La connectivité aujourd'hui et au-delà ; exploration des connexions Cat-M1, NB IoT et LPWAN

Si vous connectez des appareils (capteurs, actionneurs, balises ou gateway ) à Internet, vous créez une solution Internet des objets. Bien qu'il ne s'agisse pas d'un concept nouveau, l'accès croissant à Internet, principalement au cloud, associé à la baisse des coûts de matériel et de connectivité, IoT – également connues sous le nom IoT – sont plus disponibles que jamais. La valeur ajoutée que ces solutions apportent au travail et à la vie quotidienne commence par la manière dont un capteur ou gateway se connecte à Internet. Choisir la meilleure connectivité pour une IoT est primordial pour le succès d’une application. Dans cet article, nous explorerons les technologies qui transmettent les données sur Internet.

Les appareils se connectent à Internet de deux manières : filaire ou sans fil . Couramment utilisé dans les environnements industriels, Ethernet a été la solution filaire de choix pendant des décennies pour collecter des données dans tous les types d'applications de surveillance. Puis, dans les années 1990, un énorme progrès a été réalisé avec l'arrivée des technologies WiFi et radio ZigBee et Bluetooth , abandonnant les câbles et ouvrant la voie à de nouvelles formes de collecte de données que les industries peuvent adopter. Parallèlement aux progrès du WiFi, les progrès des infrastructures de communication cellulaire comme la 2G , la 3G , puis la 4G (à venir – 5G) ont également progressé, qui offrent une combinaison de vitesses et de couverture plus élevées. Aussi bons et fiables que soient ces types de connectivité, ils présentent tous le problème majeur de besoins énergétiques excessifs pour transmettre des données à Internet.

À la recherche d’une meilleure solution, les entrepreneurs et les leaders de l’industrie se sont précipités vers ce qui, selon eux, serait la solution parfaite pour IoT . Le résultat de cette course à la transmission de données est désormais connu sous le nom de LPWAN ( low power Wide Area Network ). Conçus spécifiquement pour permettre des communications longue portée jusqu'à 10 à 40 km dans les zones rurales et 1 à 5 km dans les zones urbaines, les appareils LPWAN ont généralement une autonomie de batterie de plus de 4 ans grâce à un codage d'économie d'énergie appelé mode veille . Certaines externalités immédiates du LPWAN incluent d'immenses économies de coûts (grâce au manque de câbles), des coûts de développement et d'exploitation d'applications plus simples (en partie, grâce à l'avancement des réseaux décentralisés qui ont été développés en tandem avec les progrès de la connectivité) et une plus grande portée pour servir. applications rurales pour les entreprises, les organismes de sécurité et les chercheurs. Avec LPWAN, le matériel peut être là où les gens ne le peuvent pas.

En 2009, Sigfox est entré en scène pour fournir une connexion LPWAN en tant qu'organisation privée et ne pouvait être ignoré par la concurrence des réseaux cellulaires. Après quelques années de développement privé, les opérateurs de téléphonie mobile comme Verizon et T-Mobile ont commencé à déployer leurs propres solutions, LTE Cat-M et NB IoT , pour IoT .

IoT appareil-cloud dans 45 pays et régions. Le réseau Sigfox se compose de stations de base propriétaires déployées de manière privée et situées dans différentes régions du globe, qui peuvent recevoir des messages (données brutes) d'appareils sur une fréquence radio. Le réseau Sigfox connecte les appareils de terrain à des clusters de serveurs cloud back-end à l'aide d'un réseau IP. Une fois le message envoyé de l'appareil à la station de base et reçu dans le backend Sigfox, les utilisateurs peuvent gérer les données reçues avec différentes plates-formes d'activation IoT à l'aide de rappels HTTP ou de l'API Sigfox. Sigfox prend en charge la communication bidirectionnelle mais est sévèrement limité dans ses capacités de communication quotidiennes : les messages de liaison montante sont limités à 140 messages et les messages de liaison descendante limités à 4 messages pour la plus grande taille d'abonnement. De plus, la taille maximale par message de liaison montante est de 12 octets (pas trop grande).

Avec ces contraintes, Sigfox est sans aucun doute une solution à faible consommation d'énergie pour les applications de terrain IoT et parfaite pour l'AgTech et la surveillance des conditions à distance. Sigfox est une bonne option pour le matériel IoT à faible coût et à faible consommation d'énergie pour envoyer des données sur de longues distances (lorsqu'il y a une couverture dans la zone).

