Technologies LPWAN : Laquelle est la meilleure pour votre application IoT ?

Dans cet article, nous allons voir comment choisir une Réseau étendu à faible consommation d'énergie (LPWAN) pour une application massive de l'internet des objets (IoT). Les réseaux IoT LPWAN deviennent populaires en raison de leur fonctionnement à longue portée et de leur faible coût. À cette fin, nous allons brièvement examiner ce qui motive le LPWAN et sa popularité émergente. Ensuite, nous comparerons brièvement les principales technologies LPWAN en fonction de leurs spécifications et de leurs applications. 

Pourquoi le LPWAN est-il populaire ? 

Le LPWAN est devenu populaire avec l'avancement des applications IoT massives qui s'étendent sur une longue distance. Cependant, ce n'est pas seulement la longue portée qui fait la popularité du LPWAN, mais il y a aussi d'autres raisons. Les principales raisons de l'émergence du LPWAN peuvent être identifiées comme suit : 

• Des protocoles tels que ZigBee et BLE ne sont pas en mesure de soutenir des opérations de longue durée 
• Communication cellulaire à longue portée, telle que 4G-LTE et 3G ont consommé trop d'énergie malgré leur bonne couverture 
• Le déploiement de communication sur une longue distance était comparativement coûteux.

Les raisons susmentionnées ont donc donné naissance aux technologies LPWAN, qui offrent une large couverture sur une longue distance tout en consommant peu d'énergie pour fonctionner et en réduisant le coût des appareils. Ces facteurs ont été déterminants pour la réalisation d'applications IdO massives telles que les villes intelligentes et les applications agricoles intelligentes. En outre, on estime que les applications IoT basées sur le LPWAN seront de plus en plus nombreuses dans l'industrie, où 1 personne sur 4 est un utilisateur de l'IoT. Applications de l'IdO industriel (IIoT) seront basés sur le LPWAN d'ici à 2025.  

En conséquence, nous pouvons constater que la longue portée des opérations (jusqu'à 15 km dans un environnement rural), la faible consommation d'énergie permettant une durée de vie des appareils pouvant aller jusqu'à 10 ans et la faible complexité des appareils permettant un faible coût sont les principales forces motrices de la popularité des applications IoT basées sur le LPWAN. 

Comparaison technique des différentes options LPWAN 

 Avant d'examiner les différentes options LPWAN, nous pouvons diviser les technologies LPWAN en deux catégories distinctes, à savoir : 

• LPWAN sous licence : il s'agit de technologies LPWAN basées sur le spectre des fréquences cellulaires publiques. Voici quelques exemples de LPWAN sous licence ; NB-IoT et LTE-M. 
• LPWAN sans licence : il s'agit de technologies LPAN basées sur les éléments suivants spectre de fréquences sans licence. Voici quelques exemples de réseaux LPWAN sans licence ; LoRaWAN et Sigfox. 

Le choix entre un réseau LPWAN avec ou sans licence dépend des exigences de l'application IoT, telles que la fiabilité, la sécurité et la mobilité prévue de l'ensemble du système. Après avoir acquis une compréhension de base des différents types de technologies LPWAN, examinons maintenant quelques technologies LPWAN. 

LoRaWAN est une option LPWAN célèbre et en plein essor, qui facilite le fonctionnement à longue portée des appareils alimentés par batterie. Une caractéristique intéressante de Dispositifs LoRaWAN est leur moindre complexité, ce qui permet de réduire le coût des appareils. Il est basé sur un spectre de fréquences sans licence et est capable de communication bidirectionnelle, avec une bonne immunité aux interférences. La possibilité de développer des réseaux privés distingue LoRaWAN des autres options LPWAN que nous examinerons plus loin dans cet article. 

Sigfox est une technologie à bande étroite développée par une startup française qui est plus adaptée aux applications à faible bande passante avec une plus grande préoccupation pour la consommation d'énergie. Comme LoRaWAN, Sigfox fonctionne dans un spectre de fréquences sans licence, mais sa capacité de communication bidirectionnelle est limitée par rapport à LoRaWAN. Enfin, Sigfox est en train d'être adapté aux applications IoT en Amérique du Nord et en Europe et s'étend actuellement à des régions comme l'Asie. 

NB-IoT, cependant, est un LPWAN sous licence, qui fonctionne dans le spectre des fréquences cellulaires. Il peut être considéré comme la réponse des fournisseurs de réseaux cellulaires à l'émergence des applications IdO. Il est développé au-dessus du réseau cellulaire existant, pour permettre des applications IoT à faible bande passante, à couverture étendue et à haute efficacité spectrale. De même, le LTE-M est également basé sur un spectre de fréquences cellulaires sous licence. Par rapport au NB-IoT, le LTE-M offre une bande passante améliorée et une sécurité élevée. 

Option LPWAN basée sur les caractéristiques de l'IdO 

Comparons maintenant nos options LPWAN sur la base de certaines des caractéristiques IoT critiques importantes pour nos applications IoT. Il s'agit des principales exigences de nombreuses applications IoT en général.  

• Qualité de service : La qualité de service (QoS) fait référence à la réception élevée de données avec une bonne immunité aux interférences dues à des facteurs externes et à sa capacité à répondre à différents niveaux d'exigences en matière de données de l'utilisateur final. LoRaWAN et Sigfox peuvent gérer les interférences dans des environnements bruyants, mais ils utilisent des protocoles de communication asynchrones. En revanche, NB-IoT utilise des protocoles de communication synchrones basés sur LTE, ce qui accroît sa disponibilité et la rend optimale pour les services de qualité de service. Toutefois, cela entraîne un coût de mise en œuvre. Par conséquent, pour les applications IoT qui nécessitent une qualité de service optimale, NB-IoT est la meilleure option. 

