Sigfox, LoRa : quelles différences entre les réseaux M2M pour objets connectés ?

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Les objets connectés ont des besoins spécifiques quant à la technologie qui leur permet de communiquer leurs données au Cloud. Quelles sont les caractéristiques communes et différences des solutions qui existent aujourd’hui ? Cet article analyse les réseaux de communication de l’internet des objets grâce à l’interview de Guillaume Crinon, Business Development Manager chez Avnet Memec.

Technologies de communication M2M

De nombreux objets connectés ne sont pas continuellement alimentés en énergie et nécessitent par conséquent d’être économes en énergie. Par exemple, les wearables tels que les montres connectés ou les bracelets connectés disposent d’une batterie dont l’autonomie limite souvent la pénétration de ces objets au sein du grand public (voir notre article sur l’autonomie de l’Apple Watch). L’action de recevoir et transmettre des données doit donc consommer le moins d’énergie possible.

En comparaison avec les smartphones, les objets connectés nécessitent de transmettre un débit de données bien inférieur. De simples capteurs vont transmettre quelques bits pour chaque transmission sur l’état de leurs mesures tandis que des objets connectés plus complexes peuvent être amenés à transmettre un flux d’information relatif à leur état et à leurs mesures plus conséquent sans toutefois nécessiter les débits des smartphones adaptés aux vidéos et au flux internet.

Caractéristiques des réseaux M2M

Les objets connectés qui communiquent leurs données peuvent le faire par 3 types de solutions : par une communication courte-portée, via un Hub qui est lui-même connecté à internet ou via un réseau longue portée.

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  • Communication courte-portée

Certaines technologies de communication sont à courte portée (faible distance entre émetteur et récepteur). L’échange de données se faire par contact physique entre l’émetteur et le récepteur (par exemple grâce à un port ethernet ou à un port USB), par la technologie NFC (Near Field communication) ou par RFID.

  • Communication via un Hub moyenne portée connecté à internet

Pour connecter les objets à l’internet dans le cas d’une distance de communication modérée, une solution consiste à utiliser un Hub qui fera office d’interface entre l’internet virtuel et vos objets connectés. Les objets communiqueront au Hub (lui même directement connecté à internet) via les technologies Bluetooth, Wi-Fi, Zigbee, Z-wave. Cette solution est adaptée pour les objets destinés à rester proche du smartphone (faisant alors office de Hub) ou dans la maison connectée (une box domotique ou internet pouvant alors faire office de Hub).

  • Communication via une solution longue portée

Dans le cas d’objets qui ont besoin de pouvoir communiquer de longue distance, ou de zones difficilement accessibles, la solution de la communication courte portée et la solution de la communication par Hub sont inefficientes. Il est donc dans ce cas nécessaire de s’appuyer sur un réseau qui permet une connexion en tout lieu couvert par les antennes. Les objets connectés peuvent s’appuyer sur les réseaux cellulaires couverts par les opérateurs de téléphonie (2G,3G, 4G, LTE) pour transmettre leurs données mais ils sont conçus pour de très haut débit et consomment en contrepartie beaucoup d’énergie.

Les objets connectés peuvent également s’appuyer sur des réseaux longue portée, qui ont la particularité de se baser sur une transmission basse fréquence, basse consommation d’énergie mais bas débit. Sigfox, LoRa (par Semtech) et Neul (par Huawei) développent ces réseaux en adressant spécifiquement les objets connectés. Ce sont les caractéristiques de ces réseaux que nous allons spécifiquement étudier dans cet article. Guillaume Crinon nous décrit ici les caractéristiques de ces réseaux :

La bidirectionnalité des réseaux

Une des caractéristiques importante des réseaux des objets connectés est le caractère bidirectionnel de la communication. L’aspect bidirectionnel indique que l’objet peut communiquer ses informations vers le Cloud et que le Cloud peut communiquer à l’objet. Les solutions choisies par Sigfox et LoRa ne permettent pas une communication simultanément bidirectionnelle. En effet, les réseaux opérant dans la bande ISM  868MHz (Sigfox, LoRa…) disposent de bandes de fréquences d’émission et de réception sont trop proches pour être utilisées en simultané. Les deux solutions précédentes doivent donc utiliser successivement les deux sens de communication et non parallèlement. Cette solution est très contraignante car elle oblige une antenne à couper la réception des messages de données de tous les objets connectés qui l’entourent lorsqu’elle veut émettre un message pour un objet.

