Réseau IoT : découvrez le LPWAN

Le LPWAN est un réseau sans fil dédié à l’Internet of Things, “IoT” ou “Internet des objets”. Peu énergivore, il permet de communiquer de petites quantités de données sur de larges distances. Nous distinguons 4 principaux réseaux LPWAN : certains sont cellulaires, d'autres non-cellulaires. Le choix de l’un ou de l’autre dépend des besoins et des contraintes de l'infrastructure IoT en termes de débit, de portée, de consommation énergétique et de coût de déploiement.

Une récente étude IoT Analytics estime que les réseaux LPWAN pourraient couvrir 2,5 milliards de connexions IoT d’ici 2025. Ces réseaux ont effectivement été développés spécifiquement pour les besoins des objets connectés. Ils réclament peu de batterie, peu de puissance, tout en permettant les communications sur des distances importantes. Comprendre leur fonctionnement et le contexte de leur apparition permet de les différencier. C’est aussi le meilleur moyen de faire le bon choix de réseau pour son système IoT.

Qu’est-ce que LPWAN et à quoi ça sert ?

Un LPWAN se définit comme un “réseau étendu à basse consommation”, c’est-à-dire un réseau sans fil, longue portée et bas débit. L’acronyme LPWAN vient effectivement de l’anglais Low Power Wide Area Network. Il s’agit d’un type de réseau très usité par l’Internet des objets et par les communications Machine-to-Machine (M2M). L’IoT repose sur l’échange de petites quantités de données. Les objets connectés ne réclament ainsi pas de gros débits. Ils n’ont notamment pas besoin de la puissance des réseaux mobiles classiques. Un réseau LPWAN se distingue ainsi par le fait qu’il nécessite peu de puissance pour envoyer et recevoir des données. Il permet cependant de les porter sur de longues distances, parfois jusqu’à 50 kilomètres. C’est en outre un réseau doté d’une pénétration appréciable : il n'est pas freiné par les bâtiments.

Comment émergent les réseaux étendus à basse consommation ?

Les développeurs d’une infrastructure IoT choisissent leur équipement de communication sans fil selon 4 paramètres :

le débit de transmission des données sur ce réseau ;
sa portée ;
sa consommation d’énergie ;
le coût de déploiement dudit réseau.

Traditionnellement, les technologies de communication disponibles comprennent deux types de solutions :

le WiFi, la norme Bluetooth, le protocole ZigBee ou la radio-identification RFID pour les applications couvrant de courtes distances ;
les réseaux mobiles 2G à 5G pour transférer les datas de dispositifs IoT sur de longues distances.

Les réseaux LPWAN apparaissent pour proposer un troisième type de connectivité sans fil aux objets connectés. Des réseaux qui réclament moins d’infrastructures que les technologies mobiles traditionnelles, et sont donc moins coûteux. Ces réseaux étendus à basse consommation servent cependant à transporter de petites quantités de données sur des dizaines de kilomètres, grâce aux serveurs distants. Ils consomment en outre moins d’énergie que les réseaux cellulaires classiques.

Différents types de réseaux LPWAN

Il existe dorénavant deux catégories de réseaux LPWAN :

Les réseaux LPWAN privés non-cellulaires s’appuient sur des infrastructures privées. Ils recoupent notamment le Sigfox et le LoRaWAN, le LoRa étant particulièrement utilisé par Requea.
Les réseaux LPWAN cellulaires du domaine public comprennent le NB-IoT - ou “Narrowband IoT” - et le LTE-M. Ces protocoles relèvent des opérateurs de téléphonie, et s'appuient sur les technologies 4G traditionnelles. Compatibles 5G, ils ne sont pas encore déployés partout en France.

Ces réseaux proposent des portées, des débits, des coûts de déploiement et des consommations électriques variables. Il faut les connaître au moment de construire un service IoT innovant.

Les réseaux LPWAN non-cellulaires

Le réseau Sigfox est le premier réseau LPWAN non-cellulaire. Il relève d’une startup française créée en 2009, SigFox. Ses infrastructures ont une portée comprise entre 3 et 10 kilomètres sur les zones denses. Cette portée atteint néanmoins les 50 kilomètres quand il y a peu d’obstacles, un record dans ce domaine. Ce réseau LPWAN couvre par ailleurs la totalité du territoire français, et 71 autres pays. Il garantit un débit de données de 100 bits/seconde. Le protocole LoRaWAN est l’acronyme de Long Range Radio Wide Area Network. Il s’appuie sur la technologie LoRa (Long Range). Celle-ci se sert elle-même de réseaux ethernet, WiFi, 3G et 4G et du Cloud. Le LoRaWAN incarne le réseau LPWAN le plus facile à déployer, selon la renommée Comparative study of LPWAN technologies for large-scale IoT deployment, menée par Mekki, Bajic, Chaxel et Meyer. Si nous privilégions particulièrement ce réseau chez Requea, c’est notamment parce que son utilisation permet de réduire la consommation d’énergie des infrastructures IoT. Une simple batterie permet ainsi de maintenir la connexion de l’objet connecté pendant plusieurs années. Autre avantage considérable de ce protocole réseau : sa portée. Le LoRaWAN permet de jouer sur le débit pour améliorer la portée, et inversement. Il couvre ainsi des distances de 5 kilomètres en moyenne en ville, contre 15 kilomètres en zone rurale, en intérieur comme en extérieur. Il résiste en outre très bien aux interférences. Ce réseau LPWAN affiche par ailleurs des débits maximum de 22 kbits/s.

Les réseaux cellulaires les plus utilisés

Côté réseaux LPWAN cellulaires, deux possibilités. C’est Huawei qui est à l’origine de la première : le réseau Nb-IoT. Ce réseau, parfois appelé LTE Cat-NB1, promet une portée de 1 km en zone urbaine, contre 10 km en zone rurale. Il garantit un débit de 20 à 250 kbits/s. Un débit assez bas, somme toute. Celui-ci aide à réduire la consommation électrique de nombreux objets connectés. Il participe ainsi à la baisse de leurs coûts. Le réseau LPWAN LTE-M, enfin, se surnomme aussi parfois LTE Cat-M1. Il incarne un réseau peu cher et peu énergivore pour l’IoT. Il propose une portée de 0,4 km en zones urbaines et 8 km en zones rurales. Ses débits de transmission varient de la dizaine de bits par seconde à 1 Mbits/s. Il a la préférence d’un opérateur comme Orange, qui détaille la carte de déploiement de son réseau LTE-M.