Christophe Cuenot

Les technologies réseaux au service de l’IoT

L’IoT (Internet of Things = objets connectés) est de plus en plus présent dans notre quotidien via des objets connectés à notre téléphone, notre PC… Actuellement, les objets les plus courants sont les montres et les capteurs portables, mais la tendance est au développement de ces objets (frigo, cafetière, balance pour ne citer que ceux-là). Qowisio, une société qui fournit un réseau de communication pour l’IoT, estime à 20 milliards le nombre d’objets connectés dans le monde en 2020.

Quels que soient leurs usages, ils ont tous besoin d’une connexion pour interagir. Ce besoin a fait émerger des nouvelles technologies réseaux, mais concrètement où en sommes-nous ?

Les contraintes

Le réseau dans le monde de l’IoT est soumis à une contrainte énergétique forte. Les objets fonctionnant sur batterie ont généralement une autonomie limitée par la capacité de celles-ci, et il apparaît donc crucial que les mécanismes de communication soient les moins énergivores possibles. Quant à elle, la distance de communication n’est généralement pas un problème, si la technologie retenue est adaptée à l’usage. Enfin le débit est généralement faible, les objets n’échangeant que peu d’informations avec les applications.

Les familles de réseau

Les technologies réseau permettant de communiquer en utilisant peu d’énergie peuvent être regroupées en deux grandes familles. Ce découpage se fait par rapport à la portée de communication. Une balise en pleine mer aura besoin d’une technologie de communication longue distance bien plus grande que votre bracelet d’activité physique :

  • Les réseaux à courte portée comme le WIFI, le Z-Wave…, qui permettent le transfert de données sur de faibles distances. Ils sont utilisés dans la domotique, les montres, les bracelets, etc
  • Les réseaux à longue portée et basse consommation (LPWAN). Les technologies cellulaires (GSM, 2G, 3G…) en font aussi partie comme Sigfox ou Lora. Ces réseaux sont utilisés par les entreprises qui veulent connecter leurs infrastructures à Internet, à des km de leur site d’origine.

Les familles de réseau > Réseaux à courte portée

Dans la famille des réseaux à courte portée, nous avons les réseaux « personnels ». Ils sont globalement associés aux objets connectés que nous sommes amenés à transporter, dans le cadre d’une activité sportive par exemple. Ces réseaux sont souvent associés aux smartphones ou à d’autres dispositifs portables.

Les familles de réseau > Réseaux à courte portée> solutions portables

ANT+ est un protocole propriétaire qui appartient à une filiale de la société Garmin (les sportifs la reconnaitront, pour les autres, il s’agit d’une entreprise spécialisée dans les équipements hi-tech du sportif). D’autres fabricants ont conclu des accords pour être interopérables (exemple : Polar). Il s’agit d’une transmission radio permettant des échanges de 20kbps.

BLE (Bluetooth Low Energy) est une variante de la norme Bluetooth conçue pour ne consommer que peu d’énergie, avec en contre partie des distances plus faibles (50m vs 100m pour le Bluetooth classique) et un débit moindre.

ANT+ et BLE utilise la fréquence de 2,4GHz comme le WIFI.

ANT+ fonctionne aussi bien en mode point à point qu’en « topologie  en  étoile » (un appareil est connecté à de multiples autres), le BLE ne fonctionne qu’en mode point à point. Un capteur ANT+ pourra être utilisé simultanément sur plusieurs terminaux de collectes (téléphone, montres…),  à l’inverse du capteur Bluetooth qui ne pourra être utilisé que sur un seul appareil à la fois. L’écoute ou l’interception d’une communication BLE est plus délicate, théoriquement.

Il y a bien d’autres technologies comme Nike+, qui reposait aussi sur la fréquence de 2,4Ghz pour l’interconnexion avec des articles de sport comme des podomètres. Cette solution a été finalement délaissée par les fabricants.

