Quelle technologie radio pour vos objets connectés ? Troisième partie

Il y a quelque temps nous avions essayé de répondre à la question suivante : Quelle technologie radio choisir pour les objets connectés ? à partir de plusieurs critères. Nous avions donc comparé les performances de différents protocoles de communication sans-fil LAN (Local Area Network). Nous allons faire aujourd’hui cette même comparaison mais pour des technologies adaptées à d’autres usages : les LPWAN, Low Power and Wide Area Network.

Les technologies

Dans un premier temps nous allons présenter ce que sont les LPWAN. Ensuite nous comparerons les technologies les plus représentatives de l’IoT existantes : LoRaWAN, LTE Cat-M1, NB-IOT et Sigfox. Cependant, cette liste de protocoles radios n’est pas exhaustive, nous présentons aujourd’hui les technologies disponibles pour couvrir les usages LPWAN (télérelève de compteurs, monitoring environnemental, gestion de parking, gestion de déchets etc…).

Les réseaux LPWAN sont des technologies de réseau basse consommation et à longue distance, conçus spécifiquement pour les échanges de données applicables au domaine de l’IoT. La faible consommation d’énergie de ces technologies permet de déployer des capteurs autonomes en énergie pour plusieurs années. Ces technologies sont donc destinées aux objets connectés qui communiquent peu et qui n’ont souvent pas accès à une source d’énergie électrique pour les alimenter. On distingue les réseaux LPWAN non cellulaires, LoRa et Sigfox, et les réseaux cellulaires comme LTE Cat-M1 et NB-IoT.

LoRaWAN

Le protocole LoraWAN permet à toute entreprise de déployer des capteurs LoRa, aussi bien sur le réseau public d’un opérateur télécom que sur son propre réseau privé. Les communications sont alors longues portées et robustes. Cette technologie bidirectionnelle permet de faire des compromis entre la quantité de données à transmettre, la portée, et l’autonomie énergétique.

Nous pourrons par exemple émettre jusqu’à 500 messages par jour de 51 octets en fonction du besoin. Il est également possible de piloter des objets par messages LoRa.

Redécouvrez notre cas d’usage s’appuyant sur la technologie LoRa dans le cadre du déploiement de réseau IoT pour Rennes Métropole ici

Sigfox

Grâce à une technologie très adaptée aux contraintes de l’IoT -faible consommation et longue portée- la technologie Sigfox apporte une bonne couverture en milieu urbain, notamment dans les endroits enterrés. Cette technologie unidirectionnelle (du capteur vers le réseau) est très adaptée aux cas d’usages pour lesquels très peu de données doivent être envoyées (limitation à 144 messages de 12 octets par jour). Nous ciblerons donc plutôt des usages comme la télé-relève de compteurs d’eau ou de gaz, ou les détecteurs d’ouverture de porte.

LoRaWAN et Sigfox sont optimaux pour une très faible consommation à un faible coût. Le coût des composants NB-IOT et LTE-M est en effet aujourd’hui encore bien supérieur à celui des composants LoRaWAN et Sigfox (Cf. « tableau comparatif des LPWAN » en bas de l’article)

NB-IOT

Le NB-IOT, en cours de déploiement, s’appuie sur les réseaux 4G existants, accessibles sous licence et pilotés par des opérateurs. Aujourd’hui SFR et Orange déploient un réseau NB-IOT en France. La technologie radio utilisée permet d’améliorer la pénétration à l’intérieur des bâtiments ou en sous-sol comparé à la couverture 2G/3G/4G. Il existe en Asie des cas d’usage s’appuyant sur la technologie NB-IOT pour la smart agriculture.

LTE Cat-M1

Le LTE Cat-M1, en cours de déploiement également, est un dérivé de la technologie 4G LTE qui optimise la consommation énergétique de ces objets grâce à des mécanismes de mise en veille. Plus énergivore que les autres LPWAN, elle permet cependant des débits plus élevés, des latences plus faibles, et rend possible la transmission de photos ou de voix. (Cf. « tableau comparatif des LPWAN » en bas de l’article). Contrairement aux autres LPWAN, elle permet aussi d’adresser des usages de tracking dans plusieurs pays. C’est en Nouvelle-Zélande que Vodafone pratique des essais de déploiement d’un réseau LTE Cat-M1 depuis 2017 pour la smart agriculture. Néanmoins, des accords de roaming entre opérateurs manquent à l’appel pour les applications à l’international.

Ces 2 derniers réseaux bénéficient des portées des technologies LoRa et Sigfox sur des zones géographiques élargies, mais seul le LTE-M permet la mobilité. En revanche, leur consommation est telle qu’il faut bien étudier l’usage pour ne pas avoir à changer les piles des capteurs tous les 6 mois !

Contrairement aux technologies radio telles que la Wifi, le Bluetooth, le ZigBee évoqués dans la partie précédente de l’article, les LPWAN ont une très grande portée, pouvant facilement atteindre une distance maximale de 10 km entre les objets.

En théorie, le protocole NB-IoT permet de meilleures portées en comparaison des autres LPWAN. Mais cela se fait au détriment de la consommation puisque la portée est obtenue par répétition des messages émis. On augmente ainsi artificiellement les chances de capter le message d’un capteur sans réellement avoir de meilleure sensibilité.

Sigfox et LoRaWAN permettent de transporter de très faibles quantités de données, leurs débits sont faibles. Le protocole NB-IoT fonctionne sur les mêmes fréquences que le protocole LTE, mais sur une bande plus étroite. Les débits sont plus importants, mais sans toutefois permettre de transférer une image. A l’inverse des autres technologies LPWAN, la technologie LTE-M1 a un débit élevé.

Si nous comparons les différentes technologies en fonction du débit maximum théorique, nous pouvons les classer comme suit :

 Sigfox < LoRa < NB-IOT < LTE-M

Plus le capteur est capable de s’endormir longtemps sans émettre, meilleure sera l’autonomie. LoRaWAN se démarque car il a l’avantage de pouvoir se réveiller une fois par jour pour émettre un message. Sigfox vient juste derrière avec la possibilité d’émettre également une fois par jour, mais des messages qui sont triplés pour maximiser les chances de transmission. En NB-IoT et LTE-M, la consommation est intrinsèquement plus forte malgré des mécanismes d’endormissement conçus spécifiquement pour la limiter.

Voici la comparaison de la consommation d’énergie des différentes LPWAN :

LTE-M < NB-IOT< Sigfox < LoRa

Pour les capteurs ayant besoin d’être mobiles, il faut privilégier l’usage du LTE-M ou de LoRaWAN. Les messages Sigfox ne sont pas très résistants aux changements rapides d’environnement. Le protocole NB-IoT n’est pas prévu pour que le capteur soit mobile. (Cf. « tableau comparatif des LPWAN »)

Voici comment nous pourrions classer les différentes technologies en fonction de leur mobilité :

NB-IoT < Sigfox < LoRa < LTE-M

Sources utilisées pour la rédaction de cet article

Les 5 pilliers d’un projet IoT par Houria Tair // Qu’est-ce que NB-IoT ? par Integral system

LTE-M : les caractéristiques du réseau promu par Orange en France par Le Journal du Net

Quelle technologie choisir pour connecter les objets ? par Decideo ainsi que par Le Journal du Net

LTE-M pour des objets connectés : avantages et spécificités techniques par Matooma

Réseau LoRaWAN privé par IoT Factory // LoRa Module par muRata

WSSFM10R1 par Partners Sigfox // SARA-R4 series par Ublox