LPWAN (Low Power Wide Area Network) 5 minutes
Le réseau étendu à faible consommation (LPWAN) est une technologie sans fil qui permet de connecter des appareils alimentés par batterie et disposant d’une faible bande passante en utilisant de faibles débits binaires sur de longues distances.
Créés pour prendre en charge les réseaux de machines à machines (M2M) et l’internet des objets (IoT), ces réseaux sont plus abordables et offrent une meilleure efficacité énergétique que les réseaux mobiles classiques. Ils ont également la capacité de prendre en charge un plus grand nombre d’appareils connectés sur une zone plus étendue.
Les LPWAN peuvent prendre en charge des paquets de 10 à 1 000 octets à des vitesses allant jusqu’à 200 kbps. La portée des réseaux LPWAN varie entre 2 et 1 000 km, selon le type de technologie.
La plupart des WAN utilisent une topologie asymétrique. Comme pour le Wi-Fi et les autres WAN, chaque point d’extrémité est connecté directement à des points d’accès centraux.
Types de LPWAN
Le LPWAN n’est pas une technologie unique, mais plutôt un ensemble de technologies WAN à faible consommation d’énergie qui peuvent prendre différentes formes. Les réseaux LPWAN peuvent utiliser des fréquences sous licence ou non, et inclure des options standard ouvertes ou propriétaires.
Le système propriétaire sans licence Sigfox est l’un des LPWAN les plus utilisés à l’heure actuelle. Fonctionnant sur un réseau public dans les bandes 868 MHz et 902 MHz, la technologie à bande ultra étroite n’autorise qu’un seul fournisseur de services par pays. Elle peut transmettre des messages sur des distances comprises entre 30 et 50 kilomètres en zone rurale et entre 3 et 10 kilomètres en zone urbaine, et jusqu’à 1 000 kilomètres en ligne de vue directe. La taille du paquet est limitée à 150 messages de 12 octets par jour. Les paquets de la liaison descendante sont moins nombreux et limités à quatre messages de 8 octets par jour. La transmission des données aux points d’extrémité peut également être sujette à des interférences.
L’accès multiple à phase aléatoire, ou RPMA, est un LPWAN unique développé par Ingenu Inc. Bien qu’il soit moins efficace, il offre une plus grande zone de couverture (jusqu’à 50 km en visibilité directe et 5 à 10 km hors visibilité directe) et une communication bidirectionnelle plus importante que Sigfox. Cependant, comme il fonctionne dans le spectre des 2,4 GHz, il est susceptible d’être perturbé par le Wi-Fi, le Bluetooth et d’autres structures physiques. En outre, la consommation d’énergie est généralement supérieure à celle des autres réseaux sans fil (LPWAN).
Le réseau LoRa sans licence, défini et approuvé par l’Alliance LoRa, transmet sur plusieurs fréquences inférieures à un gigahertz, ce qui le rend moins sensible aux interférences. Basé sur la modulation à spectre étalé (CSS), LoRa permet aux utilisateurs de définir la taille de leur paquet. Bien qu’elle soit gratuite, la puce émettrice-réceptrice utilisée pour mettre en œuvre LoRa n’est disponible que par l’intermédiaire de Semtech Corporation, la société responsable de la technologie. LoRaWAN est le protocole de la couche MAC (Media Access Control) qui régit la communication entre les appareils LPWAN et les passerelles.
Weightless SIG a créé trois normes pour le LPWAN, à savoir la norme unidirectionnelle Weightless N, la norme bidirectionnelle Weightless P et la norme Weightless W, qui est également bidirectionnelle et fonctionne sur le spectre TV inutilisé. Les normes Weightless-N et Weightless-P sont généralement les plus populaires en raison de la durée de vie plus courte des piles de la norme Weightless-W. Le Weightless-N et le Weightless-P fonctionnent dans un spectre sans licence qui est inférieur à 1 GHz, cependant ils permettent également un fonctionnement dans un spectre sous licence en utilisant une technologie à bande étroite de 12,5 KHz.
Narrowband-IoT (NB-IoT) et LTE-M sont deux normes du Third Generation Partnership Project (3GPP) qui fonctionnent dans un spectre sous licence. Bien qu’elles offrent des performances similaires à celles des autres normes, elles sont basées sur l’infrastructure cellulaire existante, ce qui permet aux fournisseurs de services d’ajouter rapidement la connectivité IoT mobile à leurs offres.
