juil., 1 2022

LPWAN, quésaco ? Tout sur les Low Power Wide Area Networks

Définition rapide : le sigle LPWAN signifie “Low Power Wide Area Network”, c’est-à-dire réseau étendu à faible consommation. Il s’agit de réseaux sans fil spécialement conçus pour maximiser la couverture, réduire les coûts de fonctionnement, et minimiser la consommation des objets connectés. Les LPWAN présentent la plus forte croissance parmi les technologies sans fil destinées à l’IoT.

Glossaire M2M
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Il existe plusieurs types de LPWAN, mais ils possèdent tous un certain nombre de points communs, et ils sont particulièrement adaptés à l’IoT. À chaque type de LPWAN correspondent des bandes de fréquence, un débit, et des coûts d’utilisation.

Les LPWAN présentent généralement une topologie en étoile, c’est-à-dire que les appareils se connectent à un point d’accès central (comme une antenne-relais), et non directement les uns aux autres (comme c’est le cas dans un réseau Zigbee, dont la topologie est maillée).

Avant de nous intéresser aux principaux types de LPWAN existants, il faut d’abord aborder quelques notions nécessaires à la bonne compréhension de leurs différences.

Fréquences sous licence et fréquences libres

Commençons par imaginer une autoroute avec des milliers de voies, faisant le tour de la planète. Cette autoroute symbolise le spectre électromagnétique utilisé pour les transmissions de données. Chaque voie correspond à une fréquence radio donnée.

Même si ces voies sont très nombreuses, elles ne sont pas infinies, et certaines sont impraticables. Les très hautes fréquences par exemple ont une portée et une pénétration trop limitées pour servir aux télécommunications. Si elles sont correctement utilisées, ces voies peuvent être empruntées par des milliards d’appareils à travers le monde, sans aucun problème. Mais si trop de voitures se retrouvent dans la même voie au même moment, ça pose problème.

On peut aussi se représenter les ondes qui se forment à la surface lorsque l’on jette un caillou dans l’eau. Si tout le monde jette un caillou au même moment, les ondes interfèrent (elles peuvent même s’annuler), et on a du mal à savoir quelle onde a été déclenchée par quel caillou.

Pour éviter les embouteillages, ou une accumulation d’ondes dans la même mare, les régulateurs comme l’ARCEP en France ou la Federal Communication Commission (FCC) aux États-Unis peuvent réserver à certains opérateurs l’usage d’un groupe de fréquences définies. Un peu comme des voies express, ou des mares privées. C’est ce qui se passe lorsque un LPWAN exploite des fréquences sous licence.

Les fréquences libres sont quant à elles publiques, et donc plus sujettes aux interférences. Mais leur utilisation est aussi gratuite, c’est donc un compromis. L’accès aux fréquences libres n’est pas contrôlé, chacun peut créer son propre réseau. Pour toutes ces raisons, les solutions utilisant ces fréquences sont particulièrement adaptées aux environnements très isolés (montagne, campagne, etc).

Les réseaux Wifi par exemple, s’appuient sur les fréquences 2,4GHz et 5GHz. Ainsi, si vous utilisez un réseau Wifi et qu’il y en a d’autres à proximité, il peut y avoir des interférences. Les réseaux LoRa et Wireless M-Bus utilisent eux la fréquence 868MHz, ils peuvent aussi interférer. Les bandes de fréquences les plus basses traversent plus facilement les murs, offrant ainsi une meilleure couverture, c’est pourquoi elles sont très prisées par les LPWAN.

Certains régulateurs cherchent à limiter la sur-utilisation des bandes de fréquence en régulant les rapports cycliques. Souvent, la limite d’utilisation de la bande de fréquence est fixée à 1%. Sur 24h, cela représente un peu moins de 15 minutes de connexion par appareil. Cela évite que certains ne monopolisent la bande passante, alors que tout le monde doit la partager.

Les types de LPWAN

Intéressons-nous maintenant à certaines technologies de Low Power Wide Area Networks intéressantes pour les industriels de l’IoT.

LoRaWAN

LoRaWAN signifie “Long Rang Wide Area Network”, soit réseau étendu à longue portée. Les LoRaWAN constituent une catégorie de LPWAN ne s’appuyant pas sur les infrastructures cellulaires. Ils utilisent des bandes de fréquences libres spécifiques qui changent selon les pays.

En comparaison aux autres types de LPWAN, le débit des LoRaWAN est particulièrement bas, et leur bande passante est particulièrement étroite. Et comme les rapports cycliques y sont réglementés, les appareils connectés à des LoRaWAN n’émettent qu’un nombre limité de messages par jour.

Les LoRaWAN sont parfois utilisés par les compteurs intelligents, les systèmes d’alarme et d’autres usages IoT classiques. Mais ils sont surtout adaptés pour relier des appareils situés au même endroit, dans un environnement très isolé où les autres réseaux sont peu accessibles.

