Éliminer les maillons faibles dans le réseau de raccordement LoRaWAN

Application des cartes SIM multi-réseaux pour le backhaul cellulaire dans les passerelles LoRaWAN

Livre blanc – Résumé

Résumé

Les passerelles LoRaWAN dépendent d'une liaison fiable pour assurer le flux de données entre les périphériques et les serveurs. Les cartes SIM traditionnelles à réseau unique, et même les cartes SIM à itinérance dirigée, exposent souvent les déploiements à des temps d'arrêt lorsque le réseau « préféré » tombe en panne.

Les cartes SIM multi-réseaux améliorent la résilience en offrant un accès à plusieurs opérateurs, mais elles dépendent toujours du processus de sélection automatique du réseau, qui choisit au hasard parmi les réseaux disponibles et ne garantit pas la qualité .

Robustel résout ce problème grâce à SMART Roaming, une technologie intégrée à ses passerelles LoRaWAN qui va au-delà de la puissance du signal. En mesurant les temps de ping, la qualité de la connexion et en basculant dynamiquement vers le meilleur réseau disponible, SMART Roaming permet un temps de fonctionnement proche de 100 %, ce qui évite les visites coûteuses sur site et protège la rentabilité des déploiements LoRaWAN .

Ce que vous apprendrez
  • Les limites des cartes SIM à réseau unique et pourquoi elles échouent à grande échelle .
  • La différence entre les cartes SIM itinérantes dirigées et non dirigées, et pourquoi seules les options non dirigées offrent une véritable résilience.
  • Comment fonctionne la sélection automatique du réseau (3GPP 23.122) — et pourquoi cela ne suffit pas pour les liaisons IoT critiques.
  • Pourquoi le mythe du « signal le plus puissant » induit en erreur les déploiements IoT, et ce qui se passe réellement lorsque les passerelles choisissent les réseaux.
  • Comment la solution SMART Roaming de Robustel améliore la sélection du réseau grâce à des contrôles d'intégrité, des tests ping et une commutation dynamique.
  • Considérations commerciales : pourquoi les cartes SIM en itinérance sont désormais abordables et comment Robustel comble le fossé entre les fournisseurs de cartes SIM et les fabricants de matériel.

Introduction

Dans cet article, nous explorons les considérations techniques et commerciales liées à l'utilisation de cartes SIM multi-réseaux pour rendre le backhaul à partir de passerelles cellulaires longue portée (LoRa) plus fiable que lorsqu'une carte SIM à réseau unique est utilisée (Figure 1).

Figure 1 : L'utilisation d'une carte SIM itinérante offre divers itinéraires vers Internet, ce qui augmente les chances de réussite des communications entre la passerelle et le serveur.

Types de cartes SIM

Pour bien comprendre les options disponibles, nous commencerons par présenter les principaux types de cartes SIM pouvant être utilisées dans une passerelle réseau étendu longue portée (LoRaWAN).

Réseau unique

Les cartes SIM à réseau unique couvrent un seul réseau, généralement dans un seul pays. Si aucun réseau particulier n'est disponible sur le lieu d'installation, en particulier s'il s'agit d'un bâtiment, les communications ne fonctionneront pas. Et si le déploiement est multinational, il devient alors nécessaire de gérer de nombreux contrats SIM différents pour différents territoires, ce qui est difficile sur le plan logistique et pratiquement impossible à gérer à grande échelle.

Les cartes SIM multi-réseaux ou d'itinérance, telles que celles proposées par les agrégateurs KPN, Vodafone GDSP, Tele2, Telenor et leurs partenaires revendeurs à valeur ajoutée, constituent la solution traditionnelle proposée pour résoudre les problèmes mentionnés ci-dessus. Ce que la plupart des gens ignorent, c'est que toutes les cartes SIM d'itinérance ne se valent pas.