Une alternative consiste à densifier le réseau d’antennes pour pouvoir s’autoriser à en couper certaines lors de l’émission de messages. Donc même si technologiquement les réseaux de l’internet des objets sont bidirectionnels, dans la pratique il est difficile d’étendre la bidirectionnalité à une masse importante d’objets connectés supportés par le réseau. De toute façon, le sens cloud -> objet n’a que peu besoin d’être utilisé dans les solutions IoT développé aujourd’hui. De plus, les opérateurs sont aujourd’hui limités par la régulation qui considère les antennes de ces technologies comme des objets émetteurs et donc ne les autorise à émettre qu’au plus 1% de leur temps. Interrogé lors du SIdO par l’équipe Aruco, Guillaume Crinon nous explique les problèmes de bidirectionnalités des réseaux adaptés aux objets connectés :

La mobilité sur ces réseaux :

Les réseaux dédiés aux objets connectés doivent également supporter la mobilité des objets connectés qu’ils supportent. La mobilité est mise à l’épreuve sur ces réseaux basse fréquence. En effet, comme le débit d’information est minimisé sur ces technologies (afin d’augmenter la portée entre l’antenne et l’objet pour réduire le besoin de capital pour couvrir une zone donnée), les solutions LoRa et Sigfox doivent transmettre leurs messages sur des intervalles de temps plus longs, de l’ordre de la seconde.

S’il n’y a pas d’obstacle pour transmettre les données, cela ne pose pas de problème (l’effet Doppler n’a que peu d’effet néfaste sur ces technologies) : on peut alors très bien imaginer que les solutions fonctionnent dans les avions en vol stationnaire. Par contre, lorsque des obstacles (des immeubles par exemple) guident les chemins d’ondes de transmission, un problème peut se poser lorsque l’onde passe par deux chemins successifs pour transmettre un même message.

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Ainsi, si un objet connecté en mouvement (prenons une voiture connectée), transmet un message lorsqu’il est en mouvement, il peut transmettre la première moitié de son message par un certain chemin et la seconde par un autre (l’objet ayant avancé pendant la transmission de son message, le chemin d’onde du début du message n’est pas forcément le même en début qu’en fin de transmission).

Le message, alors reçu en deux parties par l’antenne, peut ne pas être bien fusionné et réceptionné dans son intégralité. Guillaume Crinon nous explique les problèmes de mobilité des réseaux adaptés aux objets connectés dans la vidéo d’interview ci-dessous :

Vers une standardisation 5G ?

Le technologies et processus de communication vus ci-dessus utilisent des standards différents et adressent des usages différents. A l’heure de la multiplication des objets connectés, de nouveaux usages et besoins émergent (besoin de transmettre de courts messages, sans consommer beaucoup d’énergie…). La 5G, annoncée pour les années 2020, entend regrouper et intégrer toutes les technologies évoquées pour une utilisation plus efficiente des bandes de fréquences disponibles. Qui de Sigfox, LoRa (Semtech) ou Neul saura imposer sa solution technologique pour une standardisation au travers de la 5G ?

Chacun place ses pions, avec Sigfox qui lève 100 millions d’euros pour installer son réseau à l’international, avec Semtech qui annonce son partenariat avec Bouygues pour l’accélération de la mise en place du réseau LoRa, ou avec Neul (racheté par Huawei) qui a fait en février dernier un partenariat avec Vodafone pour intégrer sa technologie dans le réseau de l’opérateur afin qu’il adresse les besoins des objets connectés. Dans la vidéo ci-dessous, Guillaume Crinon évoque sa vision de la standardisation des technologies de communication :

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