•  Mobilité : Il s'agit de la capacité à transmettre des données à des nœuds finaux se déplaçant à grande vitesse dans un réseau. LoRaWAN et Sigfox, bien qu'ils soient capables de communiquer sur de longues distances, ne sont pas capables de procédures de transfert, ce qui est intrinsèquement possible dans NB-IoT et LTE-M en raison de leur utilisation du spectre de fréquences cellulaires et de l'infrastructure cellulaire existante. 

• Le coût : Le coût est un facteur majeur qui doit être pris en compte lors du développement d'applications IdO. Dans les applications IdO massives, il peut être évalué en fonction de trois composantes principales différentes, à savoir 
  1. Coût du spectre 
  2. Coût du déploiement 
  3. Coût de l'appareil 

En ce qui concerne le coût du spectre, LoRaWAN et Sigfox n'ont naturellement pas de coût supplémentaire puisqu'ils utilisent un spectre de fréquences sans licence librement disponible. Cependant, NB-IoT et LTE-M utilisent le spectre de fréquences sous licence et nécessitent donc un coût d'achat du spectre de fréquences auprès de l'opérateur du réseau ou de la réglementation du réseau de la région concernée. Toujours en termes de coût de déploiement, LoRaWAN et Sigfox ont un coût de déploiement faible par rapport à NB-IoT et LTE-M. Sigfox aurait le coût le plus faible pour les appareils. Sigfox aurait le coût de l'appareil le plus bas comparé à LoRaWAN, alors que le coût de l'appareil pour NB-IoT peut être supérieur à $10 de la portée. 

• Durée de vie de la batterie : Toutes les technologies LPWAN sont en état d'inactivité lorsqu'elles ne transmettent pas de données sur le réseau. Cependant, des technologies comme NB-IoT utilisent des protocoles de communication synchrones qui nécessitent de l'énergie supplémentaire pour initialiser la communication. Ainsi, les dispositifs Sigfox et LoRaWAN de classe A sont les meilleures options pour les applications qui nécessitent une bonne autonomie de la batterie et de bonnes performances. 

• Portée de fonctionnement : LoRaWAN aurait la plus faible portée de 12-14 km en fonctionnement LOS, tandis que Sigfox aurait une portée de 15-17 km. Toutefois, NB-IoT aurait une portée de 20 à 22 km en raison de l'utilisation de l'infrastructure cellulaire existante. La portée du LTE-M serait toutefois limitée par la couverture 4G-LTE de la région. 

• Sécurité : En termes de sécurité du réseau, le LTE-M offre les meilleures caractéristiques de sécurité par rapport aux autres technologies LPWAN. 

Option LPWAN en fonction de l'application IoT 

Bien que les différents facteurs que nous avons examinés jusqu'à présent nous aident à déterminer la faisabilité d'une certaine technologie LPWAN par rapport à une autre, il est difficile de prendre une décision lorsqu'il s'agit d'une application IoT spécifique. Il est donc utile d'étudier les applications IoT et de déterminer quelle technologie LPWAN convient le mieux. 

• Compteurs électriques 

Les compteurs électriques nécessitent des débits de données plus élevés et de bonnes performances en matière de latence. En outre, en ce qui concerne la durée de vie des batteries, ces applications peuvent être connectées directement au réseau plutôt que d'être alimentées par des batteries. Étant donné que LoRaWAN et Sigfox ont des temps de latence élevés et des débits de données faibles, nous pouvons compter sur NB-IoT, plus fiable et avec un temps de latence plus faible, pour réaliser ce type d'applications de comptage électrique. 

• Agriculture intelligente 

Dans le domaine de l'agriculture intelligente, nous devons réaliser des dispositifs alimentés par batterie et fonctionnant sur une longue distance. En outre, ces applications doivent être abordables pour la plupart des agriculteurs et des entreprises agricoles. Le coût est donc un facteur essentiel. Compte tenu de ces facteurs, notre option immediate pour ces applications serait LoRaWAN ou Sigfox. 

• Bâtiment intelligent 

Il s'agit notamment de la surveillance de la température et de l'humidité du bâtiment, ainsi que de la surveillance d'autres appareils intelligents. Il n'est donc pas nécessaire de surveiller ces informations en permanence et nous aurions des appareils alimentés par batterie. Cela nous aide à limiter nos options à LoRaWAN et Sigfox pour ce type d'applications IoT. 

• Industrie de la fabrication et de l'automatisation  

Il s'agit notamment de surveiller les paramètres vitaux des machines et de les contrôler avec précision. Par conséquent, nous avons besoin d'une surveillance fréquente et d'une bonne qualité de service pour ces applications. Le NB-IoT et le LTE-M sont donc les meilleures options pour répondre à ces exigences. Le LTE-M peut être utilisé si nous sommes plus préoccupés par la sécurité. 

Conclusion 

Dans cet article, nous avons brièvement examiné les différentes options disponibles pour réaliser des applications IdO massives. En conclusion, nous pouvons dire que la meilleure option est un compromis entre nos exigences et qu'elle varie selon les applications.