Internet des objets : Panorama des technologies LPWAN à basse consommation

Les réseaux low power wide area net­work (LPWAN) forment une par­tie des réseaux dédiés à l’internet des objets. En rai­son de leur cou­ver­ture éten­due, les appli­ca­tions asso­ciées sont prin­ci­pa­le­ment des ser­vices aux entre­prises ou aux orga­nismes publics. Au moins quatre solu­tions tech­niques existent actuel­le­ment. Voi­ci le point sur leurs avan­tages et leurs inconvénients.

La faible consom­ma­tion des réseaux LPWAN per­met d’apporter une connec­ti­vi­té là où ce n’était pas pos­sible pour des rai­sons d’autonomie en éner­gie, dans le but d’ajouter des cap­teurs à des équi­pe­ments ou dans l’environnement. Le coût rela­ti­ve­ment faible est une consé­quence de la por­tée des réseaux et de la faible consom­ma­tion éner­gé­tique, mais n’est pas néces­sai­re­ment un cri­tère de sélec­tion, sauf pour les appli­ca­tions matures comme les comp­teurs connec­tés (eau, gaz, élec­tri­ci­té). Afin de dres­ser un pano­ra­ma des tech­no­lo­gies LPWAN, il nous semble per­ti­nent de mon­trer com­ment des tech­no­lo­gies exis­tantes ont évo­lué, puis de détailler les tech­no­lo­gies plus récentes dédiées au LPWAN, et enfin de dis­cu­ter des avan­tages com­pé­ti­tifs et de la com­plé­men­ta­ri­té de ces dif­fé­rentes solutions.

La solution d’un réseau maillé

Dans les réseaux indus­triels dominent les déri­vés du stan­dard Ins­ti­tute of Elec­tri­cal and Elec­tro­nics Engi­neers, IEEE 802.15.4, ou des stan­dards proches uti­li­sant la modu­la­tion de fré­quence numé­rique (fre­quen­cy-shift keying ou FSK). Tous opèrent dans des bandes de fré­quences sans licence à 868–915 MHz ou 2,4 GHz. Ces tech­niques sont simples et rela­ti­ve­ment bon mar­ché ; elles consomment très peu d’énergie, ce qui per­met de les ali­men­ter par piles ou grâce à des cel­lules pho­to­vol­taïques. Pour aug­men­ter la por­tée de ces stan­dards, la fonc­tion­na­li­té de réseau maillé (Mesh) a été ajou­tée à tous ces pro­to­coles comme le Blue­tooth. Dans un réseau maillé, chaque cap­teur devient un nœud du réseau qui par­ti­cipe à la cou­ver­ture. Du point de vue éner­gé­tique, un réseau maillé est opti­mal vis-à-vis de l’énergie uti­li­sée pour trans­mettre l’information. En effet, pour dou­bler la por­tée d’une trans­mis­sion point à point, il est néces­saire de mul­ti­plier par 5 ou par 10 l’énergie d’émission alors que, en dou­blant cette por­tée grâce à un relai (une trans­mis­sion, puis une répé­ti­tion par le relai), la quan­ti­té d’énergie four­nie doit sim­ple­ment être mul­ti­pliée par deux. Le relai doit consom­mer de l’énergie pour la récep­tion mais, si le pro­to­cole est opti­mi­sé, la contri­bu­tion de la récep­tion est négligeable. 

Les limites du réseau maillé

Un réseau maillé per­met donc en théo­rie de main­te­nir une très faible consom­ma­tion d’énergie. Cepen­dant, cela sup­pose de mailler le réseau à loi­sir en ajou­tant des nœuds, de l’équilibrer en évi­tant que cer­tains cap­teurs ne soient trop sol­li­ci­tés pour les relais, et enfin d’optimiser le débit de chaque lien. L’expérience montre que c’est rare­ment ce qui est appli­qué en pra­tique. De fait, cela conduit à une cer­taine com­plexi­té des déploie­ments (on ne peut pas mettre des cap­teurs par­tout) et, plus grave, une impré­dic­ti­bi­li­té des opé­ra­tions de main­te­nance (rem­pla­ce­ment des piles à des échéances très variables), ain­si que des délais de trans­mis­sion par­fois trop longs. En pra­tique, éga­le­ment, il n’est pas pos­sible d’avoir des cap­teurs mobiles ou sou­mis à de brusques chan­ge­ments de pro­pa­ga­tion radio (obs­truc­tion variable).

