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Revue TELECOM 178 : LoRa, la révolution IoT en marche

Articles Revue TELECOM

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15/11/2015


LoRa,

LA REVOLUTION IOT

EN MARCHE


 

Par Bernardo Cabrera, Cédric Levasseur et Nicolas Sornin dans la revue TELECOM n° 178
Le rédacteur en chef vous propose de découvrir l'article coup de coeur de son dossier. 

 
Avec 80 milliards d’objets connectés et 500 Mds€ investis dans l’IoT industriel d’ici à 2020 (sources IDC et Accenture), le choix de technologies innovantes et complémentaires au GSM est un enjeu de taille pour les opérateurs : Bouygues Telecom a choisi LoRa et la LoRa Alliance. 


Du M2M à l’IoT, un marché en forte expansion et en évolution permanente

Le marché du M2M est un secteur en pleine croissance. Les objets qui se connectent à Internet en s’appuyant sur les infrastructures cellulaires des opérateurs mobiles ne cessent de se multiplier. Sur un marché mobile où tout le monde possède un, voire plusieurs téléphones mobiles (souvent des smartphones), le taux d’équipement approche la saturation et la croissance n’atteindra plus les sommets qu’elle a connus depuis le début des années 90. Mais l’industrie a déjà les yeux tournésvers un nouvel Eldorado : les objets connectés. Cela commence avec le M2M.

Après avoir fourni de la connectivitéaux systèmes de télésurveillance résidentielle ou aux terminaux de paiement ,
les réseaux mobiles ont progressivement étendu leurs services à de nombreux domaines  de la vie courante : l’automobile (aide à la navigation, gestion de flotte), la ville intelligente (stationsde vélos en libre-service, maintenance des panneaux publicitaires, horodateurs  équipés de terminaux de paiement), la santé (envoi de données médicales pour le suivi des maladies chroniques). Et ce n’est qu’un début : avec les nouvelles capacités des réseaux 3G et 4G, de nouvelles applications deviennent réalité : services multimédia àbord des voitures, diffusion vidéo livesur caméras mobiles, panneaux  d’affichage multimédia, etc.
 
                           Réseau LoRa, de l'objet jusqu'aux applications métiers
Pourtant, toutes ces applications ne sont que le sommet visible de l’iceberg qu’est l’Internet des Objets : les objets qui pourraient bénéficier d’une connectivité pour améliorer leur usage ou accroître leurs services sont innombrables, sans compter les applications pouvant naître de la combinaison de leurs services. Mais les technologies cellulaires quifont actuellement le bonheur des utilisateurs de services M2M ont de fâcheuses limitations pour s’étendreau moindre objet, au moindre capteur qui souhaiterait communiquer : ellesrestent  coûteuses en matériel et nécessitentune alimentation électrique, leur autonomie ne dépassant pas  quelques semaines sur batterie. Idéalement, ilfaudrait pouvoir apporter de la connectivité à n’importe quel objet ou capteur pour  plusieurs années, moyennant un module de quelques euros et une pile AAA.

De telles technologies sont courantes aujourd’hui : il s’agit du Bluetooth LE, du Zigbee, etc. Elles sont peu chères et sobres en énergie, mais leur portée ne dépasse pas quelques dizaines de mètres. Pour se connecter à Internet, elles doivent compter sur un relais local, qu’il s’agisse d’un smartphone ou d’une box Internet filaire. Si c’est acceptable pour de nombreux produits grand public (bracelet connecté, interrupteur RF…), cela peut vite se révéler limitant pour des objets dont la présence de tels relais est imprévisible, non garantie ou qui nécessitent simplement une connectivité indépendante. L’industrie s’est donc penchée sur la question de la consommation et de la longue portée. Considérés comme un maillon essentiel au développement de l’Internet des Objets, les réseaux LPWA (Low Power Wide Area Networks) ont fait leur apparition. Parmi les technologies LPWA proposées aujourd’hui se dégage une technologie bas débit unique et hors  du commun : LoRa, pour « Long Range ».

