Comportement en matière d'itinérance : comment le choix du réseau influe sur l'autonomie de la batterie des appareils IoT

Itinérance dirigée ou non dirigée : pourquoi certains appareils empruntent toujours le même itinéraire

Pour comprendre comment les appareils IoT peuvent se connecter au réseau mobile, reprenons brièvement notre analogie avec la circulation routière :

Si vous souhaitez vous rendre en voiture de Hambourg à Munich, vous choisirez probablement un itinéraire sur votre GPS et prendrez la route. Si les conditions de circulation changent en cours de route, l'itinéraire est recalculé. Un bouchon par-ci, une fermeture par-là, et le GPS vous propose tout seul un meilleur itinéraire.

La liberté de choisir de manière autonome le meilleur moyen d'atteindre son objectif décrit assez bien l'approche du roaming non piloté: l'appareil IoT peut, sans instruction extérieure, se connecter au meilleur réseau mobile disponible sur place afin d'atteindre son objectif, à savoir une transmission stable des données. 

Nous savons tous par expérience que la couverture du réseau mobile est tantôt plus forte, tantôt plus faible, voire inexistante selon l'endroit où l'on se trouve. Comme certains appareils IoT ont besoin d'une connexion (très puissante) en permanence, nous proposons nos cartes SIM M2M, qui permettent à ces appareils d'accéder à plusieurs réseaux au sein d'un même pays (itinérance nationale). Et pour qu'ils puissent vraiment toujours fonctionner sur le réseau le plus puissant localement, nous proposons l'itinérance non dirigée (Non-Steered Roaming).

Cependant, tous les appareils IoT ne bénéficient pas de cette liberté.

Dans le cadre de ce que l'on appelle l'itinérance dirigée (Steered Roaming) , l'opérateur de la carte SIM détermine quel réseau mobile l'appareil doit privilégier. L'appareil tente donc toujours en premier lieu de se connecter à ce réseau, même si un autre réseau offre une meilleure connexion au même endroit. Pour revenir à notre exemple de GPS : qu'il s'agisse d'un barrage routier ou d'un embouteillage, l'itinéraire ne change pas, quel que soit le temps qu'il faudra finalement pour atteindre la destination. Dans le pire des cas, ces tentatives de connexion se poursuivent jusqu'à ce que le réseau mobile préféré ne soit plus du tout accessible. C'est pourquoi l'itinérance dirigée ne convient pas à toutes les applications IoT. 

Digression : quand faut-il opter pour l'itinérance contrôlée, et quand pour l'itinérance non contrôlée ?

Outre la transmission des données en temps réel, d'autres facteurs doivent être pris en compte lors du choix du mode de roaming. Parmi ceux-ci, on peut citer notamment :

Toutes les applications n'ont pas les mêmes exigences. Certaines nécessitent une disponibilité maximale, d'autres une durée de fonctionnement maximale. Les terminaux qui transmettent des données critiques en temps réel, telles que les signes vitaux d'un patient depuis une ambulance, présentent un risque accru de problèmes de connexion avec l'itinérance contrôlée et pourraient, dans le pire des cas, mettre des vies en danger. En revanche, pour un compteur intelligent qui ne transmet son relevé qu'une fois par jour, de courts retards sont généralement sans conséquence.

La situation ne devient critique que lorsque la batterie se décharge bien plus tôt que prévu. Et c'est précisément là qu'il vaut la peine d'examiner le comportement d'un appareil en matière d'itinérance.

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Pourquoi le choix du réseau coûte de l'énergie

Revenons un instant à la circulation routière. En effet, le lien entre le comportement de navigation et l'autonomie de la batterie s'explique étonnamment bien par le trajet quotidien pour se rendre au travail.

Imaginons que l'on se rende chaque matin au travail en voiture. Il y a deux itinéraires possibles :

• Itinéraire A, le parcours officiellement recommandé et
• L'itinéraire B, qui est toutefois moins fréquenté certains jours et donc plus rapide.

