LPWAN - 5 lettres au coeur de la révolution IOT

Explications & Etat des déploiements en Belgique (2018).

Si la révolution liée à l’Internet des Objets n’en est encore qu’à ses balbutiements, il est un fait indéniable. La technologie LPWAN sera, dans l’histoire, un tournant majeur dans la mise en réseau de tous les objets, qu’ils soient utilisés par le consommateur et citoyen (Smart Home, Smart Cities…), ou par les Entreprises (Smart Metering, Smart Industries…).

Jusqu’à présent, lorsqu’il s’agissait de connecter un objet (une machine, un véhicule…) pour en connaître son statut, sa localisation, ou interagir avec lui, la seule solution globale – une couverture géographique globale, nationale, voire internationale – consistait à l’équiper d’une carte SIM, et d’utiliser le réseau GPRS/3G d’un opérateur télécom. Les problèmes de cette technologie, communément appelée M2M (Machine to Machine), sont connus :

  • Equipement coûteux : difficile de trouver un modem 3G à moins de 20-30 Euro…
  • Consommation énergétique très importante, nécessitant soit une source électrique permanente (et donc un câblage) ou une batterie puissante, rendant la taille du capteur incompatible avec de nombreux cas d’usage
  • Encombrement important
  • Un coût d’abonnement, pour la connectivité, non négligeable, lié à la nécessité d’un réseau radio (antennes des opérateurs) dense et coûteux.

Difficile donc, avec le M2M, de connecter des objets de petite taille, ou ne disposant pas d’une source électrique. Ou encore d’accepter que le capteur coûte plus cher que l’objet connecté lui-même… Sans compter qu’il n’est pas souhaitable, pour la santé, compte tenu de la puissance d’émissions, de porter un objet connecté en 3G, 24h/24…

LPWAN - Low Power Wide Area Network

C’est dans ce contexte que sont apparues les technologies LPWAN – Low Power Wide Area Network -. Les objectifs de cette technologie sont de proposer des capteurs

  • Bon marchés – à terme quelques euros seulement…
  • De petites tailles- quelques centimètres de côté, voire moins…
  • Pouvant fonctionner sur batterie, avec une grande autonomie (5-10 ans !)
  • Optimisés pour communiquer pour des très petits débits de données, et ce pour quelques Euro-cents par mois

Si la technologie LPWAN n’est pas récente, avec déjà des implémentations dans les années 90 (par exemple le réseau AlarmNet aux Etats-Unis), il faudra attendre la création de SIGFOX (2009) et le lancement de son premier réseau en 2012, en France, pour que celle-ci commence à se structurer et à se populariser.

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Les Acteurs "historiques" du LPWAN: SIGFOX et LORA

2 acteurs principaux se partagent le marché actuellement. D’une part l’acteur historique, SIGFOX, société française de Toulouse. Et d’autre part, LORA, un protocole ouvert basé sur le chipset de la société américaine SEMTECH (dont la technologie a également été développée initialement en France).  L’origine française de ces 2 options explique la présence d’un fort écosystème en France et dans les pays limitrophes, parmi lesquels la Belgique.

Si les approches marché de SIGFOX et LORA sont différentes, elles sont par contre forts semblables d’un point de vue technique. Tous les 2 opèrent sur la même bande de fréquence ISM 868 Mhz (en Europe), fréquence non régulée. La transmission de données peut s’effectuer sur des grandes distances, jusque 15-20 km !, alors que le réseau GSM se base sur un réseau d’antennes éloignées de quelques kilomètres tout au plus… Cela permet dès lors de déployer un réseau plus vite, et à moindre coût! Le principe est que le capteur (SIGFOX ou LORA) broadcaste des paquets de données, qui sont reçus par toutes les antennes en vue.  Une consolidation est opérée par le réseau, qui communique ensuite le message, unique, vers toute plateforme dédiée à traitement des données via un mécanisme de “callback ».

