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Revue TELECOM 178 - SIGFOX, une rupture, ou une revisite de l'histoire

Articles Revue TELECOM

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15/11/2015


SIGFOX, UNE RUPTURE,

OU UNE REVISITE

DE L'HISTOIRE ?




Par Christophe Fourtet dans la revue TELECOM n° 178


La  sélectivité et la bande étroite... Une vieille aventure

En 1899, alors qu'il essaie de vendre un système de TSF à la marine Américaine, plus confiante dans ses pigeons voyageurs que dans la radioélectricité à peine naissante, Marconi se retrouve confronté à un innocent mais pertinent challenge posé par ses potentiels futurs clients : Que se passe t'il si deux transmissions ont lieu en même temps ? C'est un échec. Dépité, mais déterminé, après quelques mois à brasser des centaines de mètres de fil émaillé en solénoïdes divers, Marconi abouti à son fameux brevet 7777 portant sur la séparation des signaux. Marconi vient de lancer la radio sur une de ses quêtes les plus essentielles : La recherche de sélectivité. C'est en tout cas ce que l'histoire retiendra.
Dès lors, cette quête va s'accélérer particulièrement dans la première moitié du vingtième siècle avec une apogée dans les années 50/60. En effet, à ces époques, le trafic radio est certes essentiellement militaire, gouvernemental, ou lié à la navigation. Mais du fait, de l'étroitesse des spectres utilisés (en gros de 10 à 18 000 kHz), et comme on dirait de nos jours, du fait de la " taille des cellules ", pouvant facilement atteindre un bon quart de la planète, l'engorgement se fait vite sentir.
Très rapidement, des méthodologies d'accès à la ressource et donc de partage se mettent en place. Il n'est pas peu de dire qu'elles créent un nouveau " notable ", le " radio ",  tant ce dernier doit déployer d'habileté, voire d'ingéniosité pour " écouler son trafic " et " syntoniser " au mieux ses correspondants dans le bruit naturel et artificiel, après de longues périodes de réglages par tâtonnements. Que dire également des officiers du SOE, qui durant la seconde guerre mondiale camouflent leurs échanges à l'intérieur même des broadcast puissants en faisant usage, tels des équilibristes, du principe instable de la réaction pour sur-tendre leur sélectivité avec des montages oubliés comme le "Q-Multiplier ".
Il faut dire qu'il y aura des années 30 aux années 60, des millions de messages échangés par jour sur un spectre de quelques 10 MHz aux portées parfois énormes. Comment ne pas chercher à réduire les bandes passantes ?
Les ingénieurs ont bien le problème en tête, développant des systèmes comme les télétypes, ou encore plus astucieux alors que le microcontrôleur n'existe pas, comme le Hellschreiber. L'apothéose sera dans les années 50, où l'IUT impose de nouveaux efforts à l'industrie. Ce sera la bataille entre la SSB et la DSB auto synchrome, soutenue par un certain... John P. Costas et sa boucle du même nom.

L'abandon de la bande étroite ... Pour cause de confort

Les avancées liées au monumental effort concédé au développement du radar d'une part, et à la radiotéléphonie FM tactique courte et moyenne distance d'autre part, vont peu à peu mener à l'obsolescence des communications bande étroite conduites " à l'économie ". L'industrie va se diriger cers le confort et l'abondance des VHF et UHF. A la fin des
années 70, les efforts portent plus massivement sur l'accroissement de la qualité phonique, la transparence de l'accès voire la variété des services. Plus proche de nous, la variété des services. Plus proche de nous, la variété des services et la fluidité des informations vont exploser grâce à l'accroissement des bandes passantes et la sophistication des mécanismes de discipline terminal/infrastructure. Seuls certains types de communications très spécifiques, militaires ou scientifiques vont mettre à profit les progrès de l'informatique pour affiner des signaux en bande très étroite voire "ultra étroite " (UNB). Bref, on avait oublié la frugalité.