Le WIFI s’avère être une alternative aux protocoles évoqués ci-dessus, mais sa consommation devient un frein dans ce cas d’utilisation. Le WIFI étant très consommateur sur le plan énergétique.

Les familles de réseau > Réseaux à courte portée> Solutions pour le bâtiment

Egalement, il existe des réseaux courte portée davantage associés au bâtiment, aux objets disposant d’une source d’alimentation ou aux environnements professionnels. On peut citer le BLE industriel qui couvre des distances plus importantes que le BLE. Le RFID Active, qui est compatible avec le BLE, mais libre de droit et sur un protocole non propriétaire.

Le protocole Zigbee (fréquence de 868Mhz et 2,4GHz en Europe), quant à lui, est développé par une alliance de constructeur. Un des intérêts de ce protocole est le fonctionnement en réseau maillé permettant aux objets de se connecter de proche en proche. Cela permet d’étendre le réseau malgré des obstacles, comme les murs.

Z-Wave est un réseau maillé similaire à Zigbee. Il est issu d’une autre alliance de constructeurs. Comme Zigbee, le protocole Z-Wave est très présent dans les solutions de domotiques.

Le 802.11ah, connu sous le nom de WIFI HaLow, est une variante du WIFI sur la bande de 900MHz soutenue pas la WIFI Alliance. Cette fréquence est adaptée pour de faibles débits mais avec une meilleure portée que les réseaux WIFI habituels (2,4GHz et 5GHz).

Enfin, le DASH7 est une nouvelle forme de transmission sans fils sur la fréquence radio de 433MHz et 868MHz permettant un débit de 27,77ko/s. Il est porté par le consortium Dash7 Alliance, à but non lucratif. La portée annoncée est de 1000m. Cette bande de fréquences est partagée avec d’autres protocoles comme la technologie LoRa (Long Range).

Les familles de réseau > Réseaux longue portée

Les réseaux Low Power WAN (LPWAN) sont prévus pour transmettre les données entres les appareils sur de longues distances. Les réseaux GSM, 2G, 3G, etc. font partie de cette catégorie. Cependant, il existe d’autres protocoles moins connus comme LoRa ou Sigfox, qui sont déployés ou en cours de déploiement par différents acteurs, dont les opérateurs historiques.

On distingue deux catégories de réseau LPWAN :

  • les réseaux non cellulaires (Sigfox, LoRa, Qowisio, …) considérés comme des réseaux dédiés à l’IoT,
  • les réseaux (LTE-M, NB-IoT…) s’appuyant sur les réseaux cellulaires existants.
Les familles de réseau > Réseaux longue portée > Réseaux non cellulaire

Ces nouveaux réseaux sont dédiés aux objets connectés. Ils sont prévus pour remonter des informations simples de capteurs et de localisation. Les principaux objectifs de ces protocoles sont :

  • Une faible consommation
  • Une grande distance de communication (plusieurs km)
  • La très forte densité d’objets connectables

Comme pour les protocoles à courte portée, la contrepartie sera un débit limité.

Sigfox est un opérateur IoT français propriétaire de sa technologie qui a été créé en 2009. Il repose sur une technologie radio UNB (« Ultra narrow band ») qui permet de bâtir un réseau cellulaire bas-débit, économe en énergie. En Europe, la bande de fréquence ISM utilisée est celle de 868 MHz. Les objets connectés avec ce protocole peuvent émettre 12 octets max et cela 140 fois par jour, et recevoir 8 octets. La portée atteint 10km en ville et 30 à 50km en milieu rural.

Un des atouts de Sigfox est la garantie de compatibilité du réseau avec les objets intégrant une puce Sigfox. Par ailleurs, des accords permettent des déploiements simples dans différents pays sans problème de roaming. Il s’agit de 65 pays, actuellement couverts.

D’autres acteurs existent sur des technologies similaires comme Qowisio.

