A côté des appareils ayant besoin d’échanger de grandes quantités d’informations via les réseaux cellulaires, l’Internet des objets (IoT) est en train de conduire à un essor d’objets connectés sous forme de capteurs et d’éléments ayant besoin de transmettre de petites quantités d’information à un rythme régulier et pendant des durées longues.
Les débuts ont consisté à faire passer ces informations sur les réseaux cellulaires, mais avec des contraintes de coûts et de consommation d’énergie mal adaptées à une communication d’un grand nombre de capteurs, ou bien à exploiter des réseaux bas débit destinés à des applications spécifiques (alarmes), mais sans protocoles bien définis et mondialement exploitables.
Pour ces besoins spécifiques du M2M (Machine to Machine), les réseaux LPWAN (Low Power WAN) constituent des alternatives économiques et peu consommatrices d’énergie, permettant de faire fonctionner des capteurs pendant des semaines, des mois, voire des années.
Au fil des années, différents types de technologie LPWAN ont émergé en fonction des prérequis (portée, quantité d’information à échanger, transfert uni ou bidirectionnel des données, consommation d’énergie…). Pour de courtes portées, il reste toujours possible d’utiliser des connectivités sans fil de type WiFi, Bluetooth ou Zigbee, sous réserve de disposer de l’énergie suffisante.
Pour des portées plus grandes (au-delà de quelques mètres ou dizaines de mètres) et pour des populations de capteurs nombreuses, il faudra se tourner vers des types de LPWAN plus spécifiques.
LPWAN cellulaire
Le réseau cellulaire classique peut être une possibilité lorsqu’il y a de grandes quantités de données à transférer, mais la question de l’alimentation en énergie peut se poser. Pour résoudre cette problématique, différentes solutions à basse consommation ont été adaptées pour mieux répondre aux besoins des capteurs.
Ce sont les technologies Nb-IoT (Narrow Band IoT) et LTE-M (ou LTE Cat-M1) qui partent du principe que les réseaux cellulaires sont déjà largement déployés et offrent une vaste couverture exploitable. Elles bénéficient de fréquences réservées et offrent un panel de possibilités de débits (plus large pour LTE-M, plus restreint pour Nb-IoT), de quelques bits par seconde à 1 Mbps, avec une communication bidirectionnelle et des portées allant de quelques dizaines ou centaines de mètres en zone urbaine à plusieurs kilomètres en zone rurale.
Avec un débit plus bas et une consommation d’énergie abaissée par rapport à LTE-M, la technologie Nb-IoT joue de la carte d’une simplification de la technique qui permettra aussi de réduire les coûts.
De son côté, LTE-M est soutenue par le 3GPP (3rd Generation Partnership Project) et constitue une solution de référence pour le M2M passant par les réseaux cellulaires, dans le prolongement de ce qui était proposé précédemment, mais en réduisant la consommation d’énergie et les coûts de déploiement associés.
LPWAN non cellulaire
Mais d’autres approches de LPWAN, ne faisant pas appel aux réseaux cellulaires, sont possibles. L’une des plus connues est d’origine française et portée par l’entreprise Sigfox qui prend le contre-pied de l’approche cellulaire et mise sur un réseau Zéro G, par opposition aux technologies cellulaires 2G à 5G.
En exploitant la technologie UNB (Ultra Narrow Band) et des fréquences basses ne nécessitant pas de licence (à l’inverse des réseaux cellulaires dont les fréquences sont soumises à des licences d’exploitation), allant de 433 MHz en Asie à 868 MHz en Europe et 915 MHz aux États-Unis, ce qui permet de transférer de petites quantités de données sur de plus longues distances (jusqu’à plusieurs dizaines de kilomètres en fonction du terrain).
Sigfox a bâti un réseau d’antennes dans plus de 70 pays (dont une vingtaine complètement). Proposant initialement une communication unidirectionnelle à très bas débit (du capteur vers l’antenne), le protocole permet désormais d’assurer un flux bidirectionnel de quelques octets.
Parallèlement au réseau Sigfox, une autre initiative s’est créée avec LoRaWAN (LoRA pour Long Range) qui vise aussi à répondre au défi de la multiplication des objets connectés et est soutenue par de nombreux industriels dont plusieurs opérateurs français (Orange, Bouygues Telecom…) au sein de la LoRA Alliance.
LoRAWAN utilise aussi des fréquences sans licence et permet une communication bidirectionnelle à bas débit avec une modulation CCS (Chirp Spread Spectrum) répétant le message sur plusieurs fréquences pour réduire le risque d’interférence.
La portée va de quelques kilomètres en zone urbaine à une quinzaine de kilomètres en zone rurale avec un débit maximum de 22 Kbps, avec une possibilité de modulation entre débit et portée selon les besoins.
Evaluer les besoins pour choisir la bonne technologie LPWAN
Avec ces différentes solutions, il est donc possible de choisir celle qui répondra le mieux aux besoins en termes de débit, portée, autonomie ou sécurité et selon des critères annexes comme la résistance aux interférences, le roaming, etc.
Il est à noter que la plupart de ces technologies sont encore jeunes et vont être amenées à évoluer ces prochaines années. En particulier, l’arrivée de l’intelligence artificielle pourrait leur donner de nouvelles propriétés ou rendre leur gestion plus souple en facilitant même leur cohabitation.
Les technologies LPWAN non cellulaires ont toutefois fort à faire pour se démarquer face à leur contrepartie cellulaire et la puissance de l’écosystème que les opérateurs, déjà détenteurs des réseaux mobiles, tendent à pousser naturellement.
Elles offrent pourtant des qualités en termes de portée et de très faible consommation d’énergie, avec de faibles coûts qui peuvent être intéressants pour de vastes populations de capteurs remontant des données simples régulièrement.
Un élément fondamental, et différenciant par rapport aux réseaux cellulaires, reste le fonctionnement asynchrone du réseau qui ne nécessite pas une communication régulière entre capteurs et réseau (consommatrice d'énergie et de ressources) et ne la déclenche qu'en cas d'événement au niveau du capteur ou sur une base période prédéfinie.
Le LPWAN cellulaire a pour sa part l’avantage de débits plus importants, avec des mécanismes de confirmation des envois et réceptions de données, des latences plus courtes ainsi que des possibilités de mise à jour à distance des capteurs, selon des protocoles plus sécurisés. Cela implique toutefois une plus forte consommation d’énergie et une couverture plus dense.
Les deux types cellulaires / non cellulaires ne s’excluent pas et sont plutôt de nature complémentaire en répondant à des besoins qui peuvent être très différents, mais qu’il conviendra d’analyser en amont pour choisir la technologie adéquate dans l’une ou l’autre catégorie.