Cartes SIM avec itinérance dirigée

Ce type de carte SIM peut en théorie accéder à plusieurs réseaux par pays, mais dans la pratique, il privilégiera un réseau spécifique ou un sous-ensemble de réseaux pour le bénéfice commercial de l'opérateur mobile. En général, le pilotage n'est pas mis en œuvre dans le but d'assurer la fiabilité des communications, mais pour réduire le coût du système en utilisant uniquement les réseaux préférés. Cependant, cette utilisation des réseaux préférés aboutit à un résultat contraire à celui souhaité par les fournisseurs de services/systèmes IoT, qui ont besoin d'une disponibilité du réseau aussi proche que possible de 100 %, car le réseau préféré peut être incapable de fournir un service alors qu'un réseau non préféré le peut !

Bien que le roaming dirigé soit un sujet complexe que nous n'avons fait qu'effleurer ici, une solution consiste à choisir un fournisseur de cartes SIM de roaming non dirigé de bonne qualité afin d'éliminer les aléas du roaming dirigé de l'application.

Cartes SIM sans itinérance

Les inconvénients de l'itinérance dirigée étant devenus plus visibles sur le marché, certains fournisseurs de réseaux mobiles ont commencé à proposer et à promouvoir des cartes SIM d'itinérance non dirigée. Cela signifie que la carte SIM ne contient aucune liste de réseaux préférés et n'est soumise à aucune influence de la part des opérateurs au niveau du réseau. En substance, une carte SIM d'itinérance non dirigée est une toile vierge qui permet simplement d'accéder aux réseaux en fonction des besoins, sans « tricherie ».

Après avoir trouvé une source de cartes SIM itinérantes non dirigées de bonne qualité, nous pouvons ensuite étudier comment une passerelle LoRa réagit à une telle carte SIM et d'autres mesures visant à optimiser la fiabilité des communications entre la passerelle et le serveur.

Processus de sélection du réseau

L'un des concepts les plus mal compris concernant les cartes SIM en itinérance est celui de la sélection du réseau.

Contrairement à ce que beaucoup de gens ont entendu dire, les cartes SIM ne jouent pas un rôle actif dans la sélection du réseau (à l'exception des applications USIM Toolkit). Le choix d'un réseau approprié est une fonction du matériel, et non de la carte SIM.

Les passerelles LoRa sont construites à partir de modules cellulaires standard (généralement 4G/LTE) tels que ceux fabriqués par Telit, Gemalto, Quectel, Huawei et d'autres sociétés.

Le module gère toutes les interactions avec le réseau mobile à partir de la couche RF. La plupart des modules intègrent une pile TCP/IP pour simplifier le développement d'applications, mais peuvent également fonctionner en mode modem, la pile TCP/IP du système hôte (généralement Linux pour une passerelle LoRa) servant alors de point d'extrémité IP pour les communications entre la passerelle et le serveur.

Le système hôte communique avec un module cellulaire à l'aide de commandes AT (Attention) standard, telles que définies dans les normes GSM07.07 et GSM07.05, ainsi qu'à l'aide d'une série de commandes AT spécifiques au fabricant (du module).

Ces commandes déterminent le comportement du module dans une passerelle LoRa, et un sous-ensemble de commandes AT est directement associé au processus de sélection du réseau.

La grande majorité des fabricants de passerelles LoRa utiliseront la sélection automatique du réseau en envoyant la commande « AT+COPS=0 » au module, qui lui demande de s'enregistrer sur un réseau conformément à l'ensemble de règles définies dans la norme TS 3GPP 23.122, comme détaillé ci-dessous :

« Le MS (appareil cellulaire, c'est-à-dire la passerelle LoRa) sélectionne et tente de s'enregistrer sur d'autres combinaisons PLMN/technologie d'accès, si elles sont disponibles et autorisées, dans l'ordre suivant :

