Un réseau étendu à basse consommation (Low Power Wide Area Network ou LPWAN) est un type de réseau employé dans l'Internet des objets (Internet of Things ou IoT) et dans la communication intermachines (Machine to Machine ou M2M).
Les LPWAN, apparus dans la décennie 2010, constituent un nouveau modèle de communication dans l'IoT, à côté des réseaux sans fil à faible portée et des réseaux cellulaires conventionnels. Ils proposent des compromis originaux répondant aux contraintes de contextes IoT de plus en plus répandus : un grand nombre d'objets, doté chacun d'une longue portée (quelques kilomètres) et traitant occasionnellement de petites quantités d'information, tout en maintenant une faible consommation électrique, l'alimentation s'effectuant le plus souvent par une pile devant durer plusieurs années.
On peut citer comme exemples d'application la gestion des places d'un parking (contexte smart city), la surveillance de surfaces cultivées (contexte smart farming), le comptage d'eau (contexte smart metering) ou le suivi de flottes (contexte asset tracking).
Cet article n'énumère pas les caractéristiques des différents LPWAN existants pris un par un. Pour cela on pourra se reporter aux liens internes. Au contraire, il situe les LPWAN dans le contexte des réseaux sans fil pour l'IoT puis recense leurs caractéristiques générales.
Description vignette|Architecture d'un réseau LPWAN|alt=|440x440px Dans sa forme la plus répandue, un LPWAN est constitué d'un nombre plus ou moins grand de nœuds terminaux (end nodes ou end devices), et d'une ou plusieurs passerelles (base station, gateway ou access point) avec lesquelles ils communiquent par ondes radioélectriques. À l'image de la gauche de la figure ci-contre, la plupart des LPWAN ont une topologie étoile.
Chaque nœud terminal est un objet connecté. Dans sa forme la plus simple il s'agit d'un capteur associé à un microcontrôleur relié à un circuit émetteur-récepteur sans fil (wireless transceiver). À son initiative, le microcontrôleur fait l'acquisition de la grandeur mesurée par le capteur, traite éventuellement celle-ci, puis l'émet grâce au transceiver ; c'est une transmission montante (uplink ou UL). Quand tout se passe bien, une (ou des) passerelle(s) reçoive(nt) la donnée émise.
Dans l'autre sens de circulation de l'information, plus rare, une passerelle peut envoyer des informations vers un objet. Cette transmission descendante (downlink ou DL) est utilisée par la passerelle pour, par exemple :
signifier à l'objet qu'elle a bien reçu une mesure (acquittement), envoyer à l'objet des informations de reconfiguration, voire dans certains cas un nouveau firmwareCes "mises à jour dans l'air" (Over The Air updates) sont fondamentales pour la sécurité., envoyer à l'objet un signal de commande quand l'objet est un actionneur plutôt qu'un capteur.
Les passerelles d'un LPWAN sont aussi reliées via un réseau intermédiaire (backhaul network) à des serveurs connectés à Internet. Ainsi, les données de mesure peuvent être consultables via une application utilisateur et à l'inverse une application utilisateur peut envoyer des informations à l'objet.
Réseaux pour l'IoT antérieurs aux LPWAN Des réseaux, souvent antérieurs aux LPWAN, sont très utilisés dans l'IoT et continueront de l'être conjointement au développement des LPWAN. Ces réseaux ont leurs avantages propres mais nous mettons en évidence pour chacun, conjointement à un court descriptif, pourquoi ils ne peuvent être classés parmi les LPWAN : soit parce qu'ils n'ont pas le côté longue portée, soit parce qu'ils n'ont pas le côté basse consommation. Certains ne permettent pas non plus un nombre important d'objets. vignette|Diagramme indicatif (portée - débit) de quelques technologies sans fil Nous présentons ces technologies en les classant selon leur portée. La vignette ci-contre montre qualitativement sur un diagramme portée - débit où les LPWAN se situent par rapport à ces réseaux. En outre, comme en première considération la consommation électrique d'une technologie est liée au débit d'information, ce diagramme permet de se fixer des ordres de grandeur quant aux consommations des technologies les unes par rapport aux autres.
