Qu'est-ce que le LPWAN? Une introduction à la technologie de réseau étendu à faible consommation

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qu'est-ce que le LPWAN

Aujourd'hui, les progrès remarquables des technologies IoT ont fait des connexions autrefois impossibles entre les individus et les appareils une réalité. Le LPWAN est devenu un sujet brûlant dans le monde de l'IoT, proposer des solutions auparavant inaccessibles. Pour les courtes portées, nous avons eu des choses comme Wifi, Bluetooth, Zigbee et d'autres. Et pour les longues distances, il y avait 2G, 3g, 4Réseaux cellulaires G et autres.

Mais si vous examinez ces technologies sans fil en fonction de leurs besoins en énergie et de leur portée, vous remarqueriez qu'il y avait un écart pour la faible consommation, options à longue portée. C’est le créneau dans lequel la technologie LPWAN s’intègre parfaitement. Il remplit cette courte durée de vie de la batterie, un vide à distance qui manquait dans la gamme d'options de communication sans fil que nous avions auparavant.

Qu'est-ce que le LPWAN

LPWAN, ou réseau étendu à faible consommation (parfois aussi appelé LPWA) est un terme relativement nouveau qui n'est pas une norme ou une technologie unique. Au lieu, il s'agit plutôt d'un terme général qui inclut divers protocoles propriétaires et open source. Essentiellement, LPWAN fait référence à une famille de réseaux sans fil conçus pour les réseaux à faible consommation, communication longue portée entre appareils.

La distance de communication des technologies LPWAN va de quelques kilomètres en zone urbaine à 10 plus de kilomètres dans les zones rurales. Cela signifie essentiellement une communication visant à devenir plus efficace et plus rentable. – c'est à dire. nous sommes en mesure de maximiser la portée avec moins de consommation d'énergie. On suppose que dans un avenir proche, Le LPWAN englobera des applications plus larges d'une manière beaucoup plus innovante.

Topologie et architecture dans les technologies LPWAN

De la structure topologique, Les LPWAN peuvent être divisés en deux grandes catégories: étoile et maille. À cet égard, les technologies cellulaires sont généralement universelles à cet égard et soutiennent la mobilité. Les topologies en étoile ou étoile à étoile sont préférées pour les LPWAN aux réseaux maillés en raison de leur rentabilité.

Au cœur du LPWAN, les autres composants d'une architecture simple de LPWAN incluent la connectivité sans fil, l'Internet, et cloud. La station de base/passerelle collecte les données de nombreux nœuds finaux distribués à distance et répond aux entrées du LPWAN.. La station de base/passerelle est le périphérique frontalier qui reçoit et démodule ces données et les envoie via une liaison de liaison TCP/IP standard comme Ethernet., réseau cellulaire, etc., vers un serveur back-end.

Pour les services LPWAN publics, les données sont ensuite transmises sur les serveurs de l’opérateur réseau avant d’être envoyées à l’application de l’utilisateur final. Dans les LPWAN gérés en privé, les données peuvent être acheminées directement vers le back-end prédéfini de l’utilisateur final. Cela garantit que les données du périphérique LPWAN sont privées et sécurisées..

Normes LPWAN: LPWA cellulaire et LPWA non cellulaire

Avant de se plonger dans les technologies LPWAN, il est crucial de comprendre les principales catégories auxquelles ils appartiennent. Les LPWAN peuvent être globalement classés en deux groupes: ceux qui opèrent dans des bandes de fréquences sans licence (comme LoRa et SigFox), et technologies cellulaires fonctionnant dans les bandes de fréquences sous licence et adhérant aux normes 3GPP (tels que LTE-M et NB-IoT). Au dessous de, nous explorerons quelques options technologiques LPWAN activement déployées.

LPWAN cellulaire (Spectre sous licence)

Les LPWAN cellulaires nécessitent l'autorisation des organismes gouvernementaux ou réglementaires et s'appuient généralement sur les opérateurs de réseau existants.’ Infrastructure. toutefois, ils nécessitent une connexion fiable entre l'appareil et la station de base, il est donc plus adapté aux zones densément peuplées comme les centres urbains, zones résidentielles, et parcs industriels. Les normes cellulaires LPWAN incluent EC-GSM-IoT, Chat LTE. M1 (LTE-M) et NB-IoT, fonctionnant dans le spectre LTE (700MHz-3,5 GHz).

EC-GSM-IoT

EC-GSM-IoT ou Extended Coverage GSM IoT a été initialement introduit par 3GPP dans Release 13. Il s'agit d'une technologie cellulaire LPWAN basée sur eGPRS, visant à tirer parti des réseaux et infrastructures mobiles existants (principalement 2G/GSM) pour établir des communications IoT à distance. Il utilise un spectre sous licence pour fournir des communications fiables et sécurisées. Par rapport aux autres technologies cellulaires, Le GSM offre une couverture plus large. Sa version améliorée, eGPRS/EDGE, conserve cet avantage tout en prenant en charge des débits de données plus élevés.