Les principales fonctionnalités de Sigfox incluent

• QoS élevée : un appareil n'est pas connecté à une station de base spécifique. Ses messages diffusés sont reçus par n'importe quelle station de base à portée, qui est de 3 en moyenne, et il n'y a pas besoin d'accusé de réception des messages. La diversité spatiale couplée à la diversité temporelle et fréquentielle des répétitions de trames radio conduisent à une haute qualité de service du réseau Sigfox.
• Haute résilience aux interférences : de l'UNB couplée à une diversité spatiale des stations de base offrent de grandes capacités anti-brouillage. L'UNB est extrêmement robuste dans un environnement avec des signaux à spectre étalé. UNB est le meilleur choix pour opérer sur la bande ISM publique.
• Très longue portée : un faible débit binaire et une modulation radio simple permettent une liaison à budget de 163,3 dB pour les communications longue portée.
• Haute efficacité énergétique : le protocole radio Sigfox réduit la taille de la trame radio et aucune synchronisation avec le réseau n'est requise. La combinaison d'un faible niveau d'émission de puissance et d'une courte durée d'émission (moins d'une minute par jour) permet une autonomie maximale aux appareils.
• Capacité réseau élevée : le faible encombrement de l'UNB permet davantage de signaux simultanés dans la bande de fonctionnement. De plus, le protocole Sigfox réduit la taille des trames radio. Ces deux fonctionnalités combinées à l'utilisation de la technologie radio cognitive permettent au réseau Sigfox d'atteindre une capacité élevée. (Source : sigfox.com )

Parallèlement aux avancées de Sigfox, le protocole LoRa ( Long range ) a également été développé. LoRa, également une technologie LPWAN, spécifie une couche physique qui module le signal à l'aide d'une technique propriétaire d'étalement du spectre. LoRa utilise des bandes ISM sans licence , permettant aux clients de créer un réseau ouvert, sans avoir besoin de l'autorisation des régulateurs de radiofréquences. La CSS (Chirp Spread Spectrum) répartit un signal à bande étroite sur une bande passante de canal plus large, permettant une communication bidirectionnelle. LoRa utilise six facteurs d'étalement où les messages sont transmis et reçus simultanément par les stations de base LoRa avec une taille maximale par message de 246 octets.

À mesure que Sigfox et LoRA se développaient, ils devaient être contenus afin que les particuliers, les entreprises et les gouvernements puissent compter sur un type de connexion standardisé et contrôlé. Pour y parvenir, en 2015, un protocole de communication basé sur LoRa a été standardisé par la LoRa-Alliance alors créée. Ce protocole LoRa standardisé est devenu connu sous le nom de LoRaWAN et est un protocole réseau qui utilise la technologie LoRa pour communiquer et gérer le matériel (nœuds et gateway ) dans des emplacements distants. Les nœuds sont des appareils finaux qui envoient et reçoivent des données vers/depuis la gateway qui gère et transmet les messages à un serveur de réseau LoRaWAN préconfiguré dans la gateway .

Les principales fonctionnalités des protocoles LoRa et LoRaWAN incluent

• Faible coût : réduit les coûts de trois manières : investissement dans l'infrastructure, dépenses d'exploitation et capteurs de nœud final
• Standardisé : amélioration de l'adoption et du déploiement de l'interopérabilité mondiale des réseaux basés sur LoRaWAN et des applications IoT
• Faible consommation : protocole conçu spécifiquement pour une faible consommation d'énergie, prolongeant la durée de vie de la batterie jusqu'à 20 ans
• Longue portée : une station de base unique permet une pénétration profonde dans les régions urbaines/intérieures denses. En théorie, dans les zones rurales, la portée peut atteindre 30 milles. Chez Ubidots avons testé les radios LoRa dans les zones urbaines et atteint des distances allant jusqu'à 1 mile avec des antennes de base de 900 MHz .
• Sécurisé : cryptage AES128 intégré de bout en bout
• Haute capacité : prend en charge des millions de messages par station de base, idéal pour les opérateurs de réseaux publics desservant de nombreux clients

Plus récemment, la concurrence entre les fournisseurs de téléphonie mobile et les solutions LoRa a atteint son paroxysme avec le lancement du service Cat-M1 de Verizon et du réseau IoT à bande étroite (NB- IoT ) de T-Mobile. À commencer par le Cat-M ou le LTE Cat-M1 de Verizon, une connectivité LPWA (Low Power Wide Area) optimisée pour les appareils IoT et M2M. Cat-M est idéal pour les solutions ayant des exigences de débit de données moyennes – vitesses de téléchargement et de téléchargement de 375 Ko/s en mode semi-duplex avec une taille de message maximale de 1 500 octets dans une communication de données bidirectionnelle. À ces vitesses, LTE Cat-M1 fournit des mises à jour à distance du micrologiciel par liaison radio (FOTA) dans des délais raisonnables, améliorant ainsi la maintenance et la prise en charge matérielle du matériel déployé dans les zones rurales. Étant donné que Cat-M1 a été conçu en gardant à l'esprit l'efficacité IoT , les exigences matérielles en matière de débit de données, de portée, de latence et de vitesse de téléchargement et de téléchargement sont devenues les points centraux pour renforcer la bataille du cellulaire contre la technologie LoRa.

