Les LPWAN – Ces nouveaux réseaux de l’Internet des Objets

La segmentation marché est une méthode marketing qui consiste à découper le marché en segments. Cela permet à une entreprise d’adapter sa stratégie aux besoins et aux attentes de chaque segment cible. En d’autres termes, l’entreprise construit ou adapte son offre en fonction des besoins de ses segments cibles.

Mais pourquoi est-ce que je vous raconte tout ça ?

Une histoire de portée et de débit

Parmi les technologies de communication sans fil pour le M2M (machine-to-machine) et l’Internet des Objets, nous pouvons distinguer deux grands types de réseaux de communication radio : les réseaux courte portée et les réseaux moyenne et longue portée.

Le premier type concerne les technologies – bien connues du grand public – qui émettent de quelques centimètres à quelques centaines de mètres maximum : WiFi, Bluetooth, RFID, NFC, ZigBee, etc…

Le second concerne les technologies qui ont des portées plus importantes, de quelques centaines de mètres à plusieurs dizaines de kilomètres. Ce sont les réseaux cellulaires traditionnels (GSM, GPRS, LTE, etc..) que nous utilisons aussi pour nos communications mobiles.

Autre aspect sur lequel les réseaux se différencient : le débit. Quand une technologie comme le Wifi, propose des débits de l’ordre de la centaine de Mbits (voire plus) ; le ZigBee comme la RFID ne dépassent pas le Mbit.

Mais cela ne nous explique toujours pas ce préambule sur la segmentation de marché… Patience, j’y arrive.

Écraser une mouche avec un marteau pilon

Les réseaux cellulaires traditionnels – dit réseaux mobiles – encore très majoritairement utilisés pour les communications M2M, particulièrement dans les environnements industriels, proposent des débits plutôt élevés.

Pour certaines applications (ville intelligente, maintenance prédictive, agriculture connectée, etc.), il s’agit de déployer des centaines de milliers de capteurs (monitoring énergétique, qualité de l’air, gestion des déchets) fonctionnant sur pile et communiquant quotidiennement de très faibles quantités de données, à faible débit vers des serveurs sur Internet (cloud).

Pour ces types d’applications, il n’est clairement pas envisageable d’utiliser les réseaux mobiles comme c’est aujourd’hui le cas pour les applications M2M.

En effet, avec l’avènement de l’IoT et les centaines de millions – certains parlent de dizaines de milliards – de capteurs communicants à connecter aux réseaux dans les prochaines années, la solution des réseaux cellulaires traditionnels apparait être surdimensionnée à de nombreux égards : coût, infrastructure, puissance requise, débit …

Ces équipements à ressources limitées étaient, il y a quelques années encore, les grands oubliés de la segmentation marché des acteurs du M2M – particulièrement les opérateurs mobiles.

Depuis, une réponse adaptée à ces équipements limités en capacité mémoire, en puissance de calcul et en énergie a fait son apparition sur le juteux marché de la connectivité des objets et des capteurs communicants à moyenne et longue portée : les LPWAN (Low Power Wide Area Networks).

 

Panel des technologies sans fil

 

Les réseaux LPWA

Les réseaux LPWA, comme le laisse deviner l’acronyme, sont des réseaux sans fils basse consommation, bas débit et longue portée, optimisés pour les équipements aux ressources limitées pour lesquels une autonomie de plusieurs années est requise. Ces réseaux conviennent particulièrement aux applications qui n’exigent pas un débit élevé.

Les LPWAN utilisent les bandes de fréquences à usage libre – sans licence – ISM (Industriel, Scientifique et Médical) disponibles mondialement, contrairement aux opérateurs mobiles qui utilisent des bandes sous licence pour lesquelles ils payent l’attribution des centaines de millions – voire des milliards d’euros… Il est à noter que l’utilisation des bandes ISM implique le partage des ressources avec les concurrents et avec les autres technologies (RFID, WiFi, Bluetooth, ZigBee, etc.). Toutefois, ce n’est pas la jungle non plus : ces bandes de fréquences sont régulées par des autorités organisatrices et il est tenu de respecter des règles d’utilisation.

Compte tenu des faibles débits et de la faible occupation spectrale des signaux, il faut en moyenne, pour un réseau LPWA, 10 fois moins d’antennes pour couvrir la même surface qu’un réseau cellulaire traditionnel.