Réseaux à faible portée
RFID (RadioFrequency IDentification) et NFC (Near Field Communication) RFID et NFC sont des technologies de communication à très faible portée (quelques mètres pour RFID, quelques centimètres pour NFC), utilisées par exemple dans les étiquettes d'identification d'articles de magasin ou dans le paiement sans contact à l'aide d'un smartphone. Elles ne sont pas détaillées dans cet article.
Réseaux WPAN (Wireless Personal Area Network)
Réseaux basés sur IEEE 802.15.4 tels ZigBee ou 6LoWPAN : Ces implémentations se préoccupent de l'aspect basse consommation mais ont par contre une couverture assez faible, de l'ordre d'une centaine de mètres. ZigBee permet des réseaux utilisés surtout dans la domotique. 6LoWPAN trouve quant à lui un exemple d'application dans les réseaux de capteurs sans fil (Wireless Sensor Network ou WSN). Moyennant une configuration exigeante et un coût en ressources, ces réseaux peuvent être résilients face à une rupture de lien, une erreur de nœud ou la mobilité d'un nœud. Les topologies (étoile, mesh, arbre) sont plus variées que celles des LPWAN mais un routage multi-hop est nécessaire, ce qui peut nuire à l'autonomie énergétique de certains nœuds. Les objets d'un réseau 6LoWPAN jouissent toutefois de l'adressage IPv6, critère pouvant être décisif. Au niveau du débit, ZigBee oscille entre 20 kbit/s et 250 kbit/s. Réseaux Bluetooth : Les usages classiques domestiques du Bluetooth (enceinte, montre connectée, etc.) permettant de constituer des réseaux de quelques objets sont connus du grand public. Selon les usages, les débits peuvent aller de quelques dizaines à quelques centaines de kbit/s. À partir de sa version 4.2 le Bluetooth Low Energy (BLE) prend en charge 6LoWPAN, ce qui laisse entrevoir la constitution de réseaux plus denses. Mais dans tous les cas la portée de quelques dizaines de mètres en l'absence d'obstacle n'a aucun rapport avec celles à l'œuvre dans les LPWAN.
Réseaux WLAN (Wireless Local Area Network) basés sur IEEE 802.11 a/b/g/n/ac Le Wi-Fi "conventionnel", puisque c'est de cela qu'il s'agit, est caractérisé par des débits élevés (quelques centaines de Mbit/s pour 802.11ac), une facilité de déploiement et une interopérabilité importante. Cela dit sa consommation relativement conséquente et sa faible portée (quelques dizaines de mètres) en font rarement un choix idéal pour des objets sur batterie très éloignés d'une passerelle (un routeur Wi-Fi dans ce cas). Il faut toutefois noter le développement de l'amendement IEEE 802.11ah (Wi-Fi Halow) clairement orienté IoT, qui, avec un choix de fréquence dans une bande ISM Sub-, permet, par rapport aux deux autres bandes ISM et utilisé par le Wi-Fi conventionnel, de mieux franchir les obstacles et d'obtenir une plus grande portée (plusieurs centaines de mètres) tout en consommant moins. Le débit peut aller jusqu'à plusieurs dizaines de Mbit/s. La portée n'est cela dit pas à la hauteur de celle des LPWAN.
Réseaux à longue portée Il s'agit des réseaux cellulaires de téléphonie conventionnels type 2G, 3G et 4G. Puisque de nombreux cas d'usage de l'IoT réclament désormais des portées élevées de la part des objets (quelques kilomètres), les technologies cellulaires semblent toutes indiquées étant donné des portées du même ordre entre un appareil cellulaire et son antenne relais. Cette réflexion est cela dit vite démontée. En effet, au fur et à mesure de l'évolution des normes de la téléphonie cellulaire, la tendance a été au sein d'une cellule de garantir pour un petit nombre d'utilisateurs toujours plus de bande passante pour le multimédia (1 Gbit/s théorique annoncé pour la 4G), et ce au prix d'une consommation conséquente des appareils. Dans le contexte IoT qui nous préoccupe, c'est un peu l'opposé que l'on recherche, à savoir : des nœuds terminaux en grand nombre autour d'une passerelle, un bas débit (low throughput) de transmission des données et une faible consommation. Heureusement, l'organisation de standardisation 3GPP a proposé en 2016 des normes de réseaux cellulaires pour l'IoT, ceux-ci se classant parmi les LPWAN.