IoT à bande étroite (NB-IoT)

NB-IoT (Internet des objets à bande étroite) est une norme de technologie radio LPWAN développée par 3GPP pour connecter des appareils IoT. En tant que technologie CIoT 3GPP, NB-IoT définit plus en détail l'interface sans fil pour la communication IoT par rapport à EC-GSM-IoT et LTE-M. Opérant dans les bandes de spectre autorisées, il utilise une bande passante étroite d'environ 180 kHz. NB-IoT a été standardisé grâce à la collaboration entre 3GPP et les principaux fournisseurs d'équipements de télécommunications comme Nokia, Huawei, et Ericsson.

Standardisation 3MPE
Couverture Urbain (1km), rural (10km)
Bande passante 200 KHz
La fréquence Bandes LTE sous licence

LTE-M

LTE-M (LTE-machine à machine), également connu sous le nom d'eMTC (Communication améliorée entre les machines), est une autre technologie 3GPP LPWAN IoT dérivée du LTE. Il prend en charge des débits de données et une mobilité plus élevés (Jusqu'à 350 km/h) par rapport au NB-IoT. LTE-M fonctionne dans un spectre sous licence, coexister avec la 2G, 3g, 4g, et réseaux cellulaires 5G.

LTE-M était initialement appelé MTC Low-Cost dans la version 3GPP 12 puis renommé eMTC dans la version 13. Les améliorations apportées aux versions 3GPP ont étendu les capacités du LTE-M. Sorties 14 et 15 prise en charge activée pour des niveaux de couverture améliorés avec la mobilité. Libérer 14 ajout de VoLTE (Voix sur LTE) aptitude. Libérer 15 construit sur ceux-ci avec de nouveaux cas d'utilisation pour les appareils IoT à plus grande mobilité. Libérer 16 a poursuivi l'évolution avec des améliorations pour la coexistence avec la 5G New Radio (NR).

Standardisation 3MPE
Intervalle 1-10 km
Bande passante 1.4 MHz
La fréquence Bandes LTE sous licence

LPWAN non cellulaire (Spectre sans licence)

Les LPWAN non cellulaires fonctionnent dans des bandes de fréquences ISM sans licence et ne dépendent pas de l'infrastructure de l'opérateur réseau.. Les appareils transmettent des données directement ou via des passerelles vers des serveurs d'applications/réseau. En plus de LoRa, d'autres LPWAN non cellulaires incluent Sigfox, En apesanteur, RPMA, Lien Symphonie, et Wize, TIRET7, etc. utilisant la bande de fréquences sub-GHz avec des vitesses de communication allant de ~100bps à 250kbps et des distances de 2km à 100km. Les LPWAN non cellulaires sont généralement déployés dans des zones reculées avec une couverture cellulaire limitée, régions montagneuses, îles, et pour les implémentations de réseaux d'entreprise dédiés.

LoRa/LoRaWAN

LoRa est la spécification PHY de la pile de protocoles, faisant spécifiquement référence à la modulation exclusive Chirp Spread Spectrum développée par Semtech. le LoRaWAN la norme définit le protocole de la couche MAC et l'architecture du système fonctionnant au-dessus de la couche LoRa PHY, maintenu par la LoRa Alliance, qui connaît une croissance rapide avec près de 500 sociétés membres dans le monde.

LoRa est principalement destiné à la communication en liaison montante depuis plusieurs appareils finaux vers des passerelles, utiliser des messages codés sur différents canaux et débits de données pour réduire les collisions et augmenter la capacité de la passerelle. Il est bien adapté aux applications nécessitant de petites charges utiles de données et des communications peu fréquentes dans les zones urbaines et rurales/éloignées.. Une seule passerelle LoRaWAN peut gérer les connexions de nombreux nœuds et appareils finaux.

Standardisation Alliance LoRa
Intervalle Urbain (5km), rural (15km)
Bande passante 125 KHz et 250 KHz
La fréquence 169 MHz, 433 MHz (Asie), 868 MHz (L'Europe ) et 915 MHz (Amérique du Nord)

Sigfox

Sigfox est l'une des technologies LPWAN non 3GPP qui a été largement adoptée.. Il s'agit d'une technologie LPWAN propriétaire, du nom de la société Sigfox qui l'a introduite pour la première fois.. Il utilise une radio à bande ultra-étroite pour atteindre une portée ultra-longue, connectivité IoT sans fil basse consommation.

toutefois, La bande passante étroite de Sigfox limite considérablement la capacité de liaison descendante à transmettre des données aux appareils. Et la bande ultra-étroite peut entraîner des problèmes d'interférences potentiels.. Malgré ces limites, Sigfox reste un acteur LPWAN de premier plan et a gagné du terrain en Europe.

