Connectivité actuelle et future ; exploration des connexions Cat-M1, NB-IoTet LPWAN

Connecter des appareils (capteurs, actionneurs, balises ou gateway ) à Internet, c'est créer une solution d'Internet des objets (IoT). Bien que ce concept ne soit pas nouveau, l'accès croissant à Internet, notamment au cloud, combiné à la baisse des coûts du matériel et de la connectivité, IoT (ou IoT ) plus accessibles que jamais. La valeur ajoutée de ces solutions au quotidien dépend avant tout de la manière dont un capteur ou gateway se connecte à Internet. Choisir la meilleure connectivité pour une IoT est essentiel à la réussite d'une application. Cet article explore les technologies permettant d'acheminer les données vers Internet.

Les appareils se connectent à Internet de deux manières : par câble ou sans fil . Couramment utilisé dans les environnements industriels, l’Ethernet a longtemps été la solution filaire de référence pour la collecte de données dans tous types d’applications de surveillance. Puis, dans les années 1990, l’arrivée du Wi-Fi et radio comme ZigBee et Bluetooth , s’affranchissant des câbles et ouvrant la voie à de nouvelles méthodes de collecte de données pour les industries. Parallèlement aux progrès du Wi-Fi, les infrastructures de communication cellulaire ont également progressé, avec la 2G , la 3G , puis la 4G (et bientôt la 5G), offrant une combinaison de débits et de couverture plus élevés. Malgré leurs performances et leur fiabilité, ces types de connectivité présentent tous un inconvénient majeur : une consommation d’énergie excessive pour la transmission des données sur Internet.

En quête d'une solution plus performante, les entrepreneurs et les leaders du secteur se sont lancés dans une course effrénée vers ce qu'ils pensaient être la solution idéale pour IoT . Le fruit de cette course à la transmission de données est aujourd'hui connu sous le nom de LPWAN ( réseau étendu basse consommation ). Conçus spécifiquement pour permettre des communications longue portée jusqu'à 10-40 km en zones rurales et 1-5 km en zones urbaines, les appareils LPWAN bénéficient généralement d'une autonomie de plus de 4 ans grâce à un codage écoénergétique appelé mode veille . Parmi les avantages immédiats du LPWAN, on peut citer des économies considérables (grâce à l'absence de câbles), une simplification du développement et de l'exploitation des applications (en partie grâce à l'essor des réseaux décentralisés, développé parallèlement aux progrès de la connectivité), et une plus grande capacité à desservir les applications rurales pour les entreprises, les organismes de sécurité et les chercheurs. Avec le LPWAN, le matériel peut être déployé là où l'humain ne peut pas être présent.

En 2009, Sigfox a fait son apparition sur le marché des réseaux LPWAN en tant qu'entreprise privée, s'imposant rapidement face à la concurrence des opérateurs de téléphonie mobile. Après quelques années de développement privé, des opérateurs comme Verizon et T-Mobile ont commencé à déployer leurs propres solutions, LTE Cat-M et NB- IoT respectivement, pour la connectivité des objets IoT

Sigfox est un opérateur de réseau LPWAN offrant IoT dans 45 pays et régions. Le réseau Sigfox est constitué de stations de base propriétaires déployées dans différentes régions du monde, capables de recevoir des messages (données brutes) des appareils via une liaison radio. Le réseau Sigfox connecte les appareils de terrain à des clusters de serveurs cloud via un réseau IP. Une fois le message envoyé de l'appareil à la station de base et reçu par le serveur Sigfox, les utilisateurs peuvent gérer les données reçues avec différentes plateformes IoT via des rappels HTTP ou l'API Sigfox. Sigfox prend en charge la communication bidirectionnelle, mais ses capacités de communication quotidiennes sont fortement limitées : le nombre de messages montants est limité à 140 et le nombre de messages descendants à 4, même pour l'abonnement le plus important. De plus, la taille maximale d'un message montant est de 12 octets.

Compte tenu de ces contraintes, Sigfox est sans aucun doute une solution à faible consommation d'énergie pour les applications IoT de terrain et parfaitement adaptée à l'AgTech et à la surveillance à distance. Sigfox constitue une excellente option pour les solutions matérielles IoT économiques et à faible consommation d'énergie permettant la transmission de données sur de longues distances (lorsque la zone est couverte).