Comme de nombreuses versions réalisées par des fournisseurs de téléphonie cellulaire concurrents, T-Mobile a rapidement suivi la sortie de Verizon avec son propre baptisé NB- IoT , qui permet une large gamme d' IoT utilisant des tours de télécommunications cellulaires, coexistant avec le GSM et le LTE dans les bandes de fréquences sous licence. NB- IoT offre une exigence de débit de données d'environ 50 Ko/s en téléchargement et en téléchargement en mode semi-duplex. En outre, il connecte efficacement les appareils sur les réseaux mobiles déjà établis, peut gérer une taille de message maximale de 1 600 octets dans une communication de données bidirectionnelle, améliore les exigences de consommation d'énergie des appareils finaux et offre une excellente portée étendue dans les bâtiments ou sous terre – des choses qui LoRa et le cellulaire standard auront du mal à le gérer.

En comparant NB- IoT avec LTE Cat M1, les deux prennent et gèrent les données entre les tours cellulaires, de la même manière que le LTE haut débit. La principale différence entre ces types de connexion réside dans la manière dont les données des appareils en mouvement sont communiquées à Internet lorsqu'ils sont en mouvement. Si un appareil se déplace d'un point A à un point B éloigné, en traversant plusieurs cellules de réseaux différentes, l'appareil Cat M1 ne perdra jamais la connexion car il se comporte de la même manière qu'un téléphone portable, se connectant de tour en tour à mesure qu'il se déplace. Les appareils NB- IoT , en revanche, ne transfèrent pas la connexion et doivent à la place rétablir une nouvelle connexion à une nouvelle tour cellulaire chaque fois qu'une tour est perdue et qu'une nouvelle tour est détectée.

Le diagramme ci-dessous compare les technologies LPWAN conçues pour les solutions IoT .

Sur la base de ce diagramme, les différences techniques et l'adéquation à différents types d'applications peuvent être optimisées avec la connectivité appropriée. Par exemple:

• Dans Smart Farming , les technologies LPWAN se distinguent par leurs capacités de longue portée et d’autonomie de la batterie. Cependant, LoRa peut être la meilleure solution dans les cas où aucune couverture Sigfox n'est présente.
• Dans le de la fabrication et de l'automatisation :
• Pour la surveillance des machines en temps réel , les bonnes vieilles connexions telles que Ethernet ou WiFi restent des options idéales – du moins pour les usines qui offrent déjà un accès à Internet. Cependant, pour les environnements industriels éloignés, tels que les réservoirs, canalisations et/ou turbines distants, NB- IoT est un choix approprié car il promet une fiabilité et une régularité accrues pour la transmission des données par rapport à Sigfox.
• Les applications telles que le suivi des actifs ou la surveillance de l'état sont idéales pour Sigfox, si une couverture est disponible, ou LTE Cat-M dans les cas où l'actif va changer d'emplacement (par exemple, suivi d'un semi-remorque ou d'un camion-citerne).
• Dans Smart Building , où différentes variables telles que la température, l'humidité, le débit d'eau, la consommation électrique, etc. peuvent être utilisées pour alerter la direction immobilière des mesures préventives concernant les machines ou systèmes critiques. Sigfox est une excellente option car il vous permet d'économiser le coût et les efforts d'installation et d'entretien d'une gateway par bâtiment. Cependant, méfiez-vous de la pénétration du signal car il peut être faible dans les sous-sols ou au centre des bâtiments. Si, après avoir effectué un test de signal Sigfox, vous ne parvenez pas à obtenir une couverture, alors LoRa sera le chevalier en armure étincelante pour résoudre les problèmes de pénétration.

En conclusion, le type de connectivité idéal pour votre solution/application connectée à Internet dépend de l'environnement dans lequel vit votre appareil et de la taille de votre charge utile de données. Pour un appareil peu coûteux avec des capacités longue portée et des charges utiles plus petites, nous recommandons une solution LoRa ou Sigfox (si Sigfox est déployé dans votre région). Et, à mesure que les réseaux NB- IoT et Cat-M1 continuent d'être déployés dans toutes les zones de service, leur attrait et leurs services continueront de s'améliorer, rendant ces options tout aussi précieuses que leurs prédécesseurs comme la 2G et la 3G, mais avec un coût inférieur et une plus grande efficacité énergétique. . Enfin, pour les applications qui nécessitent des débits de données élevés ou utilisent du matériel très consommateur d'énergie, la solution éprouvée WiFi ou filaire Ethernet reste la plus adaptée.

Pour continuer à apprendre comment communiquer vos données avec Internet, inscrivez-vous à la newsletter Ubidots et consultez le blog Ubidots qui est régulièrement mis à jour avec d'excellents IoT pour vous aider à relier les dots à l'Internet des objets.