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Revue TELECOM 178 - Quels réseaux pour l'Internet des Objets ?

Articles Revue TELECOM

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15/11/2015


QUELS RÉSEAUX POUR

L'INTERNET DES OBJETS ?





Par Arnaud Vamparys dans la revue TELECOM n° 178
 
Le monde des objets qui nous entourent et le monde de l'Internet commencent à se mélanger : l'Internet des Objets prend son envol, de nouveaux réseaux à longue portée émergent.

Le contexte

Selon les sources, il est estimé que 30 à 50 milliards d'objets connectés communiqueront sur Internet d'ici à 2020. En complément des réseaux cellulaires et des réseaux fixes, de nouvelles technologies propriétaires émergent pour transporter les échanges entre les objets connectés, notamment les réseaux radio basse consommation d'énergie et longue portée dit LPWA " Low Power Wide Area ". Ces réseaux bas débit adressent de nouveaux besoins dans lesquels la très faible consommation électrique des capteurs et le bas coût des modules de communication sont critiques.

Les nouveaux usagers de l'Internet des Objets

Chaque jour, de nouveaux objets sont connectés à Internet et ont besoin d'un réseau adapté LPWA. En 2015, les trois principaux usages obervés pour l' " IoT ", l'Internet des Objets sont :
  •  la collecte d'informations remontant de capteurs de température, d'humidité, de pression, de CO2 qui sont installés dans les bâtiments, les maisons ou les espaces publics pour les rendre plus intelligents ;
  • l'envoi de commandes aux objets notamment les actionneurs mécaniques, électriques, hydrauliques dans les usines;
  • et enfin la remontée régulière de la localisation, notamment par balise GPS, des équipements industriels, d'animaux domestiques ou agricoles, de nos objets de la vie quotidienne ou tout simplement de colis.

Le fonctionnement des réseaux LPWA

Les solutions LPWA comme celles de LoRa (Long Range), Qowisio ou Sigfox, permettent de collecter les données des objets en utilisant une architecture de réseau simple comprenant des équipements radio passerelles connectés par IP à une plate-forme de services OSS et BSS qui met les données collectées à disposition des clients finaux au travers d'API.
D'un point de vue radio, ces solutions LPWA utilisent toutes des bandes sans licence dont la bande SRD 868 MHZ disponible et harmonisée en Europe. Cette bande est partagée avec d'autres systèmes et est soumise à des contraintes fortes de puissance d'émission et de temps d'utilisation. Chaque terminal ou capteur IoT n'est actif qu'une faible portion du temps ce qui permet de viser les usages de télé-relève ou de transmission sporadique de données de capteurs non critiques. En revanche ces nouveaux réseaux LPWA ne sont pas adaptés aux usages demandant une faible latence, ou une haute qualité de service comme ceux de la sécurité, de la médecine ou des véhicules connectés.


Les principales caractéristiques techniques des réseaux PLWA comme LoRa, Qowisio et Sigfox

Qowisio et Sigfox utilisent une même technologie radio " Ultra Narrow Band " dite UNB. LoRa utilise une solution "Direct Spread Spectrum " dite DSS.

En termes de portée, l'UNB présente dans le sens montant, capteur vers réseau, un meilleur bilan de liaison que celui du DSS. Le signal UNB étant plus concentré, il permet d'émettre à un niveau plus fort. La sensibilité des récepteurs des passerelles est aussi meilleure grâce à des canaux plus étroits. La portée de l'UNB est donc meilleure que celle du DSS.
Concernant la résistance aux interférences, l'UNB serait plus résistant aux interférences que le DSS. En revanche, l'UNB de Sigfox émet avec des débits fixes ce qui génère plus de bruit qu'une solution DSS où les capteurs s'adaptent aux conditions radio. L'adaptation de lien de la solution LoRa la rend plus performante pour connecter beaucoup d'objets. La solution Qowisio intègre également un système d'analyse du spectre avec adaptation automatique aux conditions radio.
La système Sigfox utilise un bas débit fixe, sans acquittement, peu adapté à la transmission de messages longs. Qowisio et LoRa supportent un débit variable adapté aux différents usages de l'Internet des Objets. Dans l'UNB de Sigfox, seul le lien montant a été implémenté au démarrage et la mise en place d'un lieu descendant modifie la portée. l'UNB Qowisio est un système bi-directionnel où certains capteurs activent le lien descendant. LoRa est un système bi-directionnel avec des acquittements pour certaines classes de capteurs.
Les deux solutions UNB peuvent être supportés pour la partie capteurs par des composants standard du marché (ARM/Texas Instrument/Microchip). La solution LoRa, implique l'utilisation d'un composant de la société Sentech.