LoRa est un réseau radio bas débit concurrent de Sigfox dédié aux objets connectés. LoRaWAN est l’acronyme de “Long Range Wide-area network” que l’on peut traduire par « réseau étendu à longue portée ». Ce protocole permet de transmettre des données jusqu’à 15 km en ville et peut atteindre les 45 km en milieu rural. C’est un protocole ouvert porté par la LoRa Alliance. Il repose sur la technologie de modulation LoRa, créé initialement par une société grenobloise (Cycléo) avant son rachat. Un réseau LoRa peut être déployé en interne (ex : un site industriel) ou bien utiliser les différents réseaux nationaux et internationaux des opérateurs ( Objenious de Bouygues Télécom et  Orange en France ).

Un équipement pouvant se connecter à un réseau LoRa pourra le faire sur celui d’un autre opérateur comme c’est le cas avec les téléphones.

L’utilisation du réseau Sigfox dépend uniquement du déploiement du réseau Sigfox par Sigfox.

Il faut retenir que ces deux solutions reposent sur des techniques de transmission différentes :

  • Le réseau Sigfox fonctionne sur une technologie UNB (Ultra Narrow Band) : technologie de modulation à spectre étroit. Cette technique de transmission est utilisée dans la transmission TV (le fameux signal Herzien).
  • LoRa, se base sur le protocole LoRaWan (Long Range Wide-area) : technologie de modulation à étalement du spectre. Cette technique de transmission est utilisée également dans le WIFI et le bluetooth.
Les familles de réseau > Réseaux longue portée > Réseaux mobiles existants

Une alternative au nouveau réseau repose sur l’utilisation des infrastructures des réseaux mobiles déjà en place. L’avantage de cette approche est de disposer de bande de fréquences dédiées aux opérateurs et donc, non encombrées. Les opérateurs télécom ont donc collaboré étroitement au développement de ces protocoles.

Le LTE-M (Long Term Evolution for Machines) est une évolution permettant, en supprimant ce qui n’est pas utile à l’IoT, de créer un protocole moins énergivore tout en adressant des débits importants (~1Mb/sec). La technologie prévue pour l’IoT, date de 2018. Elle fonctionne sur les bandes de fréquences 4G déjà utilisés/attribués aux opérateurs. Elle dispose des avantages des technologies de téléphonie mobile (connectivité en temps réel, itinérance à l’international). Le débit important, jusqu’à 10Mbps permet d’envisager cette solution pour le transport d’image ou de la voix avec l’inconvénient d’être plus énergivore.

Le NB-IoT, (Narrow Band IoT) est une solution standardisée qui repose sur les infrastructures 4G. Elle se rapproche des protocoles SigFox et Lora en termes d’autonomie. Son débit est limité à 250Kbit/s avec une portée de 1km en ville et de l’ordre de 10km en milieu rural.

Les réseaux cellulaires GSM (2G, 3G, 4G, 5G) peuvent constituer une solution avec des débits plus importants, mais le besoin en énergie rend pour le moment l’utilisation de ces réseaux limités dans le cas de l’IoT. L’utilisation des réseaux 2G sera limitée à moyen terme, l’abandon de cette technologie est en cours, et elle a déjà été arrêtée dans certains pays comme Australie ou le réseau 2G est déjà arrêté.

Le schéma ci-dessous présente le positionnement des différentes technologies présentées dans cet article :

Conclusion

Les différents protocoles présentés dans cet article ne constituent pas une liste exhaustive des solutions existantes, mais elle présente les plus significatifs actuellement.

Chaque réseau a ses limites (portée, débit, couverture) ce qui leur permet de coexister pour le moment. Une évolution possible serait de disposer d’objets toujours plus intelligents et compatibles avec plusieurs réseaux. A noter également, une bonne partie de ces technologies vient d’alliances ou de fabricants. Si des accords pour rendre les produits interopérables permettent cette coexistence actuellement, n’assisterons-nous pas, comme cela a déjà été le cas dans des nouvelles technos, à l’émergence de standards de fait, dans les années à venir ?

 

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