Exemple typique de ce que l'on trouve sur les "Spectres partagés" pour IoT. Ici, des signaux SIGFOX indépendants ("pointillés") finement discriminés des différents autres signaux présents dans la bande. Source : SIGFOX


Les objets nous rappellent la frugalité

Jusqu'à très récemment, l'homme fut au centre. D'abord opérateur compétent, puis utilisateur lambda des technologies modernes à priori transparentes. Mais même ce dernier, sans le savoir, aide par ses facultés cognitives : Il tolèrera par exemple certaines situations d’échec et agira en conséquence sans même s’en rendre compte. Il acceptera de recharger son téléphone … Le désir de faire communiquer de très grandes quantités d’objets, la plupart hors du contrôle de l’humain, change radicalement le paradigme, surtout si l’on veut que ces objets soient d’un coût matériel et énergétique infime. Le changement de paradigme que SIGFOX à mis en place dans son approche réseau, c’est que L’objet ne doit plus être aux ordres du réseau, mais c’est le réseau qui doit être à son service.


Cet opérateur radio d'autrefois absorbé par sa tâche, illustre bien la grande concentration qui était nécessaire pour régler les appareils et bande étroite. SIGFOX a en quelques sorte "automatisé" ces tâches, et ce, de manière massivement parallèle. Source : http://telegrafstasjonen.com/img/telegrafist.jpg

 

SIGFOX : Un réseau cognitif au service des objets, pas l’inverse

Pour ces catégories d’objets à très bas coût et très basse consommation, SIGFOX a donc mis au point un réseau qui les « laisse vivre », et qui, moyennant la connaissance de leurs différents ADN (leurs enveloppes comportementales, leurs versions) adapte son service en fonction d’où, quand et comment ils apparaissent. On pourrait presque appeler cela un réseau « agricole » : On sème des objets, on récolte leurs données en uplink, et on en profite pour les arroser à l’occasion en downlink.

Simplified BS. Source SIGFOX
Un réseau SIGFOX contrôle parfaitement « l’anarchie » supposée naitre de tels principes par le mariage de formes d’ondes « UNB » (quelques dizaines à centaines d’Hertz pour fixer les idées) avec une infrastructure intelligente, qui connait les formes d’ondes en présence (utiles et interférences), et dont les stations, ou « scrutateurs radio », possèdent un pouvoir de séparation très élevé sur un très grand nombre de signaux en parallèle. Si en plus des stations radio, le cœur de réseau peut également déployer une grande intelligence à post-traiter, trier, dé-dupliquer, renforcer par diversité spatiale (il n’y a plus « d’attachement » de l’objet à une station, plusieurs stations peuvent contribuer pour un objet donné), alors on obtient un réseau d’une puissance insoupçonnée, présentant des taux de succès d’accès jamais atteints, même en présence de beaucoup d’interférences … Une caricature pourrait consister à dire que SIGFOX a remplacé ces millions d’opérateurs habiles d’autrefois, par un système automatique à processus cognitif massivement parallèle… Et très évolutif puisque lourdement reprogrammable !




 

 


Dérivé du brevet 7777, ce « triple tuner » de Marconi est un lointain témoin
de cette quête de sélectivité idéale. A chaque époque ses techniques !
Source SIGFOX

Le choix qui s’impose : UNB et SDR

Pour obtenir les propriétés de réseau évoquées plus haut, SIGFOX fait appel au niveau de ses stations, à de la radio logicielle multi-instanciation, ou SDR, et même à du SDN (Software Defined Network) où le cœur de réseau sait faire des croisements et calculs sur des milliards d’informations. Pour les liens descendants, le cœur calcule en temps réel la meilleure utilisation spatiale/ fréquentielle du parc de stations et ce, pour chacun des terminaux, agrémentée des compensations de défauts de chacun d’eux.
Une fois la capacité de séparation et discernement au rendez-vous, les meilleures formes d’ondes pour le meilleur remplissage du spectre par des data-grammes courts et d’accès (pseudo) aléatoire sont du domaine des bandes très étroites. Par ces multiples sophistications du réseau, SIGFOX a transféré la complexité et l’évolutivité des objets vers le réseau, amenant enfin le coût et la consommation des modems des objets à des niveaux les plus bas. Comme si votre télécommande de porte de garage s’était soudainement transformée en « super héros » !


Biographie de l'auteur

Christophe Fourtet est diplômé INSA et titulaire d'un DEA en électromagnétisme, il a travaillé  pour Thomson, TALCO, SAGEM, MOTOROLA, sur des projets PMR, PMR numérique, cellulaire, 3G, LTE. Happé dans les années 90 par la quête du haut débit, il décide par "contre-pieds" de réfléchir à des systèmes plus "frugaux". L'UNB moderne prend corps, et  sa rencontre avec Ludovic Le Moan sera le déclenchement de SIGFOX.



 

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