Le choix LPWA d'Orange

Les sociétés Sigfox et Qowisio se positionnent en France comme opérateur sur un modèle de réseau propriétaire fermé du capteur à la plate-forme de service en mettant à disposition via des API les données collectives sur les capteurs.
LoRa prépsente un modèle plus ouvert, dans lequel l'opérateur peut déployer son réseau et brancher plusieurs plates-formes de médiation (BSS) s'il le souhaite. La création de la LoRa Alliance favorise ll'linteropérabilité entre fournisseurs de modules, de passerelles et de plates-formes de service. Des déploiements de réseaux privés sont également possibles pour les entreprises.
Orange a choisi d'investir et de déployer un réseau LoRa en France. Ce réseau sera opérationnel dès le 1er trimestre 2016 et progressivement déployé au niveau national. Il sera utilisé pour transporter les communications des objets pour les besoins d'Orange et ceux de ses clients, grand public et entreprises. Orange a éprouvé la technologie LoRa en ouvrant un pilote à grande échelle dans l'agglomération de Grenoble en mai 2015.
Orange est opérateur Machine-to-Machine " M2M " depuis près de 10 ans avec ses réseaux 2G/3G/4G et a déjà commercialisé plus de six millions de cartes SIM. Le réseau LoRa vient compléter l'offre de connectivité et permettra un développement rapide de l'Internet des Objets en France autour de cinq axes : distribution, connectivité, services grands publics, services pour les entreprises et opérateur de données. L'objectif est de réaliser 600 millions d'euros de revenus d'ici à 2018.


La normalisation 3GPP et le calendrier

Orange est très impliqué dans la définition des futurs standards de réseaux cellulaires qui permettent à l'industrie de s'aligner sur des solutions communes, ce qui facilite l'interopérabilité et donc l'émergence de services simples et efficaces pour les clients. Au sein du 3GPP, l'ensemble de l'indusrie travaille à l'élaboration d'une norme mondiale autour des réseaux mobiles 2G et 4G, et de la 5G à l'avenir. Des versions de la 2G et de la 4G intégrant les besoins de l'Internet des Objets seront normalisées début 2016, ce qui correcpond à une industrialisation courant 2017. La 5G quant à elle est prévue plutôt pour un déploiement dans les années 2020-2022.

L'évolution du réseau cellulaire 2G/GSM pour l'IoT

L'EC-GSM " Extended Caverage GSM ", évolution de la 2G, constitue une première étape susceptible de répondre aux besoins de l'IoT et d'offrir un service sur 100% du territoire en béneficiant d'une couverture améliorée GSM 900MHz. Orange et Télia-Sonera ont été les opérateurs les plus actifs au sein de l'organisme de standardisation 3GPP/GERAN cet été pour soutenir cette évolution.

L'EC-GDM est axée sur trois axes d'amélioration par rapport au GSM classique :
  • la réduction des coûts des composants par une réduction des fonctionnalités nécessaires ;
  • l'extension de la couverture jusqu'à +20 dB par rapport à un terminal GDM classique, en utilisant en particulier des répétitions ;
  • l'amélioration de l'autonomie de la batterie avec l'utilisation de la fonction " Power Savring Mode " implémentée au niveau du coeur de réseau

L'intérêt de cette solution pour les opérateurs cellulaires est la facilité de mise à jour du réseau GSM pour le rendre compatible IoT. Réutilisant des fréquences déjà déployées, le réseau supportera de nouveaux terminaux EC-GSM optimisée pour l'IoT tout en restant compatible avec les terminaux GSM/GPRS actuels.

L'évolution du réseau cellulaire 4G/LTE pour l'IoT

Le LTE-MTC (Machine Type Communications), évolution de la 4G, va intervenir en plusieurs étapes avec des terminaux toujours plus optimisés pour les usages M2M/IoT. C'est une évolution soutenue par tous les opérateurs et fournisseurs d'infrastructure réseau. Elle est en vue comme l'évolution permettant le passage des applications actuelles M2M de la 2G vers la 4G mais ne sera pas entièrement compétitive par rapport aux solutions LPWA ou à l'EC-GSM pour les usages à faible consommation énergétique et à faible coût de module.
Une option supplémentaire du LTE est nécessaire. En discussion au 3GPPP, elle utiliserait des canaux étroit (<200 kHz) similaires aux autres solutions. Cette option Narrow Band serait une réelle rupture dans l'évolution habituelle des standards mobiles 3GPP car elle introduirait des terminaux dédiés à l'IoT sur des fréquences dédiées sans compatibilité avec les réseaux LTE actuels, Les opérateurs devraient allouer une bande de spectre dédiée à l'IoT pour pouvoir proposer ce service.


Une émergence rapide de réseaux longues portées IoT optimisés pour le bas débit

En 2015/2016, des solutions LPWA  comme LoRa se déploieront pour répondre aux besoins croissants de connectivité. Ces nouveaux réseaux propriétaires LPWA ne seront pas adaptés aux cas d'usage M2M nécessitant une qualité de service garantie ou une faible latence : par contre leur longue portée. la basse consommation énergétique et le faible coût des modules de communication les rendent pertinents pour connecter dès aujourd'hui les capteurs des villes intelligentes.
Dès 2017, la connectivité IoT/M2M pourra s'appuyer sur des standards 3GPP. L'évolution LTE-MTC de la 4G constituera le coeur de l'évolution du M2M actuel et est assuré d'un support mondial. Pour les usages IoT plus contraints en consommation et en coût de module, l'évolution EC-GSM de la 2G semble actuellement la plus pertinente des solutions pour l'Europe. Avec 100% de couverture nationale, elle assurerait la montée graduelle vers un IoT de masse avant l'émergence des nouveaux réseaux 5G.

 

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