Qu'est-ce que le LPWAN ? Introduction à la technologie des réseaux étendus basse consommation

Aujourd'hui, les avancées remarquables des technologies IoT ont rendu possible des connexions autrefois impossibles entre les individus et les appareils. Le LPWAN est devenu un sujet brûlant dans le monde de l'IoT, offrant des solutions jusqu'alors inaccessibles. Pour les courtes portées, nous disposions de solutions telles que Wifi, Bluetooth, Zigbee et d'autres. Et pour les distances plus longues, il y avait les réseaux cellulaires 2G, 3G, 4G, etc.

Mais si l'on examine ces technologies sans fil en fonction de leurs besoins énergétiques et de leur portée, on constate un manque d'options à faible consommation et longue portée. C'est précisément dans ce créneau que s'inscrit la technologie LPWAN. Elle comble ce manque d'autonomie et de portée qui manquait à la gamme de communications sans fil que nous proposions auparavant.

Qu'est-ce que le LPWAN

LPWAN, ou Low Power Wide Area Network (parfois aussi appelé LPWA), est un terme relativement récent qui ne constitue ni une norme ni une technologie unique. Il s'agit plutôt d'un terme général qui englobe divers protocoles propriétaires et open source. En substance, LPWAN désigne une famille de réseaux sans fil conçus pour la communication longue portée et à faible consommation entre appareils.

La distance de communication des technologies LPWAN varie de quelques kilomètres en zone urbaine à 10 kilomètres supplémentaires en zone rurale. Cela signifie que la communication devient plus efficace et plus rentable, c'est-à-dire que nous pouvons maximiser la portée avec une consommation énergétique réduite. On s'attend à ce que, dans un avenir proche, le LPWAN soit utilisé à plus grande échelle et de manière beaucoup plus innovante.

Topologie et architecture des technologies LPWAN

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

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

Pour les services LPWAN publics, les données sont ensuite transmises via les serveurs de l'opérateur réseau avant d'être envoyées à l'application de l'utilisateur final. Dans les LPWAN gérés en mode privé, les données peuvent être acheminées directement vers le back-end prédéfini de l'utilisateur final. Cela garantit la confidentialité et la sécurité des données du périphérique LPWAN.

Normes LPWAN : LPWA cellulaire et LPWA non cellulaire

Avant d'aborder les technologies LPWAN, il est essentiel de comprendre leurs principales catégories. Les LPWAN peuvent être classés en deux grandes catégories : ceux fonctionnant sur des bandes de fréquences non autorisées (comme LoRa et SigFox) et les technologies cellulaires fonctionnant sur des bandes de fréquences autorisées et conformes aux normes 3GPP (comme LTE-M et NB-IoT). Nous allons explorer ci-dessous quelques options technologiques LPWAN actuellement déployées.

LPWAN cellulaire (spectre sous licence)

Les réseaux LPWAN cellulaires nécessitent une autorisation gouvernementale ou réglementaire et s'appuient généralement sur l'infrastructure des opérateurs de réseau existants. Cependant, ils nécessitent une connexion fiable entre l'appareil et la station de base, ce qui les rend plus adaptés aux zones densément peuplées comme les centres urbains, les zones résidentielles et les parcs industriels. Les normes LPWAN cellulaires incluent EC-GSM-IoT, LTE Cat. M1 (LTE-M) et NB-IoT, fonctionnant dans le spectre LTE (700 MHz-3.5 GHz).

EC-GSM-IoT

EC-GSM-IoT (ou GSM IoT à couverture étendue) a été initialement introduit par le 3GPP dans sa version 13. Il s'agit d'une technologie LPWAN cellulaire basée sur l'eGPRS, visant à exploiter les réseaux et infrastructures mobiles existants (principalement 2G/GSM) pour établir des communications IoT à distance. Elle utilise un spectre sous licence pour assurer des communications fiables et sécurisées. Comparé aux autres technologies cellulaires, le GSM offre une couverture plus étendue. Sa version améliorée, l'eGPRS/EDGE, conserve cet avantage tout en prenant en charge des débits de données plus élevés.

IoT à bande étroite (NB-IoT)

NB-IdO (Narrowband Internet of Things) est une norme radio LPWAN développée par le 3GPP pour connecter des appareils IoT. En tant que technologie CIoT 3GPP, le NB-IoT définit plus précisément l'interface sans fil pour la communication IoT par rapport aux technologies EC-GSM-IoT et LTE-M. Fonctionnant dans des bandes de fréquences sous licence, il utilise une bande passante étroite d'environ 180 kHz. Le NB-IoT a été normalisé grâce à la collaboration entre le 3GPP et des fournisseurs d'équipements de télécommunications de premier plan comme Nokia, Huawei et Ericsson.