Le point de vue de l’inventeur

Technologie née des travaux de la startup grenobloise Cycleo, rachetée en 2012 par la société américaine Semtech, LoRa est une technique de modulation radio qui entre dans la catégorie des modulations à étalement de spectre. Parmi les standards de communication radio faisant usage de techniques d’étalement de spectre, on retrouve l’UMTS (3G), le système GPS (GlobalPositionning System), les radiocommunications militaires, les radars…
 
Car les avantages de l’étalement de spectre sont multiples :
• Très bonne résistance aux trajets multiples dus aux réflexions des signaux sur les murs, le sol, etc. (y compris en  environnement urbain dense et en mobilité).
• Possibilité de mesurer très précisément l’instant d’arrivée du signal radio à l’antenne du récepteur : l’information permet de localiser l’objet émetteur à chaque fois que son signal est reçu par au moins trois antennes du réseau.

Jusqu’à présent, cette technique n’était pas utilisée dans les bandes libres ISM (Industrielles, Scientifiques et Médicales) et sur les réseaux à très basse consommation énergétique, en raison de sa difficulté d’implémentation et de l’importante puissance de traitementrequise lors de la démodulation. LoRa est une implémentation du  principe d’étalement de spectre innovante, qui permet l’intégration complète de l’émetteur et du récepteur dans un seul circuit, combinant bas coût et très faible consommation. Ainsi, le circuit consomme moins de 100mW en émission et 30mW en réception, tout en atteignant des sensibilité proches de celle d’un récepteur GPS (-138dBm). La technologie LoRa est par exemple déjà utilisée aujourd’hui pour réaliser la télé-relève de centaines de milliers de compteurs.
Un réseau utilisant la technologie LoRa permet par conséquent l’émergence d’applications jusque-là impossibles dans le domaine de l’IoT. En particulier, un tel réseau offre aux objets connectés la plus faible consommation possible sur le marché à ce jour, l’obtention de leur localisation et un contrôle distant à latence réduite.

 
                                                                                                                         Une multiplicité d'usages
Basse consommation et couverture étendue

A titre d’exemple, une balise de géolocalisation LoRa peut émettre 10 octets toutes les deux minutes pendant 10 ans sur une simple batterie de téléphone mobile (1800mA/h). Une telle prouesse est possible grâce à la capacité pour LoRa d’adapter le débit de données utilisé aux conditions radios : il est possible d’accroître le débit (et donc réduire la consommation) quand la liaison radio est bonne, ce qui est le cas en extérieur dans le cas d’une balise, ou de réduire le débit pour maintenir une connexion avec les objets dans lesconditions radios les plus défavorables (compteur dans une cave, capteur  de stationnement dans un parking souterrain…).L’application qui s’exécute sur l’objet connaît en permanence le  meilleur débit de données qu’il lui est possibled’utiliser et peut alors adapter sa stratégie pour maximiser la durée de vie de sa batterie.

Localisation

Dans notre exemple, chaque paquet émis par une balise peut servir à estimer sa position. Chaque paquet LoRa reçu par une antenne du réseau est très précisément horodaté à son arrivée (avec une précision de l’ordre de 30 nanosecondes). Lorsqu’un paquet est reçu simultanément par au moins trois antennes du réseau, ce qui arrive très fréquemment en extérieur, il devient possible d’estimer la position de l’objet par un calcul de trilatération à partir des heures de réception et de la position des antennes. C’est un processus qui se rapproche de celui utilisé par un récepteur GPS pour calculer sa position, mais avec une communication inverse : les antennes du réseau jouent le rôle des satellites, mais elles reçoivent un message au lieu de l’émettre, et l’objet joue le rôle du récepteur GPS mais il émet un message au lieu de le recevoir des satellites.  La position obtenue est certes moins précise que celle d’un GPS (de l’ordre de quelques dizaines de mètres selon la configuration de l’environnement et des antennes) mais fonctionne aussi bien à l’intérieur qu’à l’extérieur, et consomme 400 fois moins d’énergie.