La solution du monde cellulaire

Une autre approche de ce mar­ché LPWAN est issue du monde cel­lu­laire. À l’inverse des tech­no­lo­gies pré­cé­dentes, à la faible consom­ma­tion mais à la por­tée limi­tée, les tech­no­lo­gies cel­lu­laires pro­fitent d’une por­tée presque com­plète sur un ter­ri­toire, au moins à l’extérieur, au prix d’une consom­ma­tion rela­ti­ve­ment éle­vée. Pour étendre le mar­ché de la tech­no­lo­gie LPWAN, il s’agit ain­si de des­cendre en gamme, en rédui­sant prix et débits par rap­port à la 3G ou à la 4G. Ces déri­vés s’appellent NB-IoT (nar­row band IoT), pour les débits les plus faibles et la por­tée la plus grande, et LTE‑M (long-term evo­lu­tion for machines) pour des débits de l’ordre de 100 kbps. Une simple mise à jour des sta­tions de base per­met en géné­ral d’offrir ces ser­vices, qui pro­fitent donc de l’excellente cou­ver­ture des réseaux cel­lu­laires déjà déployés. La limite à la cou­ver­ture vient du fait que les appli­ca­tions IoT sont très mino­ri­taires par rap­port à la télé­pho­nie ou à l’internet mobile, et qu’il n’est pas ren­table d’étendre le réseau pour les seules appli­ca­tions IoT. Par ailleurs, la consom­ma­tion des cap­teurs reste rela­ti­ve­ment impor­tante en rai­son de la signa­li­sa­tion réseau, opti­mi­sée pour de forts débits, en mobi­li­té, et avec une latence faible.

Lire aus­si : IoT : Les réseaux sans fil à bas débit, une tech­no­lo­gie de la sobriété

La place des start-up françaises

Les réseaux dédiés à l’IoT basse consom­ma­tion tels que UNB (ultra nar­row band), LoRa (long range), Weight­less ou RPMA (ran­dom phase mul­tiple access) ont été déve­lop­pés par des start-up. Toutes ont mis en œuvre une réduc­tion des débits (jusqu’à 30 bits par seconde) de façon à aug­men­ter la por­tée. On peut remar­quer que les deux plus impor­tants réseaux – et seuls encore en ser­vice – sont d’origine fran­çaise, avec d’une part Sig­fox et sa tech­nique de modu­la­tion à bande très étroite (ultra nar­row band) et d’autre part Cycleo, uti­li­sant la modu­la­tion LoRa qui repose sur l’étalement de spectre. Ces deux entre­prises ont figu­ré au pal­ma­rès 2010 du concours OSEO (BPI) d’aide à la créa­tion d’entreprises de tech­no­lo­gies inno­vantes. Sig­fox a ensuite levé des fonds, notam­ment auprès de la Caisse des dépôts et consi­gna­tions, alors que Cycleo a été ven­due assez vite (2012) à l’industriel Semtech.

“Les deux plus importants réseaux dédiés à l’IoT basse consommation sont d’origine française.”

Des points communs entre les protocoles

Sur le plan tech­nique, le pro­to­cole de com­mu­ni­ca­tion asso­cié à LoRa (long range) se nomme LoRa­WAN et il par­tage avec le pro­to­cole Sig­fox des points com­muns qui cor­res­pondent à un réseau dédié à l’IoT. Tout d’abord, des bandes sans licence sont uti­li­sées, de façon à réduire les coûts et à per­mettre des déploie­ments de réseaux publics ou de réseaux pri­vés dédiés à une appli­ca­tion. La topo­lo­gie du réseau est éga­le­ment par­ti­cu­lière, puisque la récep­tion par tous les points d’accès du réseau est col­la­bo­ra­tive : au contraire d’un sys­tème cel­lu­laire, toutes les sta­tions de base uti­lisent les mêmes fré­quences. Le déploie­ment du réseau est sim­pli­fié : par exemple, l’ajout d’une sta­tion de base ne requiert pas de redis­tri­bu­tion des fré­quences. La cou­ver­ture est meilleure puisque plu­sieurs sta­tions de base peuvent com­mu­ni­quer avec un cap­teur. Le cap­teur en lui-même n’est pas connec­té à une cel­lule, mais au réseau dans son ensemble ; ain­si, le chan­ge­ment de sta­tion de base est trans­pa­rent et ne néces­site pas de signa­li­sa­tion par­ti­cu­lière. Dans le cas de cap­teurs mobiles et trans­met­tant très peu d’information (logis­tique, chaîne du froid), le gain de consom­ma­tion est signi­fi­ca­tif. Un autre point com­mun impor­tant est que le pro­to­cole repose sur un accès aléa­toire à la voie mon­tante : le cap­teur peut trans­mettre à n’importe quel moment, tant qu’il res­pecte la régle­men­ta­tion. Ces réseaux col­la­bo­ra­tifs ont éga­le­ment un autre avan­tage : les réseaux de dif­fé­rents opé­ra­teurs, publics ou pri­vés, peuvent par­ta­ger très sim­ple­ment la cou­ver­ture. Enfin, nous retien­drons un der­nier point com­mun signi­fi­ca­tif entre Sig­fox et LoRa­WAN, qui est que les com­mu­ni­ca­tions sur la voie des­cen­dante sont oppor­tu­nistes : des fenêtres de récep­tion sont ouvertes par le cap­teur à la suite de chaque transmission.

