évolutives pour l'Internet des objets (IoT). Pour ces applications, la consommation énergétique et l'autonomie des batteries constituent le facteur déterminant. Par ailleurs, des solutions à bande étroite font maintenant leur apparition. Parallèlement à ces améliorations, les récentes évolutions des spécifications, comme Bluetooth et ZigBee, ciblent également les applications IoT. Bluetooth 5 promet une portée plus étendue et des débits de données supérieurs, avec une plus basse consommation, tandis que ZigBee 3.0 permet de réduire la consommation des réseaux maillés.

Tout cela peut être un véritable casse-tête pour l'ingénieur de conception. L'utilisation d'un protocole sans fil pour des applications globales à faible coût et à basse consommation peut être complexe et particulièrement instable.

Les fabricants de modules tentent de faire face à ce défi à travers une empreinte commune, une méthode parmi d'autres. Sierra Wireless, par exemple, a délibérément adopté une approche axée sur les modules pour les développements liés aux technologies sans fil. La portée des modules embarqués 2G, 3G et 4G dans la gamme AirPrime HL offre tout ce dont les fabricants de dispositifs ont besoin pour satisfaire les exigences de connectivité essentielles. Avec un facteur de forme commun à toutes les différentes technologies cellulaires, une taille compacte, une faible consommation énergétique et un rendement RF amélioré, il existe également des options pour la navigation GNSS à partir des systèmes de satellite GPS (américain) et GLONASS (russe), ainsi qu'une couverture mondiale.

Figure 1 : Une empreinte commune pour les modules sans fil permet d'ajouter facilement chaque génération de technologies à une carte.

Avec une seule conception de circuit imprimé, les fabricants de dispositifs peuvent facilement intégrer la connectivité vocale et de données, et effectuer un déploiement dans n'importe quelle région, sur n'importe quel réseau mobile sans fil (voir Figure 1). Sierra a également pensé au facteur de forme pour offrir le choix entre le soudage du module pour une production efficace à haut volume et l'utilisation d'un connecteur encliquetable sur les mêmes pastilles de soudure pour une flexibilité de prototypage totale ou des volumes moins importants (Figure 2). Le connecteur encliquetable permet aux fabricants de dispositifs de déployer ou de changer des modules à tout moment lors des cycles de production et de vie du produit grâce à l'empreinte commune.

Ce brochage commun permet une compatibilité dans les deux sens (ascendante et descendante) entre les différentes variantes des modules 2G, 3G et 4G. Cela signifie que l'emplacement de la broche mécanique offre la même fonction dans toute la série. De plus, le brochage de la série HL est compatible avec la série WP de traitement d'application.

Figure 2 : Un connecteur encliquetable permet de tester les modules communs dans des systèmes prototypes ou des exécutions à faible production.

Cependant, l'avenir des modules sans fil n'est pas seulement une question de matériel. Les logiciels et les micrologiciels constituent un composant qui est de plus en plus essentiel pour le système. Le service sans fil (OTA) basé sur le cloud AirVantage de Sierra permet aux utilisateurs de connecter et de gérer simplement une flotte de machines à distance de n'importe quelle taille. Cela permet d'intégrer des données de machine dans des systèmes d'entreprise à l'aide de normes et d'outils de développement ouverts M2M.

Sierra dirige le groupe de travail Eclipse IoT qui développe des normes et fournit des interfaces de programmation d'applications (API) sur le référentiel open-source Github, avec un exemple Node.js pour l'API AirVantage. Cet exemple utilise l'API AirVantage REST dans Clojure, un simple client OAuth2 + JSon dans Go, pour collecter la liste de passerelles depuis AirVantage et des méthodes d'accès à l'API AirVantage depuis Ruby, PHP et Java, ainsi qu'un script Shell simple et flexible qui permet une interaction avec l'API AirVantage M2M Cloud dans la ligne de commande.

De même, le modem Skywire LTE CAT1 de NimbeLink est destiné à des applications à durée de vie étendue et doit donc tenir compte des technologies sans fil en constante évolution. Le modem utilise l'interface XBEE et la même taille compacte que la gamme Skywire, et est compatible avec les cartes de microprocesseur et les kits de développement de NimbeLink pour une intégration simple et rapide de la connectivité cellulaire à un produit. L'utilisation d'une interface standard de XBEE facilite la migration vers d'autres technologies cellulaires et permet d'étendre la durée de vie des produits à mesure que de nouvelles technologies se développent.

Les spécialistes cellulaires sont parfaitement conscients de la menace que représentent les technologies sans licence, comme Bluetooth, Wi-Fi et ZigBee. C'est pourquoi ils travaillent sur leur propre norme à faible débit de données. La version 13 de la spécification 3GPP inclut la norme Narrowband IoT (LTE Cat. NB1), qui permet l'utilisation de réseaux cellulaires pour l'IoT pour la première fois.

