Introduction aux réseaux IoT : une vue d'ensemble

Brève introduction aux réseaux IoT

Cela va sans dire, la différence entre un objet quelconque et un objet connecté repose sur la connectivité de ce dernier.

Pour connecter un objet à Internet, plusieurs choix s’offrent à vous. Vous en connaissiez déjà certains : le Wifi, le Bluetooth, le réseau cellulaire (3G, 4G). Ce sont des modes de connexion extrêmement répandus et grand public.

Toutefois, certaines technologies comme le LPWAN ont été développées spécifiquement pour connecter les objets connectés. Elles ont pour but de minimiser la consommation énergétique, de maximiser la portée et de s’adapter au volume de données échangées.

Pourquoi le choix du réseau IoT est-il déterminant ?

Vous savez déjà que l’usage de vos objets connectés dépend grandement de leur mode de connectivité. Prenons un exemple du quotidien, le son de votre enceinte Bluetooth coupe au-delà de quelques mètres, ou bien le Wifi de votre appartement est moins fiable dans la chambre à coucher que dans le salon.

Pourquoi les enceintes de salon (type Sonos) sont-elles connectées en Wifi alors que les enceintes portatives sans fil le sont en Bluetooth, et non l’inverse ?

Dans le premier cas, l’enceinte n’est faite que pour être utilisée de manière immobile, branchée sur secteur, dans une pièce où le réseau Wifi est disponible.

Dans le second, l’enceinte Bluetooth peut être utilisée à la plage, recourant au réseau Internet de votre téléphone, par définition mobile.

Les 3 éléments fondamentaux d'un réseau IoT

Chaque réseau dispose de ses points forts et de ses points faibles. Cependant, chaque technologie peut être considérée en fonction de trois critères :

• Sa consommation d’énergie (combien d’énergie consommée pour envoyer 1 Mo).
• Sa bande passante (combien de temps nécessaire pour envoyer 1 Mo).
• Sa portée (sur combien de mètres ou kilomètres la connexion reste fiable).

A ces critères s’ajoute la fréquence à laquelle vous devez récupérer les données captées par votre objet (en temps réel, une fois par heure ou par jour).

Prenons l’exemple d’une caméra embarquée dans une voiture, appelée dashcam. Nous avons besoin de récupérer le film enregistré uniquement en cas d’accident.

Les dashcams connectées n’envoient donc le film à votre assureur qu’en cas de choc détecté, et suppriment les vidéos enregistrées au fur et à mesure le reste du temps.

Quel réseau IoT choisir pour connecter vos objets ?

Passons en revue l’ensemble des technologies permettant à votre objet d’être connecté à Internet, en les classant en deux catégories :

1. Réseaux « courte distance » : de quelques centimètres à quelques mètres.
2. Réseaux « longue distance » : de quelques dizaines de mètres à plusieurs kilomètres.

Nous pouvons différencier les types de réseaux IoT selon cette typologie :

• WAN (Wide Area Network) : un réseau de plusieurs dizaines de kilomètres carrés
• LPWAN (Low Power Wide Area Network) : réseau de plusieurs dizaines de kilomètres carrés mais utilisant peu d’énergie (car peu de bande passante)
• PAN (Personal Area Network) : le réseau de quelques mètres (Bluetooth)
• LAN (Local Area Network) : le réseau Internet privé de votre domicile ou de votre entreprise (Wifi)
• Satellite : partout dans le monde pour peu de ne pas être dans un tunnel (GPS)

1. Les réseaux IoT courte distance

Bluetooth

Probablement la technologie la plus grand public, démocratisée depuis le début des années 2000. 

Sa consommation d'énergie est relativement faible ainsi que sa portée (environ 10 mètres).

Le Bluetooth possède une bande passante intermédiaire (entre 1 et 3 Mb/s) mais amplement suffisante pour la plupart des utilisations classiques.

A titre d'exemple, vous pouvez streamer de la musique en MP3 mais difficile de relayer un film en HD. Le Bluetooth est un choix approprié pour beaucoup de MedTech (médecine).

Par exemple, la société DiabNext permet de surveiller son diabète à l’aide de capteurs connectés au téléphone en Bluetooth.

Zigbee

Le Zigbee est un protocole de communication similaire au Bluetooth mais dédié à l’IoT. Il consomme peu, et est fait pour envoyer de petits volumes de données (entre 20 et 250 Kb/s). Il permet d’utiliser chaque objet comme “rallonge de connexion”.

Par exemple, l’ampoule connectée de votre salon va permettre de connecter l‘ampoule de votre chambre, comme un relai jusqu’au “hub”, branché au réseau Internet. Les objets connectés de Ikea ou Philips Hue utilisent Zigbee.

Il s’agit d’envoyer en effet des ordres, tels que « allumer la lumière de la chambre», peu générateurs de données lourdes.