Les principales caractéristiques de Sigfox incluent

• Haute qualité de service : 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 (3 en moyenne), sans qu’il soit nécessaire d’accuser réception. La diversité spatiale, associée à la diversité temporelle et fréquentielle des répétitions de trames radio, garantit une haute qualité de service sur le réseau Sigfox.
• Haute résistance aux interférences : de l’UNB , associée à la diversité spatiale des stations de base, offre d’excellentes capacités anti-brouillage. L’UNB est extrêmement robuste dans un environnement à spectre étalé. L’UNB est le choix idéal 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 des trames radio et ne nécessite aucune synchronisation avec le réseau. La combinaison d’un faible niveau d’émission et d’une courte durée d’émission (moins d’une minute par jour) garantit une autonomie maximale aux appareils.
• Capacité réseau élevée : La faible empreinte de l’UNB permet une plus grande simultanéité des signaux dans la bande de fonctionnement. De plus, le protocole Sigfox réduit la taille des trames radio. Ces deux caractéristiques, combinées à l’utilisation de la technologie de 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, utilise une couche physique qui module le signal grâce à une technique propriétaire d'étalement de spectre. LoRa utilise les bandes ISM sans licence , permettant ainsi aux clients de créer un réseau ouvert sans autorisation des autorités de régulation des fréquences radio. La à étalement de spectre par modulation de fréquence (CSS) répartit un signal à bande étroite sur une bande passante plus large, assurant une communication bidirectionnelle. LoRa utilise six facteurs d'étalement ; les messages sont transmis et reçus simultanément par les stations de base LoRa, avec une taille maximale de 246 octets par message.

Avec le développement de Sigfox et LoRa, il est devenu nécessaire de les encadrer afin que les particuliers, les entreprises et les gouvernements puissent s'appuyer sur un type de connexion standardisé et contrôlé. C'est dans cette optique qu'en 2015, la LoRa Alliance, nouvellement créée, a standardisé un protocole de communication basé sur LoRa. Ce protocole, baptisé LoRaWAN, est un protocole réseau qui utilise la technologie LoRa pour communiquer avec le matériel (nœuds et gateway ) et le gérer sur des sites distants. Les nœuds sont des dispositifs finaux qui envoient et reçoivent des données depuis/vers la gateway gateway laquelle gère et transmet les messages à un serveur réseau LoRaWAN préconfiguré .

Les principales caractéristiques des protocoles LoRa et LoRaWAN sont les suivantes :

• Faible coût : réduit les coûts de trois manières : investissement dans l’infrastructure, frais d’exploitation et capteurs terminaux
• Normalisation : applications IoT basés sur LoRaWAN
• 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 seule station de base assure une forte pénétration dans les zones urbaines denses et les espaces intérieurs. En théorie, en zone rurale, la portée peut atteindre 48 km. Chez Ubidots avons testé des antennes LoRa en milieu urbain et obtenu des distances allant jusqu’à 1,6 km avec des antennes 900 MHz .
• Sécurisé : Chiffrement AES128 de bout en bout intégré
• 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 opérateurs de téléphonie mobile et les solutions LoRa s'est intensifiée avec le lancement du service Cat-M1 de Verizon et du réseau NB- IoT (NarrowbandIoT) de T-Mobile. Le Cat-M de Verizon, également appelé LTE Cat-M1, est une connectivité LPWA (Low-Power Wide-Area) optimisée pour les objets IoT et les communications M2M. Le Cat-M est idéal pour les solutions nécessitant un débit de données moyen : 375 kbit/s en téléchargement et en envoi en mode semi-duplex, avec une taille maximale de message de 1 500 octets pour une communication bidirectionnelle. À ces vitesses, le LTE Cat-M1 permet des mises à jour de firmware à distance (FOTA) dans des délais raisonnables, facilitant ainsi la maintenance et le support matériel pour les équipements déployés en zones rurales. Conçu pour optimiser l'efficacité IoT , le Cat-M1 a mis l'accent sur les exigences matérielles en matière de débit, de portée, de latence et de vitesses de téléchargement et d'envoi, renforçant ainsi la compétitivité de la technologie LoRa face aux réseaux cellulaires.