Standardisation Normalisé en collaboration avec l'ETSI
Intervalle Urbain (10km), rural (40km)
Bande passante 100 Hz
La fréquence 862 à 928 MHz

En apesanteur

Le groupe d’intérêt spécial en apesanteur ( SIG en apesanteur) a été établi en 2008, visant à standardiser la technologie LPWAN. Les membres du groupe promoteur comprennent Accenture, M2COMM, BRAS, Son téléphone, et Sony Europe.

Weightless se compose de trois variantes adaptées à différents scénarios d'application: En apesanteur-W, En apesanteur-N, et en apesanteur-P. Weightless-W opère dans l’espace blanc du téléviseur (TVWS) bande et a un déploiement plus complexe. Weightless-N est similaire à Sigfox, étant un protocole à bande étroite fonctionnant dans la bande sans licence inférieure au GHz, utilisé par NWave. Global, Weightless-N et Weightless-P ont reçu plus d'attention et de déploiement par rapport à Weightless-W.

Lien Symphonie

Symphony Link est un protocole LPWAN développé par Link Labs, une entreprise membre de LoRa Alliance. Alors que Link Labs utilise les chipsets de couche physique LoRa de Semtech, ils ont implémenté leur propre pile logicielle de couche MAC personnalisée appelée Symphony Link, au lieu d'utiliser la spécification ouverte LoRaWAN.

Par rapport à la norme LoRaWAN, les principales différences dans Symphony Link résident dans certaines capacités réseau améliorées, telles qu'une livraison fiable des messages et une expansion dynamique du réseau par l'ajout de passerelles..

Applications des technologies LPWAN

LPWAN est le gagnant en termes de portée et de consommation électrique. L'utilisation du LPWAN permet de collecter des données à partir de capteurs à distance et de les suivre sur de longues distances.. Dans cette section, nous explorerons certains de ses cas d'utilisation pratiques.

Comptage intelligent de gaz et d’eau

Les systèmes automatisés de relevé de compteurs utilisent des LPWAN pour la collecte sans fil à distance des données de consommation des services publics, y compris l'électricité., gaz, et de l'eau. Il est révolu le temps où les opérateurs devaient vérifier et enregistrer les données manuellement. Les utilisateurs peuvent également obtenir une visibilité sur la quantité de données de consommation qu'ils utilisent quotidiennement..

Bâtiments intelligents

À l'intérieur des bâtiments, Les LPWAN sont utilisés dans les secteurs résidentiels, commercial, et installations industrielles pour les rendre plus intelligentes. Paramètres à domicile, appareils domestiques intelligents comme les serrures intelligentes, Systèmes CVC, et l'éclairage peut être intégré et géré de manière centralisée via LPWAN. Dans les immeubles de bureaux et commerciaux, LPWAN permet de centraliser la surveillance de l'occupation de l'espace et des systèmes de sécurité comme les capteurs de porte.

Gestion intelligente des déchets

La gestion intelligente des déchets est de plus en plus utilisée dans les initiatives de villes intelligentes. Des capteurs installés dans les poubelles peuvent surveiller les niveaux de remplissage, transmettre des données via LPWAN au système central. Lorsque les niveaux de remplissage prédéterminés sont atteints, des alertes sont générées pour une collecte et une élimination en temps opportun. de plus, il est possible d'acquérir des informations de localisation sur les camions poubelles en en équipant des trackers LPWAN.

Stationnement intelligent

Dans les systèmes de stationnement intelligents, La technologie LPWAN permet la surveillance et la gestion en temps réel de l'occupation des places de stationnement. Les capteurs installés dans les emplacements de stationnement peuvent détecter avec précision l’état d’occupation. Les utilisateurs peuvent vérifier le stationnement disponible via une application mobile et payer le stationnement à distance.

Agriculture intelligente

Les LPWAN s’étendent aux systèmes agricoles intelligents. Les agriculteurs peuvent installer divers capteurs (humidité solide, Température, humidité, lumière, etc.) dans les champs. Ils peuvent ensuite collecter des données à distance à partir de ces capteurs en utilisant LoRaWAN ou d'autres LPWAN comme NB-IoT..

Comparaison populaire entre LPWAN sous licence et sans licence

Compte tenu des nombreuses technologies LPWAN disponibles, une sélection judicieuse est cruciale. Selon IoT Analytics’ estimations d'études de marché, par 2024, plus de 97% des systèmes LPWAN seront déployés en LTE-M, NB-IoT, Sigfox, ou technologies LoRa. Par conséquent, nous comparerons le haut 4 Technologies LPWAN: NB-IoT, LTE-M, Sigfox, et LoRa.