Wifi

Le Wifi permet un très important débit data (environ 400 Mb/s pour les modems grand public récents), de manière fiable et sécurisée. Toutefois il consomme beaucoup d'énergie et sa portée est relativement limitée (35 m), d’autant plus au travers d’obstacles comme des murs épais.

Le Wifi 6, aussi appelé Wifi AX, nouvelle génération en cours de commercialisation, va permettre d’améliorer considérablement la connectivité des objets connectés.

Avec un débit de 10 Gb/s, il permettra de gérer beaucoup plus d’appareils plus efficacement tout en consommant moins d’énergie : il s’agit de limiter le mode veille des objets en les “réveillant” lorsqu’un échange de données est nécessaire.

Le réseau Wifi très haut débit repose sur la couverture en fibre optique du territoire. Il est en effet nécessaire d’apporter le câble optique jusqu’à chaque terminal de chaque habitation ou entreprise.

Si c’est le cas dans la plupart des villes, nous en sommes très loin dans les zones rurales. En plus des opérateurs télécoms, plusieurs entreprises réalisent des poses de fibre optique à la demande, comme Netiwan.

RFID

Un mode de connexion particulier, dédié à l’identification, on pourrait le surnommer code-barre 2.0.

Une puce RFID permet d’identifier à distance, comme on le ferait en scannant un code-barre, mais jusqu’à 100 mètres. C’est une technologie qui vient en complément d’autres types de connectivité.

Une société française comme Ela Innovation permet de faciliter considérablement la logistique des grands entrepôts grâce à l'asset tracking.

Pour aller plus loin : RFID, LoRa et cartes SIM-M2M : quand les technologies de connectivité deviennent complémentaires

NFC (Near Field Communication)

Son utilisation la plus connue est le paiement sans contact. Le NFC peut échanger un très petit volume de données sur une distance très rapprochée (quelques centimètres).

C’est une technologie largement répandue pour les ouvertures de portes dans les chambres d’hôtels. Elle permet aussi d’augmenter l’expérience utilisateur de manière ludique.

Par exemple la start-up Yesitis a développé des puces NFC dans des pochettes de disques vinyles, qui permettent à l’utilisateur d’accéder à la version numérique des titres, ainsi que d’autres contenus exclusifs. 

2. Les réseaux IoT longue distance

Réseaux cellulaires

La technologie qui équipe nos téléphones portables depuis 30 ans. Plusieurs générations se sont succédé : 

• GSM : supportant uniquement les appels et SMS
• 2G : rendant possible l’envoi de MMS
• 3G : initiant l’utilisation de l’Internet mobile
• 4G : permettant le haut débit sur mobile, par exemple le streaming vidéo HD)
• 5G en cours de commercialisation (particulièrement adapté à l’IoT très gourmand en data, comme les voitures autonomes).

Pour connecter votre objet au réseau cellulaire, il faut l’équiper, comme un téléphone, d’une carte SIM. Cependant, les cartes SIM M2M ne sont pas celles vendues pour le grand public. Elles sont appelées cartes M2M, machine-to-machine.

Elles ont plusieurs spécificités, par exemple de pouvoir résister à des températures extrêmes.

L’utilisation du réseau cellulaire pour l’IoT présente de nombreux avantages : 

• Les antennes sont déjà installées et dense.
• La couverture d’une antenne s’étend sur plusieurs dizaines de kilomètres.
• La configuration est minimale.
• La part de la connectivité dans le coût de l’IoT est beaucoup plus faible que pour d’autres technologies.

L’utilisation du réseau cellulaire par l’IoT est limitée par le fait qu’il est gourmand en énergie. Le choix du cellulaire est moins évident dans des zones sans accès au réseau électrique.

Les robots agricoles de la société Naïo Technologies sont équipés de cartes M2M pour pouvoir circuler à travers plusieurs hectares tout en restant connectés. Leur autonomie dure jusqu’à 10 heures et ils sont rechargés la nuit. Il ne s’agit donc pas d’avoir un branchement électrique continu mais un accès régulier à une recharge.

Enfin, le cellulaire est aussi un mode de connectivité beaucoup plus sécurisé. C’est donc une solution particulièrement adaptée aux services publics, comme la connexion de bornes de vélos en libre-service ou encore dans le domaine de la santé et de la sécurité.

LPWAN non cellulaire

Il s’agit d’envoyer de très petits volumes de données, entre 300 bits/s et 50 kbit/s, sur une distance pouvant atteindre jusqu'à 40 kilomètres et à travers des obstacles (murs, sous terre) en consommant le moins d’énergie possible.

La technologie IoT longue distance repose sur le fait que les normes et standards utilisés sont partagés par le plus d’acteurs possible, il existe plusieurs systèmes concurrents, sous ou sans licence.