 

Les caractéristiques d’un réseau LPWA
Caractéristique Valeur cible
Portée 3 – 50 km selon l’environnement
Autonomie entre 5 et 15 ans
Débit de 0.1 à quelques centaines de kbits par seconde
Coût abonnement quelques euros par an
Coût module quelques euros

 

A titre comparatif, sur le plan du coût d’utilisation, un abonnement M2M avec une technologie cellulaire traditionnelle vous coûtera quelques euros par mois contre quelques euros par an pour un abonnement LPWAN.

C’est également le cas pour le prix du module communicant – le modem – qui ne coûte que quelques euros pour les solutions LPWAN versus quelques dizaines d’euros pour les réseaux mobiles.

Multiplié par les millions de capteurs à déployer, la différence annuelle en termes de coût est considérable.

C’est justement ce segment de marché des équipements à ressources limitées qui est aujourd’hui visé par les acteurs des réseaux LPWA.

Sans plus tarder, je vais vous présenter quelques technologies LPWAN. Je ne pourrai pas toutes les présenter ici tant elles sont nombreuses.

 

Sigfox 

Commençons les présentations avec Sigfox, une société pionnière sur le marché des LPWAN, arrivée en 2009 avec une technologie basée sur la transmission de signaux sur une bande ultra étroite (UNB pour Ultra Narrow Band) d’une centaine de Hz contre quelques centaines de kHz pour les réseaux cellulaires traditionnels.

Sigfox est un opérateur qui fournit sa technologie de connectivité bas débit au travers de son propre réseau cellulaire.

La technologie utilise les bandes ISM : autour de 868 MHz pour l’Europe et 915 MHz pour les USA.

Un capteur, équipé d’un module et d’un abonnement au réseau Sigfox, peut envoyer jusqu’à 140 messages par jour. Chaque message pouvant contenir jusqu’à 12 octets de données réelles de charge utile (l’identifiant du périphérique est transmis par le protocole), ce qui est largement suffisant pour la majorité des applications de monitoring.

Avec une portée comprise entre 30 et 50 Km dans les zones rurales et entre 3 et 10 km dans les zones urbaines, Sigfox offre un débit de 100 bits par seconde

 

Schéma d'architecture d'un réseau SigFox

Schéma d’architecture d’un réseau SigFox

 

L’intégration des données et la gestion des  périphériques sont effectuées à partir de la plateforme web fournit par l’opérateur ou par ses partenaires.

Le coût d’un abonnement à cette plateforme varie selon le volume de messages échangé par les appareils et leur nombre : les prix oscillent entre 1 et 15€ par an et par appareil.

Le réseau couvre la grande majorité du territoire français métropolitain et est déployé dans plusieurs pays d’Europe.

Il est à noter que dans les premières versions du protocole, celui-ci ne supportait que les communications unidirectionnelles : les capteurs transmettaient mais ne pouvaient pas recevoir de données.

Depuis, le protocole permet une communication bidirectionnelle mais extrêmement limitée : le capteur est disposé à recevoir quelques octets, pour son paramétrage par exemple, pendant un créneau très court qui suit sa phase d’émission.

Quelques ressources pour prototyper avec Sigfox :

 

LoRaWan

LoRaWan (Long Range Radio Wide Area Network) est un réseau LPWAN basé sur la technologie radio LoRa.

Développée par Cycleo en 2009 – rachetée 3 ans plus tard par l’américain Semtech – LoRa utilise une technique d’étalement de spectre pour la transmission des signaux radio (chirp spread spectrum).

La technologie LoRa à travers le réseau LoRaWan est poussée par un consortium d’industriels et d’opérateurs nommé LoRa Alliance regroupant entre autres IBM, Cisco, Bouygues Télécom, etc…

Sur un réseau LoRaWan, les données émises par les équipements sont centralisées par des gateway (des concentrateurs) qui transmettent les données à leur tour vers le serveur de gestion en ligne. La liaison entre les gateways et le serveur s’appuie sur des technologies très haut débit (Ethernet, Réseaux mobiles).

 

Schéma d'architecture d'un réseau LoRaWan

Schéma d’architecture d’un réseau LoRaWan

 

Lora utilise également les bandes de fréquences ISM avec une portée comprise entre 15 et 20 km dans les zones rurales et entre 3 et 8 km dans les zones urbaines.

LoRaWan revendique un débit adaptatif compris entre 0,3 et 50 kbits par seconde et une communication bidirectionnelle moins limitée que son concurrent direct SigFox.