Cela permet aux modules cellulaires d'avoir une autonomie de batterie de 10 à 20 ans dans des applications comme les villes et les immeubles intelligents, les compteurs, les produits blancs, le suivi des actifs et la surveillance environnementale et agricole. Des essais avec Vodafone, Deutsche Telekom et Huawei dans des applications intelligentes de compteur et de stationnement se sont avérés positifs et ont démontré que les réseaux NB-IoT fonctionnent de manière plus efficace que le GPRS. Les modules NB-IoT sont arrivés sur le marché fin 2016 avec des débits de liaison descendante pouvant atteindre 227 kbps et des débits de liaison montante pouvant atteindre 21 kbps, de qui permet de maintenir une faible consommation et de bénéficier d'une autonomie de batterie de 10 à 20 ans. La prise en charge simultanée de trois bandes RF signifie que le même module peut être utilisé dans la plupart des régions géographiques.

Figure 3 : Le lancement des modules IoT à bande étroite est prévu fin 2016 (Source : 3GPP)

La norme NB-IoT réduit la complexité au niveau du dispositif, offre un fonctionnement ultrabasse consommation et prend en charge jusqu' 150 000 dispositifs par cellule cellulaire unique. De manière plus significative, la technologie offre une amélioration du budget de liaison de 20 dB par rapport au GPRS pour d'excellentes performances en conditions de couverture médiocres comme dans les emplacements souterrains ou à l'intérieur des bâtiments.

Cependant, la technologie sans fil dans la bande sans licence continue également d'évoluer. Bluetooth 5 promet une portée quatre fois plus étendue que les versions actuelles, avec une bande passante doublée, pour créer un IoT « sans connexion ». Bluetooth 5 s'attaque à certains défis qui ont empêché le déploiement des versions précédentes sur des réseaux IoT.

Le lancement de la nouvelle technologie est prévu vers la fin 2016 ou au début 2017 avec des modules qui offrent une portée considérablement étendue, jusqu'à quatre fois supérieure par rapport à aujourd'hui, ciblant 50 mètres, ainsi que des vitesses de 2 Mbit/s. L'extension de la portée va permettre des connexions IoT puissantes et fiables qui feront des cas d'utilisation à l'extérieur et dans des bâtiments une réalité, tandis que les vitesses plus élevées vont permettre un envoi plus rapide des données et une réactivité accrue.

Cependant, l'implémentation de la technologie, à la fois dans les puces et dans les modules, déterminera la consommation énergétique globale et l'autonomie des batteries.

Des plans sont également mis en place pour réduire la complexité de l'Internet des objets de ces modules matériels et pour proposer le SHaaS (Smart Home as a Service, la maison intelligente en tant que service). Cela peut permettre d'éliminer le nombre total de capteurs requis, réduisant ainsi la redondance et la maintenance puisqu'un seul capteur peut être utilisé pour plusieurs applications. Par exemple, un capteur de mouvement peut être utilisé dans un système de sécurité, pour contrôler l'éclairage, pour gérer la maison, pour contrôler les options de divertissement, pour le style de vie familial et peut-être même pour nourrir l'animal de compagnie de la famille.

Figure 4 : En plus des normes RF disponibles au niveau de la couche de communications, il existe une forte concurrence au niveau de la couche d'applications.

Plutôt que de créer votre propre réseau, SHaaS offre une collection de services qui analyse l'entrée des capteurs de la maison intelligente, assimile le mode de vie de la famille et l'utilisation de la maison, et peut prendre des décisions intelligentes pour rendre les maisons plus confortables, plus sécurisées et plus écoénergétiques.

Ces informations provenant des capteurs dans la maison sont collectées sans fil par un concentrateur local et transmises en toute sécurité vers un service cloud intelligent qui collecte et analyse les données. Une fois l'installation initiale terminée, l'algorithme dans le cloud ne requiert qu'une ou deux semaines pour accumuler suffisamment de données pour que l'application « apprenne » le mode de vie de la famille et soit capable d'envoyer des alertes lorsqu'un événement inattendu se produit ou en cas de changements considérables.

Il est nécessaire de consolider l'ensemble des divers services dans une seule interface utilisateur, dans un tableau de bord facile à utiliser, tandis que le fournisseur de services gère le support client, la facturation, la gestion de l'abonné et les mises à niveau des services et des logiciels, ainsi que les modifications.

Cela facilite l'utilisation de la maison intelligente, simplifie la gestion et offre aux résidents la sécurité et le confort dont ils ont besoin. Cela sert également de générateur de revenus précieux pour les fournisseurs de services. Les développeurs de dispositifs et de systèmes doivent collaborer pour développer le matériel, les logiciels et l'intelligence Web pour créer ce niveau de service.

Conclusion

L'avenir des modules sans fil repose autant sur les applications que sur les technologies, et les logiciels jouent un rôle de plus en plus important dans cette évolution. De nouvelles normes matérielles comme NB-IoT offrent des avantages qui, associés aux empreintes communes des modules, facilitent la conception de nœuds sans fil. La complexité bascule alors du côté logiciel du module, avec des mises à jour sans fil (OTA) et une intégration dans les applications pour créer des marchés entièrement nouveaux, comme le SHaaS.