En effet, même s’il est possible de se connecter à un réseau LoRaWAN déjà présent dans une zone de déploiement, comme à un réseau cellulaire, on peut aussi créer son propre réseau si on le souhaite. Avec l'émergence des réseaux LPWAN cellulaires comme le LTE-M ou le Nb-IoT, certainsopérateurs traditionnels coupent d’ailleurs leur réseau LoRaWAN (à ce propos, lire cet article).

Sigfox

Sigfox est une entreprise française qui déploie des LPWAN basés sur sa technologie propriétaire. Ces réseaux utilisent des bandes de fréquences “ultra étroites”, et chaque pays dispose d’un unique opérateur Sigfox.

La portée des réseaux Sigfox (jusqu’à 1 000 kilomètres) est meilleure que celle des autres LPWAN propriétaires, mais chaque appareil connecté ne peut envoyer que 140 messages de 14 octets maximum par jour, et recevoir 4 messages de 8 octets maximum. Sigfox est utilisé partout, des commerces à l’IoT industriel en passant par les alarmes connectées. Mais la limite quotidienne de messages est un frein à la régularité des mises à jour. Ainsi, l’utilisation de Sigfox peut engendrer des failles de sécurité, et ce n’est tout simplement pas une solution viable pour le transfert de plus gros volumes de données.

Nb-IoT

NB-IoT signifie “Narrowband Internet of Things”, soit internet des objets à bande étroite. Il s’agit d’un réseau cellulaire spécialement conçu pour exploiter les bandes de fréquences sous licence inutilisées. La plupart des opérateurs lui réservent une partie de la bande dédiée au LTE, mais le NB-IoT leur permet aussi d’exploiter les bandes de garde (les bandes qui séparent les autres) et d’autres fréquences inutilisées. Le NB-IoT a été conçu pour résoudre certaines des difficultés liées à l’usage des réseaux cellulaires pour l’IoT, et en particulier la consommation d’énergie.

Traditionnellement, les objets connectés à un réseau cellulaire sont en situation d’écoute active. Ils envoient régulièrement des “Tracking Area Updates” (TAU) pour informer le réseau de leur position. Cela a pour conséquence d’augmenter leur consommation d’énergie, même en veille.

Avec le NB-IoT, c’est différent. Il offre la possibilité d’utiliser le mode d’économie d’énergie (Power Saving Mode, PSM), lorsque les appareils sont en veille. De plus, la fonctionnalité de réception intermittente (Discontinuous Reception, DRX) permet d’espacer l’envoi des TAU. Cela permet aux appareils de fonctionner pendant des années sans aucune recharge.

À la différence des réseaux LoRaWAN et Sigfox, la technologie NB-IoT ne nécessite pas pour un fabricant de construire sa propre infrastructure réseau de A à Z. Les réseaux NB-IoT s’appuient sur les relais et les antennes LTE. Ces réseaux cellulaires sont déjà déployés par les opérateurs traditionnels, il suffit de s’y connecter. Ainsi, les industriels peuvent commercialiser des appareils connectés dès la sortie de l’emballage.

En termes de portée, couverture et coûts de déploiement, il n’y a pas photo. Pour des usages comme les compteurs intelligents et le smart building en général, les LPWAN cellulaires comme le NB-IoT sont pratiquement tout le temps la meilleure option.

4G LTE-M

La 4G désigne la 4ème génération de réseaux cellulaires, et le sigle LTE-M signifie “long-term evolution machine type communication”. Aussi connue sous le nom de Cat-M1 (catégorie M1), la 4G LTE-M est une extension de la 4G LTE qui inclut les mêmes fonctionnalités d’économie d’énergie (PSM et DRX) que le NB-IoT. Tout comme le NB-IoT, les réseaux LTE-M s’appuient sur une infrastructure existante, celle de la 4G LTE.

En revanche, les réseaux 4G LTE-M se distinguent des réseaux NB-IoT par leurs débits bien meilleurs qui permettent de transmettre rapidement des volumes de données beaucoup plus importants. C’est un point-clé pour les mises à jour logicielles : tout au long du cycle de vie d’un appareil, il est possible de le faire évoluer vers des fonctionnalités nécessitant plus de données.

Par ailleurs, la 4G est le réseau cellulaire le plus utilisé dans le monde, ce qui permet aux objets connectés de bénéficier d’une bonne couverture quel que soit l’endroit. C’est particulièrement vrai si leur carte SIM possède la fonctionnalité Multi-IMSI lui permettant de basculer entre les opérateurs pour toujours rester connectée.

Comme les réseaux NB-IoT, le LTE-M est idéal pour des usages nomades comme le tracking des biens, mais il se prête aussi très bien à des applications telles que les caméras-piétons des forces de l’ordre, le suivi des équipes de pompiers, et les appareils d’analyse de données. Plus le besoin en données est prégnant, plus la technologie LTE-M s’illustre par rapport au NB-IoT. Les téléchargements sont plus rapides, le temps de connexion est donc plus bref.

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Jean-Eudes Ambroise

Jean-Eudes est le directeur du département Customer Success chez EMnify. Dans l'entreprise depuis 2017, il est expert IoT et de la connectivité M2M.

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