Le fait que cette bande de fréquence soit libre impose des restrictions quant à son utilisation. Pas plus d’1% d’utilisation de la bande de fréquence pour un capteur. Cela se traduit par un maximum de 140 messages de 12 bytes (“payload” utile) qui peuvent être envoyés via le réseau SIGFOX ou LORA depuis le capteur (uplink). L’envoi de données vers le capteur (downlink) est très limité par contre. 4 messages de 8 bytes (“payload » utile) par jour au maximum pour SIGFOX. 

A savoir aussi… Comme la fréquence n’est pas régulée, cela signifie que des interférences entre utilisateurs peuvent exister, ce qui pose problème quant à la garantie de la Qualité de Service (QOS). C’est un des arguments portés par les promoteurs de la technologie concurrente NB-IOT (voir plus bas), qui opère sur une fréquence réglementée, donc sans interférence…

Le nouvel entrant : NB-IOT

Les Opérateurs Telecom classiques proposant de la communication data (GPRS, 3G, 4G…) ont mis beaucoup de temps, avant de se rendre compte de l’intérêt de proposer une solution de type LPWAN.  Depuis 15 ans, ils se battent pour augmenter les débits de communication, passant du GPRS – qui équivalait à nos bons vieux modems téléphoniques -, à la 3G et à la 4G, permettant aujourd’hui de regarder la télévision sur son mobile. Cette course à la performance a eu un impact direct sur le prix de capteurs, et sur la consommation électrique, qui ne fait qu’augmenter. Il y a 15 ans, on devait recharger son téléphone Nokia tous les 2-3 jours. Aujourd’hui, un iPhone de dernière génération ne tient pas une journée… La 4G y est en partie responsable.  Les partisans du tout à la 4G (et bientôt 5G) vous diront que le coût énergétique, par kilobyte, diminue. Mais pour de nombreux cas d’application IOT – consommant très peu de données – (par exemple une mesure par jour dans un cas de télémétrie), cet argument ne tient pas la route…

Des études ont montré que la technologie LPWAN est idéale à plus de 50% des capteurs IOT (50-100 Billion) qui seront déployés dans les années à venir !

En juin 2016, le 3GPP (organe de standardisation de la norme GSM) a annoncé l’arrivée de NB-IOT, dans un communiqué

“It took us only 9 months to standardize the new technology after the study phase. Once again 3GPP demonstrated the ability to quickly respond to the emerging market needs” Dino Flore, the Chairman of 3GPP RAN, said.

NB-IOT, c’est la réponse des Opérateurs Télécoms traditionnels aux nouveaux entrants que sont SIGFOX et LORA. Il était temps, car les opérateurs ne pouvaient pas se permettre de rater la vague IOT portée par la technologie LPWAN.

NB-IOT, pour Narrow-Band IOT, se base sur les mêmes objectifs. Offrir une solution de connectivité à plus faible débit, et à très faible consommation électrique. NB-IOT offre un débit de 20 kbits/seconde, donc moins contraignant que SIGFOX ou LORA. Mais sans doute au prix d’une plus grande consommation électrique malgré tout.

Le contenu de ce rapport est extrait d’un rapport « Les Réseaux (LPWAN) pour l’Internet des Objets », qui peut être téléchargé gratuitement plus bas. Ce rapport intègre du contenu du module de formation « IOT Business Training » destiné aux Entreprises qui planifient – stratégiquement ou opérationnellement – de déployer des solutions liées à l’Internet des Objets. Cette formation aborde tous les aspects de l’Internet des Objets : Cas d’usages, modèles économiques, réseaux IOT, sécurité, capteurs, gestion de projet …

Rapport LPWAN Gratuit

  • LPWAN - Low Power Wide Area Network
  • SigFox, LoRa, NB-IOT
  • Forces et faiblesses de SigFox, LoRa et NB-IOT?
  • Etat des réseaux IOT en Belgique?

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