Réseaux LPWAN, l’avenir de l’internet des objets

Gestion de la domotique, géolocalisation de véhicules, équipements médicaux, capteurs de température et qualité de l’air : l’internet des objets (IoT) investit peu à peu tous les domaines de notre quotidien. Face à ces enjeux d’envergure, les réseaux LPWAN s’inscrivent comme une solution prometteuse. Comment fonctionne cette technologie ? En quoi se distingue-t-elle du WiFi ou des réseaux mobiles ? Quels sont ses avantages ? Partons à la découverte de ces nouveaux réseaux sans fil basse consommation.

Réseaux LPWAN : de quoi s’agit-il ?

Une réponse aux défis de l’IoT

L’internet des objets représente une problématique nouvelle dans l’architecture réseau. En effet, l’IoT exige de connecter des milliers de capteurs à faibles ressources, fonctionnant essentiellement sur piles. Ils doivent de plus bénéficier d’une portée suffisamment large pour couvrir une large zone géographique à moindre coût. Par ailleurs, ceux-ci ne transmettent que quelques octets de données par jour : un fonctionnement continu n’est donc pas souhaitable. L’idée centrale consiste donc à élaborer une technologie sans fil répondant à ces différentes contraintes.

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Jusqu’à récemment, seuls deux types de communications radio se portaient candidates : les réseaux courte portée (WiFi, Bluetooth, ZigBee…) et les réseaux cellulaires (GSM, GPRS, LTE…) exploités par les opérateurs mobiles. Toutefois, aucun d’entre eux ne respectait en tout point le cahier des charges : les premiers réseaux demeurent limités par leur portée, qui n’excède pas une centaine de mètres ; les seconds réseaux représentent un investissement disproportionné : coût élevé, infrastructure lourde, débit excessif…

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Conçus dans les années 2010, les réseaux LPWAN résonnent alors comme une petite révolution dans le monde du sans-fil. Mais malgré leur simplicité apparente, il n’en demeure pas moins complexe de gérer la connexion d’objets aussi hétérogènes en toute sécurité. Confier vos environnements connectés à des intégrateurs experts en solutions IoT reste sans nul doute la meilleure option. Dans ce contexte, la configuration de portail captif dans ces environnements spécialisés augmentera la sécurité, tout ouvrant la possibilité d’une exploitation dans un but marketing.

Une architecture simple

Dans sa forme élémentaire, un réseau LPWAN se compose de plusieurs nœuds ou objets. Chaque unité se décompose en 3 parties majeures :

• un capteur qui collecte l’information ;
• un microcontrôleur qui l’acquiert puis la traite ;
• un transceiver qui l’émet vers une passerelle via les ondes radioélectriques.

Généralement, la transmission de la donnée s’effectue sur les bandes de fréquences ISM (Industriel, Scientifique, Médical). Non soumises à licence, elles peuvent être investies librement à condition de respecter quelques règles d’utilisation.

Une fois reçu, le message circulera au sein d’un réseau intermédiaire avant d’être stocké sur des serveurs ou un cloud sur le web. Des applications utilisateur permettront enfin l’interaction avec ces informations : consultation, traitement, suppression… Bon à savoir : si la communication s’établit majoritairement en mode descendant, l’envoi de données à l’objet source reste possible.

Les technologies LPWAN existantes

En France, les solutions SigFox et LoRaWAN détenaient jusqu’alors la quasi-exclusivité du marché des LPWAN. Fonctionnant toutes deux sur bandes ISM, elles offraient déjà des dispositifs économiques, tant sur le plan énergétique que financier. Toutefois, les technologies NB-IoT et LTE-M tendent à se déployer. Pour preuve, elles seront d’ailleurs intégrées à la prochaine 5G. Exploitant les bandes sous licence des réseaux mobiles, elles pourraient bien rebattre les cartes des LPWAN par leurs nombreux atouts : faible temps de latence, débit revu à la hausse, mise en place d’une qualité de service…

Les avantages du réseau LPWAN

Une portée étendue

Le réseau LPWAN établit une communication entre nœud et passerelle sur de longues distances, oscillant entre 3 et 50 km selon l’environnement. De la sorte, le nombre de passerelles s’en trouve fortement réduit. Ce mode de transmission est donc à même de franchir des obstacles physiques, en pénétrant par exemple au sein d’un bâtiment. Pour parvenir à un tel exploit, cette technologie s’appuie notamment sur la bande Sub-1GHz, située juste en deçà des 1 GHz. Celle-ci autorise l’allongement de la distance entre émetteur et récepteur.

Des ressources énergétiques préservées

Les réseaux LPWAN doivent prendre en compte une particularité intrinsèque aux objets : leur alimentation par batterie. Économiser la consommation de la partie radio, très gourmande en ressources, s’avère donc une priorité. Pour cela, plusieurs alternatives ont été pensées :

• une topologie en étoile entre les objets et la passerelle, qui favorise une connexion directe et évite tout recours à des interfaces de routage ;
• un accès au support simplifié, grâce à des protocoles comme ALOHA ;
• un mode intermittent, où le nœud devient actif uniquement lors de l’émission de la donnée.

Un coût diminué

Plusieurs facteurs influent sur le bas coût d’exploitation des réseaux LPWAN. Tout d’abord, la longue portée et l’emploi d’une configuration en étoile entraînent fort logiquement une réduction matérielle. De plus, une alimentation par piles rend négligeable la maintenance énergétique. Enfin, l’exploitation des bandes ISM dans le cas des solutions SigFox et LoRaWAN permet de réaliser des économies importantes.

Finalement, la technologie LPWAN défie toute concurrence : sur fréquences libres, l’achat d’un nœud s’élève à environ 5 $ tandis que les frais de connexion n’excèdent pas 1 $ annuel par nœud.

Une pluralité d’objets connectés

Balance, montre, thermostat, caméra, frigo, TV, voiture, etc. : la quantité considérable d’objets domestiques à connecter représente le réel défi à relever. Les réseaux LPWAN ont fort heureusement pris les devants en construisant un modèle extensible et flexible pour satisfaire cette demande accrue. Par exemple, la communication simultanée de plusieurs objets connectés au web prend forme par l’exploitation de plusieurs canaux. De même, divers dispositifs d’adaptation ont été éprouvés pour gérer cet afflux de données : modulation, variation de débit, redondance des messages…

En conclusion, les réseaux LPWAN apparaissent comme la troisième voie des communications sans fil. Conciliant longue portée et faible débit, ils se démarquent par leur simplicité matérielle, leur faible coût et leur consommation particulièrement économique. Des technologies innovantes promises à un destin tout tracé : d’ici fin 2020 avec le déploiement de la 5G, puis d’ici 2025, ce seront près de 75 milliards d’objets qui devraient se trouver interconnectés.