Un tableau comparatif de NB-IoT vs LTE-M vs LoRaWAN vs Sigfox

LTE-M NB-IoT LoRaWAN Sigfox
Autorité des spécifications 3MPE 3MPE Alliance LoRa Propriétaire
Bande de fréquence Bandes LTE sous licence Bandes LTE sous licence Bandes ISM sans licence Bandes ISM sans licence
Portée maximale Environ. 10 km Environ. 10 km Environ. 15 km Environ. 40 km
Consommation d'énergie Faible Faible Faible Extrêmement bas
Débit 200kbps 1Mbit/s 50kbps 600bps
Durée de vie de la batterie de l'appareil 10+ années 10+ années 15+ années 15+ années
Communications bidirectionnelles Oui Oui Oui Oui
Sécurité 3MPE(128-256 bit) 3MPE(128-256 bit) AES 128 bit AES 128 bit
Localisation Oui Oui Oui (TDOA) Oui (RSSI)
Coût Modéré Modéré Faible Faible

Faire le bon choix LPWAN

NB-IoT est une technologie LPWAN 3GPP qui exploite les réseaux LTE/GSM existants pour fournir une connectivité à faible bande passante pour les appareils IoT.. Il améliore la consommation d'énergie de l'appareil, capacité du système, efficacité du spectre et performances de couverture profonde, adapté à l'industriel, automatisation des bâtiments, ville intelligente, cas d'utilisation de l'IoT pour la surveillance de la santé et la réponse aux catastrophes.

LTE-M cible des applications similaires à celles du NB-IoT, mais avec une bande passante plus élevée pour permettre des débits de données plus élevés et une sécurité plus stricte., mais à des niveaux de consommation d'énergie plus élevés. Il convient aux applications nécessitant un débit plus élevé, comme la surveillance vidéo, où les contraintes de puissance sont moins strictes..

Sigfox et LoRaWAN sont des technologies non-3GPP fonctionnant dans un spectre sans licence. Leurs bandes passantes étroites permettent un fonctionnement à très faible consommation pour des transmissions peu fréquentes de petites charges utiles à partir de points finaux nécessitant une autonomie de batterie de plusieurs années., mais avec de faibles contraintes de débit de données. Sigfox donne la priorité à une faible consommation et à un déploiement simple, mais manque de liaison descendante pour les mises à jour du micrologiciel. LoRaWAN prend en charge la gestion bidirectionnelle des appareils à faible coût. Les deux peuvent servir une agriculture intelligente, suivi des actifs et scénarios de surveillance IoT à faible débit associés.

Le LPWAN est l'avenir

En tant que nouvelle technologie en évolution rapide, le paysage LPWAN est en cours de développement et n’est pas encore arrivé à maturité. Avec de nombreux acteurs du marché, les gagnants n'ont pas été clairement établis, surtout compte tenu du rythme incertain de l’expansion du marché. Les performances à long terme de chaque variante LPWAN restent également incertaines, car beaucoup en sont encore aux phases initiales de déploiement et manquent de, tests réels à grande échelle.

En réalité, une étude d'ABI Research indique une augmentation prévue de l'adoption des appareils IoT, avec une estimation 5.3 milliard Les appareils IoT devraient exploiter les technologies LPWAN d’ici 2030. Il est encourageant de constater que le LPWAN est le domaine de connectivité qui connaît la croissance la plus rapide du marché.. Cette croissance est motivée par la demande de cas d'utilisation tels que la surveillance à distance., qui nécessitent des transmissions de données peu fréquentes et un fonctionnement alimenté par batterie, caractéristiques pour lesquelles les technologies LPWAN sont particulièrement bien adaptées.

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Écrit par --
Nick Il
Nick Il
pseudo, un chef de projet chevronné dans notre R&Département D, apporte une richesse d'expérience à MOKOSMART, ayant auparavant occupé le poste d'ingénieur de projet chez BYD. Son expertise en R&D apporte une compétence complète à sa gestion de projet IoT. Avec une solide expérience couvrant 6 années en gestion de projet et obtenez des certifications comme PMP et CSPM-2, Nick excelle dans la coordination des efforts de vente, ingénierie, essai, et équipes marketing. Les projets d'appareils IoT auxquels il a participé incluent Beacons, Appareils LoRa, passerelles, et prises intelligentes.
Nick Il
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pseudo, un chef de projet chevronné dans notre R&Département D, apporte une richesse d'expérience à MOKOSMART, ayant auparavant occupé le poste d'ingénieur de projet chez BYD. Son expertise en R&D apporte une compétence complète à sa gestion de projet IoT. Avec une solide expérience couvrant 6 années en gestion de projet et obtenez des certifications comme PMP et CSPM-2, Nick excelle dans la coordination des efforts de vente, ingénierie, essai, et équipes marketing. Les projets d'appareils IoT auxquels il a participé incluent Beacons, Appareils LoRa, passerelles, et prises intelligentes.
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