Un peu de technique… 

La modu­la­tion LoRa et le pro­to­cole LoRa­WAN ont des spé­ci­fi­ci­tés qui sont orien­tées vers la basse consom­ma­tion du cap­teur. La modu­la­tion LoRa est une modu­la­tion de fré­quence qui per­met des points de fonc­tion­ne­ment très effi­caces pour les ampli­fi­ca­teurs radio­fré­quences, car l’amplitude du signal est constante. On obtient ain­si 40 % d’efficacité de conver­sion, contre 10 % pour les modu­la­tions d’amplitude. Cette modu­la­tion de fré­quence est fon­da­men­tale, car l’essentiel de la consom­ma­tion élec­trique des cap­teurs en fonc­tion­ne­ment consiste à émettre des ondes radio. Ensuite, le récep­teur de la modu­la­tion LoRa est par­ti­cu­liè­re­ment simple, offrant la pos­si­bi­li­té de rece­voir ins­tan­ta­né­ment une trans­mis­sion, sans syn­chro­ni­sa­tion préa­lable et sans assis­tance du réseau (contrai­re­ment au GPS, par exemple). Cette pro­prié­té est mise à pro­fit par le pro­to­cole LoRa­WAN, qui per­met une latence de seule­ment 1 seconde depuis le réseau vers le cap­teur, sans for­cer le cap­teur à être en récep­tion per­ma­nente. Des fenêtres de récep­tion très courtes sont pro­gram­mées, et le cap­teur pour­suit la récep­tion seule­ment s’il détecte une trame. De plus, le pro­to­cole LoRa­WAN ne com­prend, dans chaque mes­sage, que 13 octets de signa­li­sa­tion pour l’adressage et les fonc­tions de sécu­ri­té, et l’intégration d’éléments de plu­sieurs couches du modèle OSI (open sys­tems inter­con­nec­tion, phy­sique, liai­son, réseau, trans­port et ses­sion) per­met de réduire la signa­li­sa­tion. Les évo­lu­tions de LoRa­WAN en cours com­prennent des amé­lio­ra­tions des inter­faces entre les dif­fé­rents ser­veurs du réseau pour sim­pli­fier l’intégration : l’objectif est de par­ve­nir à une acti­va­tion sécu­ri­sée, consis­tant en une simple lec­ture de QR code sur le cap­teur. Une autre évo­lu­tion en cours est de per­mettre des com­mu­ni­ca­tions vers des satel­lites géo­sta­tion­naires ou en orbite basse ; plu­sieurs ser­vices com­mer­ciaux sont déjà ouverts. 

Les avantages du réseau maillé

Sans se ris­quer à faire des pro­nos­tics, il est pos­sible de com­pa­rer les avan­tages concur­ren­tiels de ces dif­fé­rentes tech­no­lo­gies et d’étudier leur com­plé­men­ta­ri­té. Du côté des tech­no­lo­gies de réseaux maillés, l’avantage est le coût, la faible consom­ma­tion et un éco­sys­tème fort d’un grand nombre d’applications et de cap­teurs exis­tants. Les four­nis­seurs de puces offrent des pla­te­formes inté­grées en com­bi­nant de nom­breuses tech­no­lo­gies radio et des pro­to­coles. Le mar­ché prin­ci­pal n’est pas le LPWAN, mais il est com­plé­men­taire : l’électronique grand public connec­tée, grâce par exemple au pro­to­cole Mat­ter qui ambi­tionne de rendre tous les équi­pe­ments domes­tiques inter­opé­rables. La por­tée de ces tech­no­lo­gies et les dif­fi­cul­tés opé­ra­tion­nelles des réseaux maillés limitent l’application au mar­ché LPWAN. En com­plé­ment d’une connec­ti­vi­té cel­lu­laire, il est pos­sible de créer une bulle autour d’un point d’accès mais, là encore, il faut se limi­ter à des dis­tances faibles et il ne s’agit pas vrai­ment d’une exten­sion de couverture. 

