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Nous nous intéressons dans cet article aux réseaux LPWAN, créés à partir des années 2010, pour répondre aux exigences des objets autonomes connectés à Internet. Nous verrons les caractéristiques de ces différents réseaux pour vous aider à choisir votre réseau LPWAN.

L’origine fonctionnelle du réseau LPWAN

Jusqu’en 2009 il existe des réseaux 2G ou WiFi pour faire remonter les données de capteurs sans fil vers un serveur.
Mais ces réseaux présentent deux inconvénients : ils ont de faibles portées et il nécessite beaucoup d’énergie.
S’ils sont généralement adaptés à un usage domotique ils ne sont en revanche pas adaptés pour des capteurs destinés un usage professionnel.
De nouveaux protocoles sont donc développés pour des petits débits de données mais de grandes portées et de grandes autonomies. Ils donnent naissance aux réseaux LPWAN, pour Low Power (basse consommation) et Wide Area Network (grande portée).
On assiste en 2009 et 2010 en France à la naissance des protocoles LoRaWAN puis Sigfox en dehors des réseaux cellulaires (aux États-Unis en 2010 la société Monnit développe un protocole similaire). C’est ensuite aux opérateurs de réseaux cellulaires d’apporter leur réponse avec les réseaux NB-IoT et LTE-M.

SIGFOX

Carte d’identité du réseau LPWAN SIGFOX

La société Sigfox est née à Toulouse en 2009, et est spécialisée dans les réseaux de communication de l’internet des objets (IoT).
C’est à la fois un protocole et un opérateur de télécommunication. En effet Sigfox a développé en propre, et via des accords à l’étranger, son réseau de passerelles. Cela signifie qu’un abonnement est nécessaire pour pouvoir récupérer les données d’un objet Sigfox.
Sigfox est présent dans 72 pays et 17.6 Millions d’objets utiliseraient ce protocole.

Le fonctionnement du réseau SIGFOX


Le signal bas débit du capteur est envoyé sur une bande libre, la fréquence 868 MHz, vers la passerelle du réseau Sigfox, pour être ensuite acheminé via Internet vers un serveur, le back-end Sigfox.
Les données stockées sur ce serveur Sigfox doivent ensuite être poussées vers la plate-forme IoT ( ou tirées par la plate-forme IoT). Elles peuvent alors être visualisées ou générer des alarmes.

La portée atteint 13 km en zone ouverte et 2 km en ville.
Les données ne sont pas encryptées .

La couverture de Sigfox

Pour savoir si votre zone est couverte rendez vous sur le site de Sigfox.
Bon à savoir : si votre zone n’est pas couverte vous pouvez installer sur votre site une passerelle Sigfox, l’Access Station Micro. Il vous suffira de la connecter à Internet pour étendre la couverture du réseau Sigfox.

Un réseau bidirectionnel

Sigfox, permet une communication bidirectionnelle . Une telle communication permet de pousser un paramètre de configuration vers un capteur sans se déplacer physiquement. Il est donc possible par exemple d’augmenter la fréquence des relevés en modifiant les paramètres de l’objet.

Le serveur back-end de Sigfox

Le back-end Sigfox fournit une interface Web pour la gestion des appareils et la configuration de l’intégration des données, ainsi que des API Web basées sur des normes pour automatiser la gestion des appareils et mettre en œuvre l’intégration des données. Les API sont basées sur des requêtes HTTPS REST, telles que GET ou POST et le format de charge utile est le JSON.
Grâce aux informations du back-end vous pouvez pousser ou tirer les données des capteurs vers ou depuis une plate-forme de visualisation des données.

La géolocalisation et l’itinérance avec Sigfox

Sigfox permet de géolocaliser sans GPS avec une précision entre 10 m et 1 km.
Il est donc possible de suivre le déplacement d’un équipement équipé d’un “tracker” sans fil Sigfox à travers toute l’Europe.
En effet Sigfox étant un opérateur unique présent sur plusieurs pays le transfert des données des capteurs ou des trackers ne s’arrêtent pas quand vous passez une frontière Européenne.
En revanche si vous utilisez d’autres réseaux LPWAN vous devrez vous assurez qu’il existe des accords d’itinérance, ou de roaming, entre l’opérateur national et les opérateurs des pays dans lesquels le capteur ou le tracker est susceptible de se déplacer. Sinon vous ne pourrez plus géolocalisé une machine ou un colis à l’étranger.

LoRaWAN

La solution LoRaWAN

La technologie de modulation liée à LoRaWAN est LoRa, créée en 2009 par la start-up française Cycléo et rachetée par la société Semtech en 2012. Semtech est côté au NASDAQ.
Le signal est envoyé jusqu’à une passerelle en utilisant le protocole LoRa puis de passerelle il est envoyé à un serveur qui héberge une application qui traitera les données.
La portée atteint 15 km en zone ouverte et 2 km en ville.
Les données sont encryptées (AES).
Précision : LoRa représente la couche physique radiofréquence et LoRaWAN représente la couche protocole.