Panorama des LPWAN En 2018, on évalue à 25% la part des objets connectés prenant place dans des LPWAN.
Les LPWAN présentent plus d'une dizaine d'implémentations très hétérogènes quant à la portée des nœuds, le débit atteignable, la modulation utilisée, le côté propriétaire ou ouvert de certaines couches, l'utilisation de bandes ISM ou de bandes licenciées, la nécessité de souscription auprès d'un opérateur, etc.
On peut cela dit les classer en deux catégories :
Ceux utilisant des bandes ISM (ne nécessitant pas de licence, comme en Europe les bandes , et ). Sans tenter d'être exhaustif, on peut citer : Sigfox, LoRaWAN, mioty Wize, Ingenu, Telensa, IEEE 802.15.4k, IEEE 802.15.4g, Weightless-W / Weightless-N / Weightless-P DASH7.
En France, Sigfox, LoRaWAN et Wize ont un déploiement significatif : Sigfox, à la fois opérateur et pourvoyeur de sa solution technologique, a une couverture quasi nationale en 2019; LoRaWAN dispose d'une couverture comparable grâce aux opérateurs Bouygues Telecom et Orange qui, moyennant un abonnement, offrent un accès à leur infrastructure LoRaWAN. Wize dispose du plus grand réseau IoT européen de par le déploiement de 15 millions de compteurs communicants par GRDF. Citons également le déploiement de 5 millions de tels compteurs par Suez en Europe, Asie, Amérique du Sud et Afrique du Nord. La technologie Wize permet également de créer des réseaux privés, la technologie étant libre de droit.
Ceux utilisant des bandes licenciées. Ils correspondant aux réseaux cellulaires pour l'IoT, à savoir EC-GSM-IoT, NB-IoT et LTE-M, proposés dans la release 13 (2016) de 3GPP. Ces réseaux partent de normes de réseaux cellulaires existantes, ensuite optimisées pour l'IoT, notamment au regard de la consommation (plus faible) et du débit (plus faible) : EC-GSM-IoT (EC signifiant Extended Coverage) est une adaptation des réseaux 2G GPRS, historiquement assez utilisés dans la communication M2M. Aucun opérateur ne propose ce standard en France. De plus, dans certains pays, la 2G va être stoppée pour récupérer ses bandes de fréquences. LTE-M, également appelé eMTC (enhanced Machine Type Communication) ou LTE Cat M1, dérive du standard LTE (Long Term Evolution) de 3GPP apparu entre la fin de la 3G et le début de la 4G. L'opérateur Orange affirme en 2019 couvrir 98 % de la population française en LTE-M. Le débit maximum est de 1 Mbit/s, le transport de SMS, voix, images et vidéos est possible. NB-IoT (Narrow Band IoT), également appelé LTE Cat NB1, dérive aussi de LTE. En France, l'opérateur SFR a déployé un réseau national NB-IoT en 2019. Le débit maximum est d'environ 100 kbit/s soit 10 fois moins que celui de LTE-M mais la consommation est moindre.
La 5G, dont les standards sont aussi définis par 3GPP et qui est déployée en France à partir de 2020, intègre trois dimensions :
l'accès en mobilité à très haut débit, les missions critiques, le déploiement massif des objets connectés à très faible énergie.
LTE-M et NB-IoT sont les supports de la dernière dimension, ce qui leur donne une bonne visibilité pour les années à venir. En outre, concernant le déploiement, il y a peu de coût d'infrastructure : LTE-M ne nécessite qu'un changement de logiciel des stations de base LTE et NB-IoT requiert certes des modems mais de faible coût. On pourra se reporter à l'article 5G pour l'Internet des objets pour plus de détails.
Caractéristiques générales des LPWAN Dans cette section, on tente de donner les caractéristiques qualitatives communes à toutes les implémentations de LPWAN.
Longue portée, faible débit (long range, low data rate)