[Sigfox/LoRa] Les Vrai/Faux des réseaux dédiés aux objets connectés

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Le mois dernier, Aruco s’est rendu au Meetup organisé par Avnet-Memec-Silica et consacré aux réseaux de communication entre objets connectés. Organisé à l’Usine IO, cet événement était animé par Guillaume Crinon (Technical Marketing Manager EMEA) et nous a permis d’en apprendre un peu plus sur les réseaux LPWAN (Low Power Wide Area Network) dédiés aux objets connectés.
Nous avons décidé de reprendre certains points de sa présentation pour vous permettre de profiter des enseignements tirés du discours tenu ce soir-là. Voici les réponses aux 8 questions que vous vous posez sur les réseaux Sigfox et LoRa !

1- Les réseaux bas débits Sigfox et LoRa ont une plus longue portée que les réseaux GPRS/3G, vrai ou faux ?

Vrai ! Le débit étant réduit pour du LoRa/Sigfox par rapport à du 2G, cela augmente la durée de transmission des bits et améliore la résistance au bruit parasite, ce qui permet une plus longue portée pour les signaux.
La portée d’un réseau se définit par la plus longue distance sur laquelle un message peut être transmis. Plus on s’éloigne de l’antenne émettrice et plus l’introduction de bruit parasite nuit à la réception du signal. Lorsque le bruit est trop important, le signal reçu ne peut être déchiffré : on est donc en hors portée.
Les réseaux dédiés aux objets connectés, Sigfox et LoRa, ont un débit de transmission largement inférieur aux réseaux GPRS. Par exemple, il est 2000 fois inférieur pour Sigfox que pour un réseau 2G. Or, plus le débit est faible et plus le signal doit être transmis sur une longue période de temps (pour parvenir à envoyer tout le contenu du signal). Pendant cette période de temps de transmission, du bruit aléatoire s’accumule, mais moins vite que pour un réseau GPRS grâce à un effet de moyennage.
L’allongement du temps de transmission conduit donc à une énergie du signal qui augmente plus rapidement que l’énergie du bruit. L’augmentation de la résistance au bruit permet par suite d’allonger la portée des signaux. Pour deux signaux, un Sigfox et un 2G, émis à la même puissance, la résistance au bruit est améliorée par environ 45 pour le signal Sigfox, donc la portée en est également augmentée.

2- Le coût du transfert de données est dix fois moins cher pour un réseau bas-débit (Sigfox/LoRa)  que pour un réseau GPRS/3G, parce que l’infrastructure réseau dont on a besoin est 10 fois moins importante, vrai ou faux ?

Vrai ! Les coûts de CAPEX et d’OPEX sont réduits pour les réseaux bas-débit.
Installer un réseau de type Sigfox / LoRa coûte moins cher, et ce pour deux principales raisons :

  • Les réseaux bas-débit ont une plus forte portée, donc moins d’antennes Sigfox ou LoRa sont nécessaires que d’antennes 3G/4G pour couvrir un territoire donné (dans la pratique, entre 5 et 10 fois plus). Les coûts d’investissements (CAPEX) sont donc inférieurs pour les réseaux bas-débits de type Sigfox ou LoRa.
  • Les coûts de gestion opérationnels sont également plus faibles pour les réseaux bas-débits. L’agencement des antennes pour assurer une fiabilité de couverture est en effet simplifié pour ces réseaux. Dans un réseau 2G/3G/4G le territoire est maillé en cellules. Et les cellules adjacentes doivent être isolées sur des fréquences différentes ou des codes différents. Dans un réseau Sigfox ou LoRa, toutes les cellules opèrent sur la même bande de fréquence, d’où une architecture beaucoup plus simple et évolutive. Cela induit une réduction de la qualité de service qui reste convenable pour la transmission de quelques messages par jours mais qui ne le serait pas pour la voix ou la vidéo.

2Gréseau
Le coût de déploiement d’infrastructure étant moins cher en investissement initial et en maintenance opérationnelle, les opérateurs des réseaux bas-débits peuvent donc se permettre de faire payer le transfert de donnée moins cher.

3- Le réseau Sigfox est aujourd’hui couvre une zone plus importance en France que les réseaux LoRa d’Orange et Bouygues Telecom, vrai ou faux ?