Contrôle à distance et faible latence

De nombreuses applications nécessitent que le réseau puisse contacter un objet n’importe quand, avec une latence réduite ou prédictible. Pour reprendre l’exemple d’une balise, mais GPS cette fois, l’utilisateur peut vouloir connaître les coordonnées de celle-ci n’importe quand : pour cela, il doit pouvoir déclencher à distance le démarrage de la balise, normalement éteinte pour en limiter la consommation. Cette possibilité semble évidente dans le cas de réseaux cellulaires, mais dans le cas de réseaux à très faible consommation, c’est un véritable challenge, car cela requiert que le récepteur de l’objet soit fréquemment activé et à des instants précis, connus de l’infrastructure réseau. Un réseau LoRa permet une telle synchronisation, en réduisant la consommation au minimum. L’utilisateur peut ainsi envoyer un message vers son objet à n’importe quel moment, en s’appuyant sur une latence paramétrable, de quelques secondes à deux minutes environ.

Le regard de l’opérateur

Au-delà des qualités intrinsèques de la technologie, déployer un réseau LoRa présente nombre d’avantages pour un opérateur mobile en place. Tout d’abord, si l’utilisation d’une bande de fréquences libre et partagée avec d’autres utilisateurs présente des contraintes liées à la gestion des interférences, elle a aussi l’avantage d’être disponible immédiatement, gratuitement, sans aucun impact sur les autres fréquences et technologies déjà déployées par un opérateur.

Ainsi, il n’est pas nécessaire de chercher à récupérer des fréquences utilisées par les réseaux 2G, 3G ou 4G, alors même que les fréquences basses – qui ont été achetées à prix d’or et sont les plus couvrantes – sont aussi les plus chargées sur les réseaux mobiles actuels, et qu’il est difficile de les libérer pour introduire une nouvelle technologie LPWA sans prendre le risque d’impacter les services cellulaires existants.

La bande de fréquence 868MHz, utilisée en Europe par la technologie LoRa, présente les mêmes qualités de propagation que les autres basses fréquences cellulaires et permet donc de déployer un réseau LPWA immédiatement sur une large couverture, y compris à l’intérieur de bâtiments, sans achat de licence supplémentaire ou nouveau plan de fréquence cellulaire.

Les équipements réseau quant à eux, ont un coût inférieur aux équipements cellulaires traditionnels, grâce à la faible complexité de la technologie, aux débits peu élevés à transporter et à la simplicité de l’architecture. Le déploiement d’une station radio nécessite seulement l’installation d’un petit boîtier de quelques litres et d’une antenne « fouet » de quelques dizaines de centimètres, bien loin de l’encombrement des équipements et antennes massives des réseaux mobiles actuels. Compte tenu de la faible volumétrie des données à transporter, il est possible de collecter le trafic des stations radio en utilisant la capacité des liens de transmission déjà présente sur site s’il est existant, ou via une ligne DSL ou un modem 3G/4G si c’est un nouveau site dédié. Enfin, les puissances d’émission étant limitées à des valeurs extrêmement faibles, aucune autorisation administrative n’est demandée pour commencer à recevoir et à émettre des messages.

Non seulement le déploiement est facilité par la simplicité de mise en oeuvre, mais la couverture qui en résulte bénéficie de la diversité de réception des antennes en place : un objet n’est pas lié à une antenne en particulier mais communique avec toutes les stations radio à sa portée. La réception, et donc la couverture, est améliorée par la collaboration de toutes ces antennes pour capter les messages envoyés par les objets communicants.

Le coeur de réseau, qui pilote l’ensemble des stations radio composant le réseau d’accès, regroupe en une unique plateforme l’ensemble des fonctions traditionnellement réparties sur une multitude de systèmes : contrôle et allocation= des ressources radio, authentification, gestion de la sécurité des communications, gestion des profils de service, services à valeur ajoutée tels que lalocalisation des objets, aiguillage des données vers les bons systèmes  d’informations et réseaux clients, etc.

