Réseaux LPWAN dans l’IoT : avantages et inconvénients

Le monde de l'Internet des objets est une arène où s'affrontent les forces du marché et de l’opinion publique. 

Les classements se multiplient, enjoignant à utiliser tel protocole ou telle pile de protocoles, décrétant quels produits connectés sont utiles (ou pas !) et qui va remporter chaque part de l’écosystème en plein essor de l'IoT. 

Or chacune de ces batailles est une décision à laquelle vous serez confronté(e) dans votre prochaine conception d'objet connecté. Voilà un sacré défi, pas vrai ?

Heureusement pour vous, je suis là pour vous aider à élaborer votre objet connecté. Pour ce faire, j’ai examiné le potentiel de l’un des grands gladiateurs de l'IoT : la liaison sans fil à faible consommation énergétique, ou Low Power Wide Area Network (LPWAN).

Alors, faut-il utiliser un réseau LPWAN dans votre prochaine conception ?

Qu’est-ce qu’un réseau LPWAN et quel rapport avec l’IoT ?

Les réseaux LPWAN sont un bouleversement par rapport aux réseaux Internet ou mobiles. 

Nous en avions parlé récemment, mais rappelons tout de même l'essentiel de cette application de l'IoT : 

Low Power : la faible consommation, un avantage pour l’IoT

Cet aspect est si important qu’il fait partie intégrante du nom du réseau. 

Comparé avec les réseaux cellulaires existant, le LPWAN est supposé réduire la consommation énergétique d'un système IoT. Pour se conformer aux bandes de fréquence ISM, les appareils ne produisent en général pas plus de 10 à 25 mW. 

Cela permet aux capteurs ou aux dispositifs de fonctionner à distance pendant de longues périodes (idéalement, plusieurs années) sans nécessiter de nouvelles batteries. 

Wide Area : une large couverture

Les réseaux LPWAN peuvent couvrir de quelques kilomètres en milieu urbain à 15-30 km dans les zones rurales, où les interférences sont plus faibles. Ils ont une couverture beaucoup plus large que les systèmes à courte et moyenne portée comme le Bluetooth ou Wifi.

Une faible bande passante

Dans la mesure où la plupart des périphériques IoT transmettent peu de données, une faible bande passante permet de réduire le coût du système. 

Les réseaux LPWAN sont destinés aux applications qui n'envoient que quelques brefs messages par heure plutôt qu'aux applications riches en données comme le streaming.

Un coût réduit

La plupart des réseaux LPWAN fonctionnent sur un modèle d’abonnement, ce qui permet de proposer un hardware bon marché (les puces radio), complété par une cotisation annuelle pour chaque appareil connecté au réseau. 

Pour réduire encore les coûts, beaucoup utilisent le spectre sans licence des bandes ISM (par ex., 868 MHz en Europe et 915 MHz aux États-Unis).

Qui utilise un réseau LPWAN ?

Les applications grand public sur LPWAN sont encore embryonnaires et peu utilisées. Cependant, SigFox gagne du terrain en Europe, et des rapports d'IoT Central indiquent une augmentation de 6 % de l'adoption par rapport à l’an dernier. Les applications actuelles sont le plus souvent industrielles et se tournent progressivement vers les « villes intelligentes », où les services publics offrent de nouveaux débouchés.

Quelles sont les options de réseau LPWAN ?

Comme souvent dans l’IoT, il existe de nombreux concurrents sur lesquels les avis divergent fortement. 

Le choc des titans des réseaux LPWAN dans l’IoT

Les poids lourds du LPWAN sont LoRa et SigFox. Cependant, quelques outsiders sont dignes d'attention, comme Ingenue et Weightless. Pour commencer,  découvrons les inconvénients et les avantages des réseau LPWAN proposés par les leaders. 

Les réseaux LPWAN LoRa

LoRa s'est développé en Europe, où quelques zones de couverture ont déjà été déployées. LoRa nécessite l’utilisation de puces radio de Semtech et ne constitue donc pas une norme ouverte.

Les avantages :

• Un large soutien au sein du secteur et de divers partenaires : Cisco, IBM Microchip Technology, KPN, IMST et bien d'autres.
• Une bande passante relativement intéressante (avec le LPWAN, peu de chances de regarder des vidéos sur YouTube)
• Sécurité : Authentification et cryptage AES CCM (128 bits)

Inconvénients :

• Norme fermée
• Obligation de recourir à des vendeurs approuvés par Semtech
• Réseaux privés difficile (voire impossible) sur LoRa
• Fonctionnement délicat des protocoles de validation et de reconnaissance ; taux d'erreur élevé
• Faible capacité en liaison descendante

Le LPWAN avec SigFox

Notre autre acteur majeur est également déjà déployé. SigFox peut lui aussi compter sur le soutien de partenaires importants du secteur, tels que Texas Instruments, Silicon Labs et Axom.