Si l’on était obligé chaque matin d’emprunter l’itinéraire A – quel que soit le niveau de trafic sur la route –, on mettrait plus de temps à se rendre à destination, on consommerait plus de carburant et on serait plus souvent pris dans les embouteillages. Il en va de même pour les cartes SIM IoT ou les terminaux qui sont contraints de se connecter en priorité à un réseau mobile spécifique. Ils consomment de l'énergie en essayant à plusieurs reprises de se connecter à un réseau qui n'est en réalité pas assez performant pour le transfert de données souhaité.

Mais pourquoi en est-il ainsi ?

La plupart des gens pensent qu'un appareil IoT consomme de l'électricité principalement lorsqu'il transmet des données. En réalité, il consomme déjà une quantité non négligeable d'énergie avant même qu'un seul octet ne soit envoyé. Cela s'explique notamment par le fait que l'appareil, avant la transmission des données, 

• rechercher les réseaux mobiles disponibles,
• établir une connexion,
• se connecter au réseau et
• doit maintenir la connexion.

On peut se représenter cela comme un ordinateur portable que l'on allume le matin. L'ouverture d'un e-mail ne prend certes que quelques secondes, mais le démarrage du système d'exploitation, la connexion au compte utilisateur et l'établissement de la connexion Internet nécessitent eux aussi du temps et de l'énergie. 

Il en va de même pour les appareils IoT. La transmission proprement dite d'une valeur mesurée ne dure souvent qu'une fraction du temps total de communication. C'est pourquoi, pour les capteurs alimentés par batterie qui ne transmettent que quelques octets par jour, l'établissement de la connexion peut même consommer plus d'énergie que la transmission des données elle-même. Si, en raison d'un roaming contrôlé, un appareil doit en outre rechercher plusieurs fois un réseau approprié ou effectuer des tentatives de connexion répétées, cette consommation d'énergie augmente encore davantage.

Ou, pour rester dans notre exemple sur la circulation : celui qui se rend au travail chaque matin sans détours ni embouteillages consomme moins de carburant que celui qui est régulièrement pris dans les embouteillages ou qui doit s'y prendre à plusieurs fois pour arriver à destination.

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Analyse technique approfondie : d'où provient réellement la consommation d'énergie dans la téléphonie mobile

Pour conclure, examinons de plus près les aspects techniques de la question.

Si l'itinérance non contrôlée permet d'économiser de l'énergie, ce n'est pas seulement parce qu'un appareil se connecte plus rapidement. Sur le plan technique également, plusieurs facteurs influent sur la consommation d'énergie.

1) Puissance d'émission réduite

Les modules de téléphonie mobile adaptent leur puissance d'émission à la qualité du signal. Si le signal est faible, l'appareil doit émettre à une puissance plus élevée pour être détecté par le réseau mobile. Si le signal est fort, l'appareil a besoin de beaucoup moins d'énergie.

On peut se représenter cela comme une conversation : celui qui se trouve face à son interlocuteur parle plus doucement que celui qui souhaite se faire entendre à travers une pièce bruyante.

2) Moins de répétitions lors du transfert de données

Lorsque la qualité de la connexion est mauvaise, il arrive souvent que les paquets de données doivent être retransmis – un peu comme lors d'une conversation où une phrase n'est pas comprise et doit être répétée. Peut-être même plusieurs fois.

Ces rediffusions consomment elles aussi de l'énergie. Une connexion stable garantit donc non seulement une meilleure disponibilité, mais permet également de réduire la consommation d'électricité inutile.

3) Plus de temps en mode économie d'énergie

De nombreux appareils IoT modernes passent la majeure partie de leur cycle de vie en mode veille et ne se réveillent que brièvement pour transmettre des données. Les technologies LPWAN (Low Power Wide Area Network), telles que le NB-IoT et le LTE-M, ont par exemple été développées précisément pour ce type d'application. Grâce à des fonctions d'économie d'énergie telles que le mode d'économie d'énergie (PSM) et la réception discontinue étendue (eDRX), les appareils peuvent désactiver leurs modules radio pendant de longues périodes et atteindre ainsi une autonomie de plusieurs années.