  1. soit le HPLMN (si la liste EHPLMN n'est pas présente ou est vide), soit le EHPLMN ayant la priorité la plus élevée disponible (si la liste EHPLMN est présente) ;
  2. chaque combinaison PLMN/technologie d'accès dans le fichier de données « Sélecteur PLMN contrôlé par l'utilisateur avec technologie d'accès » dans la carte SIM (par ordre de priorité) ;
  3. chaque combinaison PLMN/technologie d'accès dans le fichier de données « Sélecteur PLMN contrôlé par l'opérateur avec technologie d'accès » dans la carte SIM (par ordre de priorité) ;
  4. autres combinaisons PLMN/technologie d'accès avec signal reçu de haute qualité dans un ordre aléatoire ;
  5. autres combinaisons PLMN/technologie d'accès par ordre décroissant de qualité du signal.

Pour mieux comprendre le processus de sélection automatique du réseau, veuillez consulter le glossaire des termes dans le tableau 1.

  • PLMN = Réseau public mobile terrestre = Réseau mobile
  • HPLMN = Réseau mobile public domestique = Réseau domestique
  • EHPLMN = Réseau mobile terrestre public efficace = Réseau ayant le statut efficace de réseau domestique
  • Technologie d'accès = Technologie d'accès radio telle que GPRS/UMTS/LTE, équivalente à la 2G/3G/4G

Il est important de noter que le processus de sélection automatique du réseau ne fait pas mention du paradigme du « dernier réseau connu », selon lequel les informations relatives à une connexion précédente réussie à un réseau sont stockées dans la carte SIM. Ce paradigme prévaut et signifie qu'une carte SIM se connectera au réseau précédent, indépendamment d'un changement de lieu ou de conditions réseau, tant que les critères de base sont remplis.

Lorsque vous utilisez une carte SIM non configurée sans notification d'un réseau préalablement enregistré, aucune des conditions i à iii ci-dessus n'est remplie, ce qui signifie que le module prendra la mesure iv comme première étape dans la sélection automatique du réseau.

L'action 5 consiste à effectuer un scan du réseau afin d'identifier les réseaux locaux et les technologies associées (GPRS/UMTS, etc.).

Une fois terminé, le module déterminera quels réseaux ont un signal de bonne qualité et choisira au hasard le réseau sur lequel il tentera d'abord de s'enregistrer, en sélectionnant parmi tous les réseaux de bonne qualité.

Le terme clé ici est « au hasard ».

Beaucoup de gens colportent le mythe du « signal le plus puissant », suggérant qu'une carte SIM en itinérance se connectera toujours en priorité au « signal le plus puissant ». Comme le montre la spécification TS 3GPP 23.122 évoquée précédemment, l'enregistrement sur le signal le plus puissant ne sera tenté à l'étape 5 que s'il n'est pas possible de s'enregistrer sur un réseau à l'aide de la méthodologie décrite à l'étape 4.

Si l'on imagine 200 personnes débarquant d'un avion à destination de vacances et allumant leur téléphone à peu près au même moment, on comprend aisément pourquoi un partage aléatoire et distribué du trafic d'itinérance est souhaitable, d'où la conception fondamentale du processus de sélection automatique du réseau. (Le processus d'itinérance a été initialement inventé pour les téléphones mobiles grand public, et non pour les passerelles LoRa !)

Le problème de la sélection automatique du réseau

Maintenant que le processus de sélection automatique du réseau est compris, il est facile d'en découvrir les limites. La sélection automatique utilise uniquement la puissance du signal pour déterminer un réseau utilisable, mais une mesure faible de l'indicateur de puissance du signal reçu (RSSI) ne prouve en aucun cas que le réseau choisi peut prendre en charge des communications IP de bout en bout. Nous avons donc besoin d'autre chose, d'un élément qui complétera la sélection automatique du réseau afin de nous assurer que nous bénéficions du meilleur service disponible.

Considérations commerciales relatives à l'itinérance / aux cartes SIM multi-réseaux

Après avoir constaté qu'une carte SIM en itinérance offre probablement un meilleur « temps de disponibilité » pour un parc de passerelles LoRaWAN, il est essentiel de prendre en compte les implications financières du passage d'un réseau unique à des cartes SIM en itinérance.