Les avantages du réseau cellulaire

Concer­nant les réseaux cel­lu­laires, on observe que, mal­gré un réseau amor­ti par d’autres appli­ca­tions, les prix des modules et sur­tout de la connec­ti­vi­té res­tent un peu plus éle­vés. Les plus gros suc­cès du NB-IoT sont en Chine, dans un contexte sub­ven­tion­né empreint de fier­té tech­no­lo­gique natio­nale. Le mode Cat‑M a un posi­tion­ne­ment mar­ché plus simple : plus haut débit, consom­ma­tion maî­tri­sée, mobi­li­té… ce qui convient par­fai­te­ment quand l’énergie n’est pas com­plè­te­ment contrainte. Les réseaux cel­lu­laires sont déjà pré­sents et les tech­no­lo­gies alter­na­tives ne peuvent que se posi­tion­ner en com­plé­ment de ces der­niers. Quand un réseau LPWAN de type Sig­fox, LoRa­WAN ou encore Wi-SUN (wire­less smart uti­li­ty net­work, réseau maillé dédié aux comp­teurs d’eau ou de gaz) est déployé, les points d’accès uti­lisent le plus sou­vent un abon­ne­ment cel­lu­laire pour la connexion aux ser­veurs cen­traux, notam­ment quand il s’agit d’un réseau pri­vé qui n’est pas opé­ré direc­te­ment par le client final. En effet, une connec­ti­vi­té cel­lu­laire per­met d’établir un réseau com­plè­te­ment indé­pen­dant de l’infrastructure du client. À l’inverse, étendre la cou­ver­ture d’un réseau cel­lu­laire est dif­fi­cile, car les sta­tions de base sont chères. Dans ce cas, l’extension en uti­li­sant des réseaux maillés ou des réseaux pri­vés LPWAN semble évidente. 

L’offre Sigfox

L’offre de Sig­fox est un exemple de pro­duit de connec­ti­vi­té qui est com­plet et qui réa­lise, de plus, une inté­gra­tion low cost. La pro­messe est d’avoir un sys­tème très simple, avec un seul inter­lo­cu­teur com­mer­cial pour le client final, où qu’il se trouve dans le monde. Cela rend les choses beau­coup plus faciles pour le client, mais la sim­pli­ci­té et l’intégration ont un coût : le sys­tème est fer­mé et les fonc­tion­na­li­tés sont limi­tées et peu évo­lu­tives. Tra­di­tion­nel­le­ment, une inté­gra­tion low cost se pro­duit tou­jours une fois que le mar­ché est mature, au risque sinon de gas­piller la volon­té de paie­ment des pre­miers clients de la tech­no­lo­gie et de se trom­per sur le conte­nu de l’intégration, en défi­nis­sant un pro­duit mini­mum viable qui rate sa cible. 

L’offre Semtech

Sem­tech a cofon­dé l’Alliance LoRa, dans le but de défi­nir une pla­te­forme tech­no­lo­gique et un éco­sys­tème ouvert, et a mené une poli­tique de licence de la tech­no­lo­gie LoRa, par exemple auprès de STMi­croe­lec­tro­nics. Le pro­to­cole a été recon­nu comme stan­dard par l’ITU‑T (inter­na­tio­nal tele­com­mu­ni­ca­tion stan­dar­di­za­tion sec­tor). Il y a peu de fac­teurs limi­tants : bandes sans licence, cer­ti­fi­ca­tion rapide et très bon mar­ché des cap­teurs, four­nis­seurs mul­tiples pour tous les élé­ments d’une solu­tion – cap­teurs, sta­tions de base, ser­veurs, opé­ra­teurs de réseau. Cela favo­rise l’innovation et a pro­duit un grand éco­sys­tème de four­nis­seurs de cap­teurs. Quelques appli­ca­tions ont un fort volume, par exemple les comp­teurs d’eau, gaz, élec­tri­ci­té, sui­vies d’une dis­tri­bu­tion de nom­breuses appli­ca­tions à plus faible volume. Par­mi ces appli­ca­tions, cer­taines vont pro­ba­ble­ment croître de façon auto­nome, comme dans le domaine des bâti­ments intel­li­gents, et d’autres vont uti­li­ser une com­bi­nai­son de connec­ti­vi­té com­pre­nant cel­lu­laire et LoRa­WAN ter­restre ou par satel­lite : on pense ici aux appli­ca­tions dans le domaine de la logis­tique, où la cou­ver­ture doit être excel­lente, les coûts bas et la consom­ma­tion d’énergie très faible. 

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