Pour cela, LoRaWan définit trois classes d’équipements :

  • Classe A : cette classe concerne les équipements dont la consommation d’énergie doit être la plus faible possible. Les équipements de classe A permettent une communication bidirectionnelle par l’allocation de deux créneaux courts de réception après chaque émission.
  • Classe B : en plus des créneaux de réception prévus par la classe A, les terminaux de la classe B planifient l’ouverture de créneaux supplémentaires à intervalles réguliers paramétrables. La planification de ces créneaux se réalise à la réception d’une balise de synchronisation émise par le réseau. Ce mode consomme davantage que le précédent en sollicitant davantage la liaison radio de l’équipement vers le réseau.
  • Classe C : les équipements de classe C sont quasi-constamment « à l’écoute » d’une réception de données par le réseau. Les créneaux de réception ne se ferment que lorsque l’équipement est en phase d’émission. Ce mode est le plus consommateur, il n’est pas adapté aux équipements sur batterie ou pile.

Le déploiement de LoraWan est en cours dans de nombreuses villes en France avec l’investissement des opérateurs Bouygues Télécom et Orange.

En ce qui concerne les offres, je n’ai pas de visibilité sur le modèle économique et les coûts d’abonnement.

Nous n’avons pas non plus le recul nécessaire pour juger des performances réelles de cette technologie ; contrairement à SigFox qui a de l’avance en matière de déploiement et d’applications.

Quelques ressources pour prototyper avec LoRa :

Petit aparté avant de passer à la prochaine technologie : il y a de quoi bomber le torse avec ces deux technologies (LoRa et SigFox), issues toutes les deux de sociétés françaises !

 

LTE-M

LTE (Long Term Evolution), plus communément appelée « 4G », est une technologie très haut débit pour les communications mobiles.

Cette technologie est définie par un organisme en charge de la spécification des technologies de réseaux mobiles (GSM, UMTS, LTE) nommé 3GPP.

Au sein de cet organisme, le groupe de travail dédié aux réseaux d’accès radio (3GPP-RAN) travaille depuis peu (Q4 2014), sur une version M2M de la technologie LTE : la technologie LTE-M (LTE – Machine to Machine).

Pour répondre aux besoins des applications M2M, la technologie LTE-M propose des débits (~ 1Mbits), une puissance d’émission (max 20dBm) et une occupation spectrale (1,4 MHz) beaucoup plus faibles que la technologie LTE.

Initialement spécifiée dans la version 12 (Rel.12) des spécifications 3GPP, une version 13 (Rel.13) est prévue pour le premier trimestre 2016.

La Rel.13 prévoit notamment un mode « bande étroite » (NB-Narrow Band) avec une bande passante à 200 kHz, et un débit plus faible encore (~ 150kbits par seconde).

La question de l’utilisation des bandes ISM en complément des bandes sous licence se pose également.

Ces travaux menés par 3GPP, préparent l’arrivée de la prochaine génération de réseaux mobiles – la 5G – prévue en 2020 et pour laquelle l’IoT et notamment les LPWAN occuperont une place centrale.

Vous l’avez compris, la technologie LTE-M est encore en cours de définition ; il n’y a pas encore matière à prototyper avec LTE-M.

 

Les prémices

Le développement des LPWAN n’en est qu’à ses prémices. De nombreuses technologies font leur apparition chaque trimestre avec l’ambition de s’imposer comme un standard incontournable sur le marché des communications radio longue portée pour l’IoT ;  parmi lesquelles, nous pouvons citer Weightless-N, Ingenu, Telensa, Qowisio, Platanus

Cet article présente très succinctement quelques technologies radio bas débit et longue portée de l’Internet des Objets, d’autres articles vous seront proposés par la suite pour pratiquer ces technologies dans le cadre d’exemples concrets.

Si des erreurs se sont glissées dans l’article, n’hésitez pas à nous en faire part.

Merci, et à très bientôt sur Frugal Prototype

Frugal Newsletter

Apprenez les rudiments du prototypage frugal !
Votre adresse email
Partagez cet article !
Share on LinkedInTweet about this on TwitterShare on FacebookShare on Google+
Ali Benfattoum

Ali Benfattoum

Serial Prototypeur, Citizen Clan Activist, Intrapreneur... Ali le reste du temps. Ma devise : c'est sur le terrain qu'on fait ses preuves... de concept. Suivez moi sur @alifrugal

2 réponses

  1. StephaneP dit :

    Bonjour et merci pour ces informations tres interessantes.

    les technos lpwan seront elles vraiment exploitees dns l’iot domestique? Apres tout chaque foyer dispose aujourd’hui du wifi et de l’internet haut debit a la maison!

    le lpwan serait il donc uniquement dedie aux smartcities et a l’iot professionel/indistriel?

     

    merci d’avance!

Laisser un commentaire

Votre adresse de messagerie ne sera pas publiée.