Ces mécanismes ne fonctionnent toutefois de manière optimale que si la communication avec le réseau mobile est fiable. Si, après s'être réveillé, un appareil doit d'abord rechercher plusieurs fois un réseau approprié, compenser des coupures de connexion ou renvoyer des données à plusieurs reprises, une partie du potentiel d'économie d'énergie est perdue. Plus la communication est rapide, plus l'appareil peut rapidement revenir à son mode veille économe en énergie.

Un exemple concret

Prenons l'exemple d'un compteur intelligent installé dans la cave d'un immeuble collectif. Trois réseaux mobiles y sont disponibles :

• Réseau A avec un signal faible
• Réseau B avec un bon signal
• Réseau C avec un très bon signal

Avec l'itinérance dirigée (Steered Roaming), l'appareil tente toujours d'utiliser en premier le réseau A, car celui-ci figure en tête de la liste des priorités. Conséquence :

• La connexion prend plus de temps à s'établir en raison de la faiblesse du signal.
• Il faut plusieurs essais avant que la connexion ne s'établisse.
• L'appareil lui-même doit émettre à une puissance plus élevée (et consommer davantage d'énergie).
• Les coupures de connexion sont plus fréquentes.

En cas d'itinérance non dirigée, l'appareil sélectionnerait directement le réseau C.

• La connexion est plus rapide, plus stable et consomme moins d'énergie.
• L'appareil lui-même consomme moins d'énergie pour la transmission des données et se remet plus rapidement en veille.
  

Une seule connexion n'a guère d'incidence, mais sur plusieurs années de fonctionnement, ces petites économies s'accumulent. Cet effet est particulièrement important lorsque les appareils sont censés fonctionner pendant de nombreuses années sans entretien :

• Compteurs intelligents dans les caves
• Capteurs dans la gestion technique des bâtiments
• Applications pour villes intelligentes
• Capteurs environnementaux et de niveau
• Appareils IoT industriels dans des endroits difficiles d'accès

Chaque tentative de connexion évitée contribue à prolonger l'autonomie de la batterie et, par conséquent, à réduire les coûts de maintenance.

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Conclusion : le chemin le plus court permet d'économiser de l'énergie

L'autonomie de la batterie d'un appareil IoT dépend de nombreux facteurs. Outre la taille de la batterie, le matériel, la technologie radio et les fonctions d'économie d'énergie, le comportement lors du choix du réseau joue également un rôle.

Il n'y a pas de réponse toute faite, ni de bonne ni de mauvaise. Le roaming contrôlé et le roaming non contrôlé ont tous deux leur raison d'être, selon l'application, l'environnement technique et les exigences du projet. 

L'itinérance contrôlée peut s'avérer utile lorsque les appareils sont alimentés en permanence par le réseau ou lorsqu'il faut respecter certaines exigences commerciales et réglementaires. 

En revanche, lorsqu'il s'agit d'appareils IoT alimentés par batterie, destinés à fonctionner de manière autonome pendant de nombreuses années ou à évoluer dans des environnements réseau changeants, l'itinérance non contrôlée offre de nombreux avantages. La possibilité de sélectionner directement le meilleur réseau disponible permet d'éviter les tentatives de connexion inutiles et de réduire la consommation d'énergie.

Il est avant tout important de retenir ceci : le choix du réseau mobile influe non seulement sur la qualité de la connexion d'un appareil, mais aussi sur sa consommation d'énergie. Ou, pour revenir une dernière fois à la circulation routière : 

On se déplace généralement plus efficacement lorsqu'on arrive à destination sans détours, sans embouteillages et sans démarrages incessants.

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