LTE-M

La technologie LTE-M (LTE-Machine-to-Machine), également appelée eMTC (Enhanced Machine-Type Communication), est une autre technologie IoT LPWAN 3GPP dérivée de la LTE. Elle offre des débits de données et une mobilité plus élevés (jusqu'à 350 km/h) que la technologie NB-IoT. La LTE-M fonctionne sur un spectre sous licence et coexiste avec les réseaux cellulaires 2G, 3G, 4G et 5G.

La LTE-M était initialement appelée « MTC à faible coût » dans la version 3 du 12GPP, puis renommée eMTC dans la version 13. Les améliorations apportées aux versions 3 et 14 du 15GPP ont étendu les capacités de la LTE-M. Les versions 14 et 15 ont permis la prise en charge de niveaux de couverture améliorés avec mobilité. La version 16 a ajouté la fonctionnalité VoLTE (Voix sur LTE). La version 5 a développé ces fonctionnalités avec de nouveaux cas d'utilisation pour les appareils IoT à plus forte mobilité. La version XNUMX a poursuivi l'évolution avec des améliorations pour la coexistence avec la XNUMXG New Radio (NR).

LPWAN non cellulaire (spectre sans licence)

Les LPWAN non cellulaires fonctionnent sur des bandes de fréquences ISM sans licence et ne dépendent pas de l'infrastructure d'un opérateur réseau. Les appareils transmettent les données directement ou via des passerelles aux serveurs d'applications/réseaux. Outre LoRa, d'autres LPWAN non cellulaires, tels que Sigfox, Weightless, RPMA, Symphony Link, Wize et DASH7, utilisent la bande de fréquences sub-GHz avec des débits de communication allant d'environ 100 bps à 250 kbps et des distances de 2 à 100 km. Les LPWAN non cellulaires sont généralement déployés dans les zones reculées à couverture cellulaire limitée, les régions montagneuses, les 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 propriétaire Chirp Spread Spectrum développée par Semtech. LoRaWAN La norme définit le protocole de la couche MAC et l'architecture du système fonctionnant au-dessus de la couche PHY LoRa, maintenue par la LoRa Alliance, qui connaît une croissance rapide avec près de 500 entreprises membres dans le monde.

LoRa est principalement destiné à la communication montante entre plusieurs terminaux et passerelles. Il utilise des messages codés sur différents canaux et débits de données pour réduire les collisions et augmenter la capacité des passerelles. Il est particulièrement adapté aux applications nécessitant de faibles volumes de données et des communications peu fréquentes, aussi bien en zones urbaines que rurales ou isolées. Une seule passerelle LoRaWAN peut gérer les connexions de nombreux nœuds et terminaux.

SIGFOX

Sigfox est l'une des technologies LPWAN non 3GPP les plus largement adoptées. Cette technologie LPWAN propriétaire doit son nom à la société Sigfox qui l'a introduite. Elle utilise la radio à bande ultra-étroite pour offrir une connectivité IoT sans fil à très longue portée et à faible consommation.

Cependant, la bande passante étroite de Sigfox limite considérablement la capacité de transmission de données vers les appareils en liaison descendante. De plus, cette bande ultra-étroite peut entraîner des problèmes d'interférences. Malgré ces limitations, Sigfox reste un acteur majeur du LPWAN et a connu un succès croissant en Europe.

en état d'apesanteur

Le groupe d'intérêt spécial Weightless (Weightless SIG) a été créé en 2008 dans le but de normaliser la technologie LPWAN. Parmi ses membres figurent Accenture, M2COMM, ARM, Telensa et Sony Europe.

Weightless se décline en trois variantes adaptées à différents scénarios d'application : Weightless-W, Weightless-N et Weightless-P. Weightless-W fonctionne dans la bande des espaces blancs TV (TVWS) et son déploiement est plus complexe. Weightless-N est similaire à Sigfox : il s'agit d'un protocole à bande étroite fonctionnant dans la bande non autorisée sub-GHz, utilisée par NWave. Globalement, Weightless-N et Weightless-P ont bénéficié d'une attention et d'un déploiement plus importants que Weightless-W.

Lien symphonique

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

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

Applications des technologies LPWAN

Le LPWAN est le meilleur choix en termes de portée et de consommation d'énergie. Son utilisation permet de collecter des données à distance à partir de capteurs et d'effectuer un suivi sur de longues distances. Dans cette section, nous explorerons quelques cas d'utilisation pratiques.

Comptage intelligent du gaz et de l'eau

Les systèmes de relevé automatique de compteurs utilisent des réseaux LPWAN pour collecter à distance, sans fil, les données de consommation des services publics, notamment d'électricité, de gaz et d'eau. Finie l'époque où les opérateurs vérifiaient et enregistraient manuellement les données. Les utilisateurs peuvent également visualiser la quantité de données de consommation qu'ils utilisent quotidiennement.