Au regard des débits modérés générés par les objets, toutes ces fonctions peuvent être réalisées sur des infrastructures IT classiques, basées sur du matériel sur étagère et les dernières technologies de virtualisation, sans s’embarrasser des matériels propriétaires coûteux habituellement requis dans les réseaux de télécommunication à très haut débit. Par ailleurs, l’architecture LoRa s’appuie dès l’origine sur une philosophie imposant la confidentialité des données.

Ainsi, les communications en provenance et à destination des objets sont systématiquement signées par une clé partagée avec le réseau de l’opérateur, rendant impossible le vol d’identité. Le contenu des messages quant à lui, est aussi systématiquement encrypté par une seconde clé partagée avec l’utilisateur de l’objet. Ainsi, la confidentialité des informations transportées est totale, y compris vis-à-vis de l’opérateur du réseau, si le client de l’opérateur le souhaite. 

Ces fonctionnalités sont embarquées nativement et de manière obligatoire dans la couche logicielle de bas niveau LoRaWAN, évitant ainsi toute fuite de donnée, même si le fournisseur de service ne sécurise pas ses communictions au niveau applicatif. 


La LoRa Alliance : un rayonnement international, pour une norme mondiale et un écosystème global

Les objets connectés qui seront déployés dans des secteurs divers tels que la ville communicante, l’énergie, l’industrie ou encore la logistique, ont besoin d’un large écosystème d’acteurs proposant des solutions complémentaires,interopérables et internationales pour répondre aux enjeux de ce marché. Cette variété d’applications, communiquant avec des plateformes de services partout dans le monde, implique que les acteurs coopèrent pour pouvoir proposer des solutions de bout en bout, interopérables et globales.

Dans ce cadre et fort de son expertise Machine to Machine depuis plus de 15 ans, Bouygues Telecom a notamment proposé et encouragé la constitution d’une alliance internationale en devenant membre fondateur de la LoRa Alliance en janvier 2015 avec des acteurs diversifiés du secteur IT et Télécoms tels qu’IBM, Cisco, KPN (Pays Bas), Proximus (Belgique) et Semtech. L’objectif est de faciliter l’adoption globale de la technologie LoRa en créant un standard de facto. Construite sur un modèle de standard ouvert, l’alliance favorise la coopérationde toutes les parties prenantes de la chaîne de valeur de l’Internet des Objets allant des réseaux de télécommunications aux applications : infrastructures de réseaux, plateformes de service et de stockage big data, fabricants du secteur semi-conducteurs.

Comme nous l’avons vu plus haut, les applications verticales ne sont pas en reste non plus avec, parmi les membres phares de l’Alliance LoRa, des acteurs du domaine de la télé-relève d’eau et de la Ville connectée tels que Home Rider ou Sensing Labs, ainsi que des clients finaux de la solution avec notamment, dans le secteur industriel, les géants Schneider Electric ou Lacroix. L’objectif-clef de l’Alliance LoRa est de proposer une interopérabilité complète et globale des réseaux LoRa, c’est-à-dire la mobilité partout dans le monde des solutions IoT basées sur cette technologie. Cette volonté se traduit notamment par l’instauration de groupes de travail transverses et internationaux, pour la normalisation et la certification de la technologie LoRa. Ces dernières passent notamment par la formalisation et la publication des spécificationsde son protocole LoRaWan. Preuve de son succès fulgurant, l’Al-liance LoRa comptait déjà plus d’une centaine d’adhérents après quatre mois d’existence. Aujourd’hui, plus de 700 entreprises ont marqué un intérêt grandissant, et ce avec une empreinte mondiale. Ce modèle ouvert attire aussi bien des géants du secteur IT que des startup très dynamiques, tels Kerlink ou The Things Network. L’arrivée en septembre 2015 de l’Américain Geoff Mulligan – ancien conseiller TIC à la Maison Blanche, expert IoT et Chairman aguerri quant aux questions de normalisation – à la tête de l’AllianceLoRa, s’inscrit dans notre démarche d’ouverture et marque une  nouvelle accélération dans cette stratégie de développement international.