NB-IoT, également appelé CAT-NB1, fonctionne sur l’infrastructure LTE actuelle et le système mondial de téléphonie mobile (GSM). Il peut fournir des vitesses de liaison montante et descendante de 200 Kbps. Il n’utilise que 200 kHz de bande passante.
Le LTE-M, également appelé CAT-M1, fournit plus de bande passante que le NB-IoT et possède la plus grande bande passante de toutes les technologies LPWAN.
Certaines entreprises, comme Orange et SK Telecom, déploient à la fois des technologies sous licence et sans licence pour profiter des deux marchés.
Parmi les autres options technologiques LPWAN, citons .
- GreenOFDM est un produit de GreenWaves Technologies.
- DASH7 est un produit de Haystack Technologies Inc.
- Symphony Link de Link Labs Inc.
- ThingPark wireless d’Actility
- Ultra Narrow Band de diverses sociétés, dont Telensa, Nwave et Sigfox.
- WAVIoT
LPWAN vs. Cellulaire, RF, maillage
Bien que Bluetooth, Zigbee et Wi-Fi fournissent une connectivité IoT adéquate au niveau du consommateur, plusieurs applications IoT – en particulier les déploiements commerciaux, industriels et privés – peuvent bénéficier d’un LPWAN qui permet de prendre en charge de manière rentable un large éventail d’appareils à faible puissance dans de nombreuses zones.
Contrairement à d’autres techniques sans fil, le LPWAN fournit une connectivité omniprésente et à large bande avec une faible consommation de batterie, ce qui permet davantage d’applications IoT et M2M qui étaient prohibitives. Cependant, l’un des principaux inconvénients est le volume des données envoyées. Or, selon James Brehm & Associates, 86 % des appareils IoT consomment moins de 3 Mo de données par mois et le 3GPP estime que 99,9 % des appareils LPWAN consommeront moins de 150 Ko de données par mois.
Les réseaux cellulaires souffrent souvent d’une faible autonomie de la batterie et peuvent être sujets à des lacunes de couverture. La technologie cellulaire est également sur le point d’être éliminée. Étant donné qu’un grand nombre d’appareils IoT sont utilisés pendant une période de 10 ans ou plus, l’élimination de la couverture des appareils cellulaires ne sera pas une option.
Les technologies de radiofréquence (RF) telles que Bluetooth et la communication en champ proche (NFC) ne sont pas en mesure d’offrir la portée requise par de nombreuses applications IoT.
Les réseaux maillés, comme Zigbee, sont mieux adaptés aux applications IoT de moyenne portée, comme les maisons et bâtiments intelligents. Ils sont capables de transmettre des débits de données élevés et sont moins efficaces que les réseaux LPWAN.
Applications LPWAN
Avec des besoins énergétiques moindres, des portées plus importantes et un coût inférieur à celui des réseaux mobiles classiques, les LPWAN peuvent prendre en charge de nombreuses applications IoT et M2M, dont certaines étaient limitées par des problèmes d’alimentation et de budget.
Le choix d’un LPWAN dépendra des exigences spécifiques de l’application utilisée, notamment la vitesse souhaitée ainsi que le volume de données et l’espace couvert. Les LPWAN sont idéaux pour les applications qui nécessitent une transmission fréquente de messages de petite taille sur la liaison montante. La majorité des technologies LPWAN comprennent également des capacités de liaison descendante.
Les réseaux LPWAN sont souvent utilisés dans des applications telles que les compteurs intelligents, les ampoules intelligentes, le suivi et la surveillance des biens, les villes intelligentes, la surveillance du bétail, l’agriculture intelligente et la gestion de l’énergie (réseau intelligent), la fabrication, l’industrie et les déploiements IoT.
Sécurité LPWAN
Les différentes options technologiques LPWAN offrent différents degrés de sécurité. La majorité d’entre elles incluent l’authentification de l’abonné ou du dispositif et la protection de l’identité, l’authentification du réseau le chiffrement avancé des messages de la norme de chiffrement (AES) et le provisionnement des clés.
L’avenir du LPWAN
En tant que technologie émergente, le marché LPWAN est en constante évolution et est loin d’être mature. Avec une variété d’entreprises en concurrence sur le marché, il est difficile de savoir qui seront les gagnants ou les perdants, d’autant plus que le rythme de croissance du marché n’est pas encore connu. Les performances à long terme de chaque variante de LPWAN ne sont pas claires, car la plupart sont au stade initial du déploiement et les tests à grande échelle ne sont pas encore terminés.