Jusqu'à récemment, les cartes SIM en itinérance n'étaient commercialement viables que pour des applications à très faible consommation de données, telles que le suivi de véhicules et les compteurs intelligents, en particulier dans le cas des cartes SIM en itinérance non dirigées, qui permettent d'accéder librement à n'importe quel réseau sans limitation.

Cependant, les changements survenus sur le marché font que, sur certains continents, l'itinérance est désormais très abordable, et l'UE est certainement à l'avant-garde dans ce domaine.

Un service d'itinérance non guidé de bonne qualité est désormais disponible dans l'UE pour un prix compris entre 10 et 20 dollars par Go et par mois. Vaut-il la peine de payer un supplément pour obtenir un temps de fonctionnement proche de 100 % sur un ensemble de passerelles LoRa ? Bien que la réponse dépende de l'application prévue, il est important de savoir que ceux dont le backhaul dépend entièrement des communications cellulaires ont la possibilité de bénéficier d'un meilleur service et doivent savoir comment tirer parti de cette possibilité.

C'est ce problème fondamental que la fonctionnalité SMART Roaming de Robustel vise à résoudre, en utilisant la simplicité de la sélection automatique du réseau, mais en la complétant par des contrôles de santé et l'utilisation de la sélection manuelle du réseau afin de garantir une fiabilité maximale.

SMART Roaming – une solution à un problème ancestral

Les passerelles LoRaWAN de Robustel prennent en charge la fonction SMART Roaming, qui peut être configurée pour vérifier la perte de communications de données mobiles sur le réseau actuel et forcer un changement vers un réseau alternatif dans un court laps de temps. Cela permet d'économiser les coûts liés aux visites sur site et offre la tranquillité d'esprit de savoir que la méthodologie cellulaire la plus fiable possible maintient le transmetteur de paquets de la passerelle en communication avec le serveur réseau LoRaWAN.

SMART Roaming vérifie non seulement la puissance du signal, mais aussi les temps de ping et la réussite des pings afin d'obtenir une image plus complète de la connexion actuelle. Si le contrôle de santé échoue, le routeur évalue de manière dynamique la qualité des autres réseaux et passe au meilleur réseau suivant si les communications sont perdues ou de « mauvaise qualité ».

Ce concept fondamental est utilisé à bon escient sur le marché des compteurs, où des millions d'appareils sont déployés, ce qui permet d'atteindre un temps de fonctionnement global proche de 100 %. Cette technologie est généralement développée et adaptée pour une combinaison spécifique de module cellulaire (2G/3G/4G) et de carte SIM en itinérance. Il n'est pas facile de généraliser la solution à une multitude de réseaux, mais c'est ce qui a été réalisé dans les passerelles LoRaWAN de Robustel grâce à l'application SMART Roaming.

L'idée de pouvoir transmettre des données sur plusieurs réseaux radio plutôt que de dépendre d'un seul afin d'améliorer la fiabilité est reconnue depuis longtemps. Cependant, il s'agit d'un sujet complexe qui relève à la fois du domaine du fournisseur de cartes SIM et du fournisseur de matériel. En supprimant ces barrières de connaissances et en fournissant une solution SMART Roaming prête à l'emploi, Robustel contribue à la prolifération du LoRaWAN en tant que solution LPWAN standardisée et hautement flexible.

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Un réseau de raccordement peu fiable est l'un des plus grands risques dans les déploiements LoRaWAN, mais cela n'est pas une fatalité. Robustel combine des routeurs de qualité opérateur, une expertise en matière de cartes SIM itinérantes non orientées et la technologie SMART Roaming pour offrir une connectivité permanente aux passerelles à travers le monde. Collaborez dès aujourd'hui avec Robustel pour éliminer les temps d'arrêt, réduire les coûts et libérer tout le potentiel de votre réseau LoRaWAN.