Un réseau LPWAN bidirectionnel et une modulation à étalement de spectre

Il est parfois intéressant de mettre à jour les paramètres ou le programme d’un capteur sans fil. Le réseau LPWAN LoRaWAN permet au capteur non seulement d’envoyer des données mais aussi d’en recevoir. Il n’est donc pas nécessaire de se déplacer physiquement pour mettre à jour le capteur.
Par exemple si le capteur n’est utilisé que pendant une période de l’année ( en été pour gérer l’arrosage) il sera possible de le mettre en veille à distance.
Par ailleurs l’étalement du spectre signifie que le message transmis est répété plusieurs fois à des fréquences différentes ce qui donne au protocole une grande immunité aux interférences.

Une solution libre et économique : le choix entre réseau privé ou opéré

LoRaWAN utilise un bande de fréquences libres, donc gratuite. En contrepartie, pour ne pas saturer la fréquence, le taux d’utilisation ne doit pas excéder 1%.
Le protocole est simple et ne nécessite donc pas de composants électroniques coûteux.
Une passerelle est nécessaire pour passer l’information du capteur : cette passerelle peut être privée ( solution intéressante à partir de 10 capteurs ou s’il n’y a pas de réseau opéré qui couvre la zone) ou opérée (dans ce cas il faut un abonnement d’un coût généralement modique).

A retenir : pour des raisons de confidentialité des données, d’économie ou d’absence de couverture par un opérateur il est possible de créer son propre réseau LoRaWAN privé. C’est une des caractéristiques très appréciée du protocole LoRaWAN.

Passerelle LoRaWAN privée installée sur le toit d’un des bâtiments du site industriel à couvrir

Un réseau sécurisé

Les données des capteurs sont cryptées. LoRaWAN implémente plusieurs clefs, propres à chaque équipement terminal, afin d’assurer la sécurité des échanges au niveau réseau et applicatif.

La géolocalisation en plus avec LoRaWAN

C’est une cerise sur le gâteau LoRa. En effet il est possible avec le protocole LoRa de calculer la distance entre l’antenne et le signal ( on connait l’heure de départ, l’heure d’arrivée et la vitesse).
Sous réserve que le signal du capteur soit reçu par au moins trois antennes il est donc possible, en résolvant une simple équation, de savoir localiser un objet.
Cette solution est très intéressante pour de multiples applications ( prévention du vol, inventaire, taux d’occupation de machines mobiles comme des remorques, location de matériel, etc..)

Des produits certifiés, gage de qualité

Plusieurs organismes certifient les produits LoRaWAN. Ces organismes sont autorisés par LoRa Alliance ®, une association ouverte à but non lucratif.

LTE-M et NB-IoT

Les points communs aux réseaux NB-IoT et LTE-M

En réponse au protocole sur les bandes libres les opérateur cellulaires répondent avec des réseaux LPWAN qui utilisent la 4G puis la 5G.
Le NB-IoT et le LTE-M (ou LTE Cat-M1) se caractérisent par une faible consommation d’énergie par rapport aux réseaux cellulaires classiques.
Comme pour Sigfox un abonnement est nécessaire pour recevoir les données des objets.

Les atouts du LTE-M versus le NB-IoT

Le LTE-M est compatible avec les réseaux de téléphonie mobile existants et ne nécessite pas l’achat de nouveaux modems compatibles comme pour le NB-IoT.
Avec un taux de transfert de données plus rapide que le NB-IoT (384 kb/s contre 100 kb/s) le réseau LTE-M propose les échanges voix sur le réseau et sait gérer la mobilité des objets.
La latence est plus courte qu’avec les réseaux non cellulaires et les protocoles plus sécurisés.
Le LTE-M est donc une solution intéressante pour les véhicules autonomes, des applications de sécurité pour des travailleurs isolés et pour suivre des objets en mouvement ( asset tracking).

En conclusion le LTE-M consomme plus , coûte plus cher mais offre une alternative intéressante aux réseaux LPWAN non cellulaire pour des applications qui exigent plus de débit ou moins de latence et une plus grande sécurité.

Conclusion sur le choix du réseau LPWAN

Si vous avez un capteur fixe à installer sur un ou plusieurs sites opter pour un abonnement LoRaWAN ou Sigfox.
En revanche si vous avez un site avec plus de 10 capteurs un réseau LoRaWAN privé se révélera plus économique.
Si vous équipez d’un capteur un équipement mobile, susceptible de se déplacer dans plusieurs pays, le réseau LTE-M sera le plus performant. Mais si l’autonomie est un critère important Sigfox devra être considéré.