Vrai !
Sigfox a déjà installé ses antennes dans la majorité du territoire français (voir la carte ci-dessous) et possède une couverture Outdoor quasiment complète :
carte-sigfox
Bouygues Telecom a annoncé le déploiement de son réseau LoRa en 2015 et prévoit de couvrir, d’ici la fin de l’année, 1500 villes, puis de parvenir à adresser 80% de la population française mi-2016 et la totalité fin 2016.
Similairement,  Orange veut couvrir d’ici mi-2016, 18 grandes agglomérations françaises dont : Paris, Lyon, Lille, Marseille, Grenoble, Toulouse, Angers, Montpellier, Nantes, Nice, Rennes, Rouen, Toulon, Strasbourg, Bordeaux, Avignon, Douai et Lens. Fin 2016, Orange espère également avoir couvert la totalité du territoire français.

4- Sigfox n’est pas bidirectionnel, tandis que LoRa l’est, vrai ou faux ?

 Faux, les deux le sont dans la théorie ! Mais dans la pratique, la communication depuis l’antenne vers l’objet est beaucoup moins utilisée, pour Sigfox comme pour LoRa. LoRa a par contre une meilleure capacité de communication dans le sens « antenne vers 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.
Technologiquement, la communication bidirectionnelle est possible, mais pas en simultané (l’antenne ne peut par exemple pas simultanément émettre et recevoir).
bidirectionnel-reseau
La limitation de la communication bidirectionnelle (non simultanée) est par contre légale puisque l’ETSI (European Telecommunications Standards Institute) limite, sur la fréquence non licenciée de 868 MHz utilisée par LoRa et Sigfox, la durée selon laquelle une antenne peut émettre.
Une antenne ne peut ainsi pas émettre (donc utiliser le sens Dowlink de la communication) plus de 10% de son temps, ce qui réduit les possibilités de communication Downlink lorsque de nombreux objets sont en communication autour d’une antenne.
Pour plus d’information sur le sujet, Guillaume Crinon répond à cette question de la mobilité pour les réseaux LWPAN :

5- Les réseaux Sigfox ont une plus grande capacité que les réseaux LoRa, vrai ou faux ?

Vrai … même si la technologie LoRa permet une densification d’antennes permettant d’augmenter la capacité.
sigfox
Aujourd’hui, un canal de fréquence de 200 kHz est utilisé par Sigfox, pour des messages de 100 Hz  de largeur de bande. Cela correspond à 200 messages pouvant circuler en simultané depuis ou vers une station Sigfox (200 kHz x 100 Hz x 10% = 200, les 10% correspondant à la marge prise pour éviter les collisions). Les messages comportant 208 bits (sur 2.08s) et répétés trois fois, cela nous fait une capacité de 2,7 millions de messages par jour au maximum.
lora
La technologie LoRa utilise 8 canaux de fréquence de 125 kHz dans la plage de fréquence 867 – 868,5 MHz. La capacité totale d’un réseau LoRa se juge par une agrégation de capacités par débit. Etant donné que différents débits sont proposés (correspondant à autant de spreading-factors SF), on obtient 138 000 messages par jour à portée maximale et 3.3 millions messages par jour à portée minimale.
Donc selon l’application et la densité du réseau, on peut avoir une capacité moindre ou supérieure chez SIGFOX ou chez LoRa

6- Les signaux Sigfox et LoRa ne peuvent pas se parasiter, vrai ou faux ?

Faux ! Une bande de fréquence est partagée et peut entrainer des parasitages.
Les réseaux peuvent se parasiter sur la bande de fréquence partagée (868.1 MHz) lorsque les objets communicants sous Sigfox (respectivement LoRa) sont trop éloignés de l’antenne Sigfox (respectivement LoRa) et qu’un signal LoRa (respectivement Sigfox) s’intercale entre l’objet et l’antenne.

7- Sigfox supporte moins la mobilité que LoRa ne la supporte, vrai ou faux ?

