Les liaisons sans fil à faible consommation énergétique sont de plus en plus utilisées afin de faire fonctionner des équipements connectés ou des réseaux de capteurs.
De manière générale, une connexion sans fil est recherchée par commodité (plus besoin de connexion physique), par économie (coût du lien physique) mais également pour s'affranchir des contraintes physiques (implantation dans des milieux dangereux, dans des lieux difficiles d'accès, au sein du corps humain...). En revanche, les liaisons non filaires ont le désavantage d'être consommatrices en énergie afin de pouvoir transmettre l'information.
Avec l'essor d'équipements de plus en plus miniaturisés et/ou difficilement rechargeables, il est nécessaire de réduire la consommation énergétique et donc le coût énergétique de ces liaisons qui vont devenir de plus en plus usitées. Plusieurs méthodes au travers des différentes couches du modèle OSI existent afin de diminuer la consommation énergétique de ces liaisons, voire pour les rendre complètement autonomes d'un point de vue énergétique.
Liaison sans fil et consommation
Au sein d'une liaison de données sans fil, la plus grande problématique est la gestion de l'énergie. En effet, il faut pouvoir alimenter les équipements et transmettre l'information tout en minimisant la consommation énergétique au maximum. Mais ces équipements sont de plus en plus miniaturisés et souvent difficilement accessibles, la source d'énergie ne peut parfois pas être remplacée ou difficilement rechargée en fonction de son implantation (capteurs implantés dans le corps humain par exemple) ou bien encore la taille de l'équipement ne permet pas de stocker une grande quantité d'énergie.
En fonction des usages, la durée de vie des équipements ou les besoins en énergie peuvent énormément varier, par exemple pour les réseaux de capteurs, dans la plupart des scénarios la durée de vie prévue va de 2 à 5 ans, ce qui nécessite une limitation drastique de la consommation énergétique de ceux-ci. Ainsi l'utilisation du médium physique voire les matériaux utilisés dans la conception des équipements ou le type de batterie utilisé peuvent avoir un impact plus ou moins important sur la consommation, il en est de même pour les protocoles utilisés dans la gestion de la transmission à différents niveaux de la pile protocolaire du modèle OSI. Par ailleurs, la topologie et l'architecture choisies peuvent également influencer sur la consommation.
Il est donc nécessaire de trouver des moyens de faire baisser la consommation énergétique à tous les niveaux, tout en considérant le problème dans son ensemble. Il faut ainsi faire en sorte de maintenir alimentés le plus longtemps possible les équipements tout en limitant leur consommation et donc leur empreinte écologique.
En effet, de plus en plus d'équipements sans fil à faible coût et de haute qualité voient le jour sur le marché; leurs usages, applications et leurs besoins en connectivité sans fil et à faible consommation vont donc augmenter. Les réseaux sans fil représenteront 90 % de la consommation énergétique dans le cloud computing d'ici 2015 (contre 9 % pour les centres de traitement). Ainsi les NTICNTIC pour Nouvelles Technologies de l'Information et de la Communication représentent à elles-seules 10 % de la consommation électrique mondiale; un smartphone, par exemple, consommant plus d'énergie qu'un réfrigérateur.
Exemples d'usages
Domaine médical
L'utilisation des liaisons de données sans fil à faible consommation énergétique est devenue essentielle dans le domaine médical En effet, l'augmentation des coûts de santé et l'augmentation de l'espérance de vie dans les pays développés conduit à innover dans le domaine de la santé, une de ces innovations consiste à surveiller en temps réel les patients ou bien encore les stocks de produits sanguins labiles (sang, plasmas, plaquettes) au moyen de capteurs connectés.
Domaine du sport
Dans le domaine du sport, les réseaux sans fil à faible consommation sont utilisés pour mesurer en temps réel les performances et l’activité des sportifs, par exemple en utilisant un bracelet, un t-shirt ou une montre, connectés. Les différents capteurs permettent la lecture de la fréquence cardiaque, l’analyse des mouvements, les variations de température, la respiration et la localisation géographique via GPS.
thumb|right|upright=2.5| Exemples d'usages
Domaine de la domotique
L'utilisation des réseaux sans fil à faible consommation est recherchée avec l'essor des objets connectés, de la commande à distance et de la domotique. Ainsi la télésurveillance, la commande à distance d'équipements (alarmes, détecteurs de fumée, stores roulants, machine à laver, interrupteurs...), la commande des lumières ou des thermostats d'une maison peuvent être effectuées très simplement en utilisant ce type de liaisons via une simple tablette ou un smartphone par exemple .
Domaine commercial et industriel
De plus en plus, la gestion des stocks, la récupération d'informations provenant de machines industrielles ou d'équipements ainsi que leur télésurveillance sont gérés de manière non filaire (température, humidité, anomalies...) ou bien encore pour pouvoir communiquer entre différents bâtiments en créant un mini réseau local type NAN ou Neighborhood Area NetworkNAN pour Neighborhood Area Network par réseau de voisinage en français. Dans le domaine de l'agriculture, il est par exemple possible d'obtenir des informations précises sur les cultures (conditions des sols, température, teneur en pesticides...). Dans les transports, les réseaux de capteurs sans fil peuvent servir pour transmettre les informations sur la trajectoire ou la vitesse des véhicules.
Domaine de la sécurité et de la Défense
Des capteurs sont également utilisés dans le cadre de la surveillance des volcans, des activités sismiques et des fonds marins par exemple. Dans le cadre des activités militaires, ce type de réseaux est également prisé afin de suivre et surveiller les fonctions vitales des soldats, leurs positions ou suivre le déploiement des équipes mais également de transmettre des informations détaillées sur les risques sur le terrain, fournir un système à vision nocturne ou audio 3D pour permettre la détection des bruits environnants.