Avantages :

• SigFox s'est largement déployé en Europe et à San Francisco
• Il n'y a aucun circuit de réception, la puissance requise est donc moindre
• La longue portée, obtenue aux dépens d'une modulation plus lente, rend SigFox idéal pour des applications de mesure simples

Inconvénients :

• Norme fermée
• L’architecture américaine est différente de celle qui a été déployée en Europe, en raison de la longueur de transmission imposée par la Commission fédérale des communications aux États-Unis. Dès lors, les tests ne sont pas aussi fiables.
• Sécurité minimale (cryptage 16 bits)
• Aucune communication descendante
• Risque plus élevé d'interférences sur la fréquence radio

Ingenu, le LPWAN solide

La solution d'Ingenu a été plus lente à arriver sur le marché que celles de SigFox ou LoRa, car l'entreprise a consacré beaucoup de temps à développer une technologie LPWAN solide et complète.

Ingenu est un membre fondateur du groupe de travail iEEE 802.15.4k, qui œuvre à la surveillance d’infrastructures à faible consommation énergétique : l'entreprise travaille donc sur des bases solides.

Les avantages :

• Développement d'une architecture aux capacités de liaison montantes et descendantes supérieures à d'autres LPWAN
• Budget de connexion plus élevé que LoRa ou SigFox, qui se traduit par une couverture plus étendue et plus stable
• Compatibilité internationale avec un fonctionnement à 2,4 GHz

Inconvénients :

• Interférence accrue avec le WiFi, le Bluetooth et les bâtiments en fonctionnant à 2,4 GHz
• Durée de vie de la batterie raccourcie en raison de la puissance de traitement plus élevée

Weightless

Weightless est un autre LPWAN en dessous d'1 GHz, qui fonctionne sans licence. 

J'ai un penchant pour ce dernier car c’est le seul à norme ouverte dans cet espace, et son large potentiel ouvre de nouvelles perspectives en matière d'applications. Il y a trois normes, N, W et P. Vous pouvez comparer les coûts, la vitesse et les nombreuses fonctionnalités afin de choisir la meilleure norme pour votre système.

Les avantages :

• Des options pour les réseaux de capteurs à basse vitesse (N) et pour les réseaux privés à vitesse adaptative (P)
• Capacité de liaison montante et descendante (P, W)
• Portée correcte en milieu urbain (au-delà de 2 à 5 km)
• Coexiste avec d’autres technologies de RF avec une interférence minimale grâce à la démodulation avancée

Inconvénients :

• Weightless W nécessite d'accéder à l'espace vide du spectre TV
• La durée de vie de la batterie est comprise entre 2 et 10 ans selon la norme utilisée

Outsiders : les autres alternatives

Il existe d'autres alternatives. 

Malheureusement, elles doivent encore faire leurs preuves. Mentionnons notamment LTE-M, IEEE P802.11AH (une alternative wifi à faible consommation) et Dash7. 

Pour déployer votre appareil dans l'IoT, vous avez besoin d’un LPWAN facilement accessible, ce qui limite vos possibilités... pour l'instant ! Il faudra certainement surveiller ces candidats de très près.

Puis-je utiliser un réseau LPWAN ?

À l'instar des autres protocoles de communication de l’IoT, le LPWAN n’est pas une solution qui convient à tout le monde. Cependant, une alternative existe si le LPWAN ne vous convient pas du tout. 

Commencez par examiner la couverture réseau là où vous souhaitez déployer vos systèmes. S’il n’y a pas de réseau, concevoir pour le LPWAN revient à parier sur un coureur hors compétition.

Choisir le bon fournisseur de LPWAN pour l’IoT

Les candidats ne manquent pas, mais assurez-vous d'en choisir un qui présente les avantages du réseau LPWAN que vous souhaitez vous déployer.

Puisque l'on attend encore de voir quels protocoles seront largement appréciés, accessibles et pris en charge, vous feriez probablement mieux d'opter pour une solution qui a fait ses preuves. 

Ceci dit, ne perdez surtout pas de vue le LPWAN. Si vous espérez offrir une compatibilité sur le long terme à vos appareils IoT, il faudra rester vigilant.

Si vous avez terminé vos recherches et que vous êtes prêt(e) à commencer à concevoir vos objets connectés, assurez-vous de planifier vos composants et vos exigences sur le long terme. Un logiciel consacré aux circuits imprimés comme Altium Vault vous facilitera la tâche, et vous aidera à gérer les différentes versions lorsque vous serez prêt(e) à intégrer un hardware avec de nouvelles options réseau. N'hésitez pas à contacter un représentant Altium pour commencer dès aujourd'hui !