À l'instar de nombreux opérateurs concurrents, T-Mobile a rapidement emboîté le pas à Verizon en lançant sa propre technologie, baptisée NB- IoT . Celle-ci permet de connecter une large gamme d' IoT et de services via les antennes-relais de télécommunications cellulaires, en coexistence avec les réseaux GSM et LTE sur les bandes de fréquences autorisées. Le NB- IoT offre un débit de données d'environ 50 kbit/s en téléchargement et en envoi en mode semi-duplex. De plus, il assure une connexion efficace des appareils sur les réseaux mobiles existants, prend en charge des messages d'une taille maximale de 1 600 octets en communication bidirectionnelle, optimise la consommation d'énergie des terminaux et offre une excellente portée étendue dans les bâtiments et sous terre – des atouts que le LoRa et les réseaux cellulaires classiques peinent à égaler.

En comparant NB-IoT et LTE Cat M1, on constate que les deux technologies transmettent et traitent des données entre les antennes-relais, à l'instar de la LTE haut débit. La principale différence réside dans la manière dont les données des appareils mobiles sont communiquées à Internet lorsqu'ils se déplacent. Si un appareil se déplace du point A au point B, situé à distance, en traversant plusieurs cellules de réseaux différents, l'appareil Cat M1 ne perdra jamais la connexion car il se comporte comme un téléphone portable, se connectant d'antenne-relais en antenne-relais au fur et à mesure de son déplacement. Les appareils NB-IoT , en revanche, ne transfèrent pas la connexion et doivent établir une nouvelle connexion à une nouvelle antenne-relais à chaque fois qu'une antenne est perdue et qu'une autre est détectée.

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

Ce schéma permet d'optimiser les différences techniques et l'adéquation aux différents types d'applications grâce à une connectivité appropriée. Par exemple :

• Dans de l'agriculture intelligente , les technologies LPWAN se distinguent par leur longue portée et leur autonomie. Cependant, LoRa peut s'avérer plus adapté en l'absence de couverture Sigfox.
• Dans le monde de la fabrication et de l'automatisation 
• Pour la surveillance en temps réel des machines , les connexions traditionnelles comme l'Ethernet ou le Wi-Fi restent des options idéales, du moins pour les usines disposant déjà d'un accès Internet. Cependant, pour les environnements industriels isolés, tels que les réservoirs, les canalisations et/ou les turbines éloignés, le NB- IoT est un choix judicieux car il offre 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 leur état sont idéales pour Sigfox, là où la couverture est disponible, ou pour LTE Cat-M dans les cas où l'actif change d'emplacement (par exemple, le suivi d'un semi-remorque ou d'un camion-citerne).
• Dans de bâtiments intelligents , différentes variables telles que la température, l'humidité, le débit d'eau, la consommation électrique, etc., peuvent être utilisées pour alerter la direction et mettre en place des mesures préventives pour les équipements ou systèmes critiques. Sigfox est une excellente option car elle permet d'économiser les coûts et les efforts liés à l'installation et à la maintenance d'une gateway par bâtiment. Cependant, il faut être vigilant quant à la pénétration du signal, qui peut être faible dans les sous-sols ou au centre des bâtiments. Si, après un test de signal Sigfox, vous ne parvenez pas à obtenir de couverture, LoRa sera la solution idéale 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 votre appareil évolue et du volume de données transmises. Pour un appareil économique offrant une longue portée et des volumes de données réduits, nous recommandons une solution LoRa ou Sigfox (si Sigfox est déployé dans votre région). Par ailleurs, à mesure que les réseaux NB-IoT et Cat-M1 se déploient, leur attractivité et leurs services ne cessent de s'améliorer, rendant ces options aussi intéressantes que leurs prédécesseurs comme la 2G et la 3G, tout en étant moins coûteuses et plus économes en énergie. Enfin, pour les applications exigeant des débits de données élevés ou utilisant du matériel énergivore, les solutions éprouvées Wi-Fi ou Ethernet restent les plus adaptées.

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