Les technologies sans licence sont présentes sur un spectre de fréquences “libres”, à la manière des radios amateurs ou des talkies-walkies. Celles sous licence nécessitent une carte SIM, car les fréquences sont attribuées par les pouvoirs publics aux opérateurs (Orange, SFR, Bouygues, Free).

A noter que ce n’est pas parce qu’une technologie est sans licence qu’elle peut être utilisée de manière libre. Pour que votre objet soit connecté aux réseaux Sigfox ou LoRa, il est nécessaire d’avoir une puce compatible.

Sigfox (société française) est un réseau de communication ultra bas débit dans plus de 70 pays. Les objets connectés compatibles peuvent communiquer de très faibles volumes de data (12 octets) au maximum 140 fois par jour. 

Le concurrent principal de Sigfox, l’alliance LoRa, est une association de plusieurs acteurs de l’IoT dans le monde, dont les objets sont connectés via la technologie LoRaWan, basée sur (et uniquement sur) une puce électronique Semtech.

Weightless est un standard open source. Son adoption est plus confidentielle que ses deux précédents concurrents, car son déploiement plus récent. Il fait plus de sens pour des projets relativement sophistiqués ainsi que dans les cas où les débits ascendants et descendants sont tous deux importants.

Ces trois systèmes, parmi de nombreux autres LPWAN, sont principalement dédiés à l’Internet des objets de type capteurs et senseurs. Il s’agit d’envoyer de très faibles volumes de data (généralement entre 300 bits/s et 50 kbit/s) :

• Température dépassant un certain niveau
• Changement anormal de pression dans une canalisation
• Mouvement imperceptible sur une structure telle qu’un pont
• Place de parking souterrain libre/occupée

La technologie LPWAN est donc parfaitement adaptée à ce type de mission, mais très limitée par la bande passante. S’il s’agit de communiquer des données plus lourdes (telles que des photos ou vidéos), le réseau cellulaire s’impose.

LPWAN cellulaire

Contrairement aux systèmes sans licence évoqués précédemment, les technologies LTE-M et NB-IoT consistent en une évolution de l’utilisation des antennes 4G existantes, et ne nécessitent pas la pose de nouvelles antennes.

Dans tous les cas, ces technologies permettent d’échanger sur le réseau cellulaire, donc avec une couverture réseau extrêmement solide et à travers plusieurs pays.

La batterie d’un capteur connecté grâce à ces technologies peut tenir entre 5 et 10 ans.

La technologie LTE-M permet l’échange de faibles quantités de données pour une consommation énergétique très restreinte. Toutefois, c’est le dispositif LPWAN qui permet la plus grosse bande passante, en plus de la voix et le SMS.

Pour aller plus loin : Qu'est-ce que la technologie LTE-M pour les objets connectés ?

Le fait que la masse de données échangées est significativement supérieure aux autres dispositifs LPWAN, et qu’il intègre le roaming, en fait une solution de choix pour tous les dispositifs médicaux de surveillance et autres IoT wearables (montres et bracelets connectés).

Dispositif cousin du LTE-M, mais un débit data 4 fois plus faible (0,24 kb/s contre 1 mo/s), le réseau Nb-IoT correspond à un usage de type : capteurs de fuite d’eau, capteurs d’acidité pour les sols agricoles, capteurs de pollution de l’air.

C’est-à-dire l’envoi de données très légères (quelques chiffres) à intervalles réguliers, et sur un capteur statique, qui peut-être enterré sous plusieurs mètres (canalisations, parking souterrain, silo agricole, cave viticole…).

Satellite

Le réseau satellite reste encore l’unique solution pour les zones reculées (haute mer, désert, haute montagne), où il n’y a aucune alternative.

Les entreprises communément appelées du New Space (Space X, Blue Origin…) développent des projets de constellations qui ont pour but de connecter toute la planète à un réseau Internet haut débit.

Si la disponibilité commerciale de ce projet prend plusieurs années, la principale conséquence est d’avoir considérablement abaissé le prix du lancement de satellites, avec une répercussion sur le prix des services associés.

Les points à retenir

Si vous ne deviez retenir qu’un seul concept, il s’agit de la balance entre 3 critères : portée, bande passante et consommation d’énergie.

Le schéma ci-dessous illustre ce concept de manière très simplifiée.

La connectivité des objets connectés est assujettie à de constantes évolutions technologiques, économiques, politiques et normatives.

Si le choix du type de connexion (WAN, PAN, LAN ou LPWAN) s’impose à vous par les contraintes techniques de l’espace et de l’utilisation et de votre objet connecté, il existe des mouvements d’influence considérables pour imposer une norme particulière plutôt qu’une autre (entre Sigfox et LoRa par exemple).

A cela s’ajoutent les débats de société sur la 5G ou la robotisation.

Le choix de la connectivité de votre gamme IoT dépasse donc un cadre purement technique, mais doit être associé à une vraie réflexion stratégique.

Pour aller plus loin : 5 critères pour bien choisir son réseau IoT