Domaine des télécommunications et de l'électronique
Les liaisons sans fil à faible consommation trouvent aussi leur utilité dans le M-Commerce (commerce mobile), les services, les interactions des objets que l'on appelle souvent « Internet des objets »... mais aussi dans l'électronique grand public pour le pilotage et le contrôle à distance des TV, lecteurs de DVD ou des ordinateurs et périphériques : souris, clavier, joystick...
Économies d'énergie possibles
Couche physique
La couche physique est responsable de la sélection de fréquence, la génération de la fréquence porteuse, la détection du signal, la modulation/démodulation et le chiffrement/dechiffrement des informations.
La consommation d’énergie au niveau de la couche physique peut être affectée par l’environnement de l’application, le choix du type de la modulation ou la bande de fréquence utilisée. Il est avantageux en matière d’économie d’énergie que le concepteur de la couche physique choisisse une transmission à multi-sauts plutôt qu’une transmission directe qui nécessite une puissance de transmission très élevée.
En effet, le type de modulation choisie a un impact sur la consommation énergétique. Les liaisons à faible consommation sont de petite portée et nécessitent de ce fait moins de débit et moins d'énergie, l'utilisation de modulations par changement de phase PSKPSK pour Phase Shift Keying ou modulation par changement de phase en français ou modulations par déplacement de fréquence FSKFSK pour Frequency Shift Keying ou modulation par déplacement de fréquence en français va dans ce sens, contrairement aux modulations de type OFDMOFDM pour Orthogonal Frequency-Division Multiplexing ou multiplexage par répartition de fréquences orthogonales en français utilisés dans les réseaux de longue portée et débit plus élevé tels que les réseaux téléphonie mobile ou Wi-Fi. De même, le choix de l'étalement de spectre, exemple CSSCSS pour Chirp Spread Spectrum ou étalement de spectre par gazouillis en français ou DSSSDSSS pour Direct Sequence Spread Spectrum ou étalement de spectre à séquence directe en français, peuvent avoir un impact sur la consommation énergétique. D'autres paramètres sont à prendre en compte, les contraintes réglementaires d'utilisation du spectre radio dans chaque pays, de ce fait différentes options sont proposées au sein des normes afin de pouvoir s'adapter à ces contraintes réglementaires tout en limitant la consommation énergétique. De plus, l'optimisation du temps de transmission et de la taille de la constellation minimisent la consommation énergétique au niveau de la couche physique.
Il faut donc trouver les moyens de réduire la consommation énergétique tout en respectant les contraintes physiques et réglementaires. Deux normes en particulier proposent des structures dédiées aux liaisons sans fil à faible consommation énergétique: IEEE 802.15.4 pour les réseaux personnels sans fil WPANWPAN pour Wireless Personal Area Network ou réseaux personnels sans fil en français et IEEE 802.15.6 plus axée sur les réseaux dédiés au corps humain de type BANWBAN pour Wireless Body Area Network" ou réseau corporel sans fil en français</ref>, néanmoins d'autres protocoles propriétaires existent.
IEEE 802.15.4
La norme IEEE 802.15.4 est spécifiquement dédiée aux réseaux sans fil personnels à bas débit et faible consommation, les WPAN. À la fin des années 1990, plusieurs technologies sans fil existent, notamment Wi-Fi (IEEE 802.11) et Bluetooth (IEEE 802.15.1) mais celles-ci comportent des faiblesses, principalement au niveau de l'autonomie énergétique. C'est là que naît la ZigBee Alliance qui souhaite développer une technologie à faible coût énergétique, ZigBee. En 2001, l'IEEE entame des travaux pour proposer un ensemble, « couche physique PHYPHY pour Physical, Physical layer ou Physique ou couche physique en français et couche liaison de données » et plus particulièrement la sous-couche MACMAC pour Medium Access Control ou contrôle d'accès média en français, adapté à des communications « faible distance / faible débit / faible consommation énergétique ». La première version de la norme IEEE 802.15.4 est ratifiée deux ans plus tard, en .
IEEE 802.15.4 est donc une norme radio sans fil à bas débit et à courte portée de type LP-WPAN. Elle se caractérise par une portée comprise entre quelques mètres et quelques centaines de mètres et un débit inférieur à 250 kbit/s. Elle est optimisée pour une très faible utilisation du médium, par exemple 0,1 % du temps. Le reste du temps, le module ZigBee se met en veille pour économiser son énergie. Pendant cette veille, il ne peut ni émettre, ni recevoir de données. Conçu pour interconnecter des petits équipements autonomes tels que des capteurs qui se réveillent périodiquement ou sur événement local, un émetteur-récepteur ZigBee alimenté par des piles classiques peut avoir une autonomie de quelques semaines à quelques mois voire quelques années, en fonction du profil de trafic généré sur l'onde radio. Deux différents types d'équipements sont définis par IEEE 802.15.4: les entités complètes FFDFFD pour Full Function Device ou équipement possédant toutes les fonctions en français, c'est-à-dire possédant toutes les fonctions, et les équipements avec fonctions limitées RFDRFD pour Reduced Function Device ou équipements avec fonctions limitées en français, un FFD peut parler à un autre FFD ou RFD mais un RFD ne peut communiquer que via un FFD.
ZigBee, 6LoWPAN Wireless, le protocole propriétaire WiMi et SimpliciTI sont des évolutions de IEEE 802.15.4, ils proposent, en sus des optimisations IEEE des couches PHY et MAC, des évolutions propres pour les couches supérieures.