Sous certaines conditions, vrai. Sigfox a des limitations sous certains cas, alors que la technologie LoRa est plus résistante à la mobilité.
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 (2.08s pour Sigfox, entre 1 et 1.5 pour LoRa). 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.
mobilité
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. Ce problème est plus important pour Sigfox pour qui la durée d’émission des messages est en moyenne plus longue que pour LoRa (2.08s versus 1-1.5s). Le mécanisme de correction d’erreur de LoRa aide également à gérer cette mobilité.

8- Une géolocalisation précise à 100m sans GPS est possible dans un réseau LoRa, vrai ou faux ?

Vrai : si un objet est « vu » par au moins 3 stations LoRaWAN, il peut être localisé avec une précision comprise entre 20 et 200m.
GPS-lora
La mesure de distance entre l’antenne et l’objet peut être pratiquée de deux manières :

  • En mesurant la force du signal reçu, et en la comparant à celle du signal émis, on peut en déduire une distance (dont l’imprécision dépend de la qualité et de la densité de l’air,…)
  • En mesurant le temps de propagation de l’onde radio entre l’objet et l’antenne, on peut déduire une distance plus précise du parcours d’onde (en supposant que ce parcours s’est effectué majoritairement en ligne droite. Les réseaux LoRa permettent de mesurer un temps de propagation à une précision de l’ordre de 200ns, ce qui correspond à une précision à 60m sur la distance. Lorsque le signal d’un objet est reçu par trois antennes, elles peuvent comparer les instants de réception pour en déduire une triangulation géographique sur la position de l’objet.
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6 commentaires

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  2. Bonjour,
    Je me permet d’apporter quelques précisions :
    Slide 4 :
    Vous confondez 2 notions : Bidirectionnalité et full Duplex
    LoRa est bien bidirectionnel, mais effectivement pas dans les 2 sens en même temps.(LoRa est donc half duplex)
    Slide 8:
    Une précision sémantique. Concernant la localisation avec LoRa, la méthode utilisée est la trilatération et pas la triangulation. C’est le principe du « Differential Times Of Arrival »
    Philippe COLA.
    Bouygues Telecom

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  6. Bonjour,
    Quelques remarques:
    Je ne suis pas expert du sujet mais il me semble que à la base, Lora est une technique de modulation contrairement à Sigfox qui désigne un réseau, c’est pas exactement comparable, même si les concepteurs de lora cherchent à en faire un réseau universel. Ici on compare plutôt une offre réseau iot bouygues utilisant le protocole lora et le réseau sigfox qui utilise son protocole)
    D’autre part, à vous lire, sigfox seraient supérieur au opérateurs 2G/3G/4G (moins cher portent plus loin…).
    Si ces affirmations telles que présentées sont bien sur exactes, concrètement cette offre ressemble plus à la technologie des pagers de l’époque pré GSM.
    Leur existence repose surtout sur le fait que les offres commerciales des opérateurs de téléphonie mobile ne correspondent pas aux besoins du marché le L’IOT:
    L’IOT nécessite avant tout un abonnement très bon marché (voire pas d’abonnement du tout, ou pour un groupe d’objets) & peu de data mais beaucoup d’appareils clients du réseau.
    Techniquement, le GSM déjà existant et ayant des capacité en débit largement supérieures à Sigfox + birirectionnalité conviendrait déjà à une large majorité d’applications IOT.
    Si au moins un opérateurs de téléphonie se réveille et comprends ce gigantesque marché, il suffit qu’il mette sur le marché des modem data 3G/4G specifiques, sans abonnement,aux perfs limitées mais facturé à l’octet transmis, alors sigfox n’aura plus beaucoup de raison d’être, et sera balayé comme l’ont été les pagers, hormis peut être dans les rares zones non couvertes par le GSM.
    Ce qui manque, c’est la possibilité de communiquer avec des objets ultra miniaturisés très faible énergie, ce qui peut se faire en ajoutant des puces RF bas débit dans les box internet pour recréer un réseau parallèle et avoir une couverture maximale même a l’intérieur des maisons, sous sols…
    Bouygues avec leur offre basée sur du Lora on une approche plus réaliste du besoin IOT.
    ressemble un peu plus a ce qui est nécessaire pour l’iot: un simple relais radio dans chaque box internet pour assurer une liaison low power fiable in home.

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