Bâtiments intelligents

À l'intérieur des bâtiments, les réseaux LPWAN sont utilisés dans les installations résidentielles, commerciales et industrielles pour les rendre plus intelligentes. À domicile, les appareils domestiques intelligents tels que les serrures connectées, les systèmes CVC et l'éclairage peuvent être intégrés et gérés de manière centralisée grâce au LPWAN. Dans les immeubles de bureaux et commerciaux, le LPWAN permet de centraliser la surveillance de l'occupation des espaces et les systèmes de sécurité tels que 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 surveillent les niveaux de remplissage et transmettent les données au système central via LPWAN. Lorsque des niveaux de remplissage prédéterminés sont atteints, des alertes sont générées pour une collecte et une élimination rapides. De plus, il est possible d'obtenir des informations de localisation sur les camions à ordures en les équipant de balises LPWAN.

Parking Intelligent

Dans les systèmes de stationnement intelligent, la technologie LPWAN permet de surveiller et de gérer en temps réel l'occupation des places de stationnement. Des capteurs installés dans les emplacements de stationnement détectent précisément leur occupation. Les utilisateurs peuvent consulter les places disponibles via une application mobile et payer leur stationnement à distance.

Agriculture intelligente

Les réseaux LPWAN se développent dans les systèmes d'agriculture intelligente. Les agriculteurs peuvent installer divers capteurs (humidité du sol, température, humidité, luminosité, etc.) dans leurs champs. Ils peuvent ensuite collecter des données à distance grâce à ces capteurs grâce au LoRaWAN ou à d'autres réseaux LPWAN comme le NB-IoT.

Comparaison populaire entre les réseaux LPWAN sous licence et sans licence

Compte tenu de la multitude de technologies LPWAN disponibles, une sélection judicieuse est cruciale. Selon les estimations d'une étude de marché d'IoT Analytics, d'ici 2024, 97 % Des systèmes LPWAN seront déployés à l'aide des technologies LTE-M, NB-IoT, Sigfox ou LoRa. Nous allons donc comparer les quatre principales technologies LPWAN : NB-IoT, LTE-M, Sigfox et LoRa.

Tableau comparatif des technologies NB-IoT, LTE-M, LoRaWAN et Sigfox

Faire le bon choix LPWAN

Le NB-IoT est une technologie LPWAN 3GPP qui exploite les réseaux LTE/GSM existants pour offrir une connectivité bas débit aux appareils IoT. Il optimise la consommation énergétique des appareils, la capacité du système, l'efficacité du spectre et la couverture étendue, convenant ainsi aux applications IoT industrielles, domotiques, de villes intelligentes, de surveillance de la santé et de réponse aux catastrophes.

La technologie LTE-M cible des applications similaires à celles du NB-IoT, mais avec une bande passante plus élevée pour des débits de données plus élevés et une sécurité renforcée, tout en consommant davantage d'énergie. Elle convient aux applications nécessitant un débit plus élevé, comme la vidéosurveillance, où les contraintes énergétiques sont moins strictes.

Sigfox et LoRaWAN sont des technologies non 3GPP fonctionnant sur un spectre sans licence. Leurs bandes passantes étroites permettent un fonctionnement à très faible consommation pour des transmissions peu fréquentes de petites charges utiles depuis des terminaux nécessitant une autonomie de batterie de plusieurs années, mais avec des contraintes de débit faibles. Sigfox privilégie la faible consommation et un déploiement simple, mais ne dispose pas de liaison descendante pour les mises à jour du firmware. LoRaWAN prend en charge la gestion bidirectionnelle des appareils à faible coût. Ces deux technologies peuvent être utilisées pour l'agriculture intelligente, le suivi des actifs et les 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 pleine évolution et n'a pas encore atteint sa maturité. Compte tenu de la multitude d'acteurs sur le marché, les gagnants ne sont pas clairement identifiés, notamment compte tenu du rythme incertain de son expansion. Les performances à long terme de chaque variante LPWAN restent également incertaines, car nombre d'entre elles en sont encore aux premières phases de déploiement, faute de tests complets et à grande échelle en conditions réelles.

En fait, les recherches d'ABI Research indiquent une augmentation prévue de l'adoption des appareils IoT, avec une estimation 5.3 milliards Les appareils IoT devraient exploiter les technologies LPWAN d'ici 2030. Il est évident que le LPWAN est le domaine de connectivité qui connaît la croissance la plus rapide du marché. Cette croissance est alimentée par la demande pour des cas d'usage tels que la surveillance à distance, qui nécessitent des transmissions de données peu fréquentes et un fonctionnement sur batterie, des caractéristiques que les technologies LPWAN sont particulièrement bien adaptées à satisfaire.

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