 
Quelques usages
 
HABITAT

Le champ d’application IoT dans la domotique et le Smart Building est vaste et en évolution permanente. Parmi les usages courants :
• Serrure intelligente : accès sécurisé à la maison avec authentification des visiteurs, pilotage à distance des codes d’accès, suivi des ouvertures/fermetures de portes…
• Compteur-répartiteur pour radiateur en chauffage central : mise aux normes d’individualisation des frais de chauffage
• Détecteur de fumée, CO et CO² : sécurité et sérénité
• Compteur d’eau/gaz/électricité : individualisation des charges, détection d’anomalies (fuites) …
 
CAMPAGNE ET ENVIRONNEMENT

Depuis quelques années, les petites agglomérations et la campagne se mettent à l’heure du digital, avec une volonté affichée d’améliorer les productions mais également de renforcer la sécurité des hommes, des bêtes et des biens.
Parmi les usages recensés :
• Capteur de température : suivi des paramètres de santé des troupeaux domestiques, notamment en périodes de reproduction et de vêlage
• Ruches : mesure du niveau de miel pour optimiser les tournées de récolte
• Capteurs environnementaux : détection de feux de forêt, de pollution, de bruit…
 
SERVICES

En développement constant, la connectivité des objets apporte une quantité insoupçonnée de nouvelles solutions et offres de services. Parmi les services innovants :
• Géolocalisation d’objets sans GPS : pilotage et optimisation des tournées logistiques, sécurité des biens
• Capteurs de mouvements appliqués à la sécurité des personnes (preuve de vie) : suivi à distance et réactivité en cas d’alerte
• Pet tracking : géolocalisation d’animaux de compagnie
 
VILLE
 
La ville connectée de demain s’appuie sur une multiplicité d’applications intelligentes facilitant le quotidien des citoyens et usagers, en améliorant notamment lesbilans énergétique et écologique.
Parmi les usages-clefs :
• Capteur de chaussée permettant d’identifier la disponibilité des places de parking : gestion optimisée de l’espace urbain s’accompagnant d’une réduction sensible de la pollution atmosphérique
• Capteur de remplissage de bacs ménagers : individualisation des charges locatives
• Armoires électriques urbaines connectées : supervision de l’éclairage public, des feux de circulation…
 
Biographies des auteurs

CHAPITRE « INVENTEUR »
Nicolas Sornin, Directeur Technique de la division Wireless (SEMTECH).
Il est l’un des fondateurs de la start-up grenobloise Cycleo/Nanoscale qui a conçu la technologie de modulation radio LoRa, acquise par SEMTECH en 2012. Nicolas travaille depuis 15 ans dans le domaine des communications sans-fil (Cellulaire puis Bluetooth/Wifi). Il est l’auteur de 30 brevets dans ce domaine. Depuis quelques années, il se consacre exclusivement au développement de L’Internet des Objets sous tous ces aspects : protocole, sécurité, basse consommation, applications…

CHAPITRE « OPERATEUR »
Cédric Levasseur, Architecte Réseau (Bouygues Telecom) 
Il est responsable de la feuille de route technologique des réseaux fixes et mobiles de Bouygues Telecom. Auparavant, il a occupé diverses fonctions techniques et technicocommerciales chez Nokia et Nortel.Dans le domaine de l’IoT, il représente Bouygues Telecom au Comité Technique de l’Alliance LoRa et anime le groupede travail « Internet des Objets » du volet Souveraineté Télécom, dans le Plan Industrie du Futur du Ministère de l’Economie.



CHAPITRE « LORA ALLIANCE »
Bernardo Cabrera, Responsable Marketing & Business Development M2M (Bouygues Telecom)
Avec plus de 12 ans d’expérience dans les domaines du M2M et de l’IoT, Bernardo Cabrera est en charge du pôle Marketing & Business Development de la Business Unit Machine to Machine de Bouygues Telecom. Il a notamment lancé le premier portail de service dédié au M2M en France. Auparavant, il a occupé différentes fonctions de la Vente et du Marketing touchant aux domaines de la data et de l’innovation. Bernardo représente Bouygues Telecom au sein de l’Alliance LoRa sur deux volets : au Board des Directeurs et au Comité Stratégique.

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