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LPWA

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Qu’est-ce que le LPWA ?

 

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L’acronyme LPWA correspond à Low-Power Wide-Area, auquel on accole habituellement le « n » de network pour désigner un réseau de longue portée à basse consommation. Il ne s’agit pas d’une technologie à proprement parler, mais d’un terme générique définissant un réseau conçu pour communiquer sans fil en consommant moins d’énergie que les réseaux cellulaires, satellites ou le wifi.

L’acronyme LPWA est comparable aux termes LAN ou WAN, dans le sens où il n’a pas de définition officiellement arrêtée. Les réseaux de ce type peuvent communiquer sur de plus grandes distances que les autres réseaux basse consommation qui s’appuient sur le Bluetooth ou le NFC, par exemple.

Quand on désire communiquer des données sur de longues distances tout en consommant peu d’énergétique, on doit généralement se contenter de transmettre de petites quantités de données à chaque fois. Si les réseaux cellulaires modernes sont en passe d’atteindre le cap du gigabit par seconde avec la technologie LTE Advanced et le déploiement imminent de la 5G, les réseaux LPWA transmettent bien moins de données : juste quelques kilobits par canal. En revanche, la plupart d’entre eux ont un rayon de communication inégalable, puisqu’il peut dépasser 800 km.

À quoi servent les réseaux sans fil basse consommation ?

 

Eu égard à la faiblesse de leur débit, les réseaux LPWA sont de facto inadaptés à la plupart des applications destinées aux particuliers ou aux entreprises comme les appels vocaux et vidéo, l’audio ou même l’échange de SMS. Dès lors, leur utilisation se limite quasi exclusivement aux objets connectés et à la communication M2M (de machine à machine).

Tandis que les appareils domestiques ou professionnels comme les réfrigérateurs, les ampoules, ou les thermomètres connectés peuvent facilement s’enrichir de fonctionnalités nouvelles grâce à la connexion wifi d’une maison ou d’une entreprise, certains appareils ne peuvent bénéficier d’une telle connectivité.

Imaginons un canal d’irrigation qui s’étire sur plusieurs kilomètres de campagne en plein milieu de la Beauce. Cette chaîne de cours d’eau et de fossés est bordée de centaines, voire de milliers de pompes et de portes. L’essentiel du canal passe à travers des propriétés privées, d’un champ de culture à l’autre, et sur plusieurs kilomètres. Du coup, il serait malcommode, voire totalement inutile, de parcourir le canal dans toute sa longueur, ne serait-ce qu’une fois par jour, pour vérifier que les pompes fonctionnent bien. Si une pompe à l’extrémité du canal vient à tomber en panne, il faudra des heures pour arriver à sa hauteur et constater les dégâts. Entre temps, si une autre tombe en rade en amont, on ne le saura pas avant le lendemain.

Dans de tels scénarios, il n’y a pas de réseau local auquel se raccorder. Les réseaux cellulaires standards sont inégaux dans les plaines, et inexistants dans bien des zones. On peut passer par une connexion satellite, mais cela sera très couteux, sans compter que les technologies de ce type consomment beaucoup d’énergie. Dans ce cas, un réseau LPWA semble tout indiqué.

Grâce à sa portée de plusieurs dizaines de kilomètres, on peut connecter l’intégralité du réseau de pompes de manière simple et économique. Le volume de données transmis est limité, mais cela n’a rien d’un problème, car il suffit en réalité d’une infime quantité de données pour refléter l’état d’une pompe à eau. À partir d’un nombre, on peut se faire une idée précise de l’état général du matériel : un certain nombre confirme le fonctionnement normal, une série d’autres indiquent diverses erreurs, tandis que d’autres encore peuvent correspondre au nombre de litres pompés au quotidien. Ce système permettrait aux agriculteurs de superviser toutes les pompes à l’œuvre depuis une console centrale. Un message d’erreur indiquant une surchauffe, cumulé à une baisse du volume d’eau puisé, peuvent signifier qu’une pompe fonctionne mal. Des alertes précoces de ce type permettent aux techniciens d’être informé en avance, tout ceci grâce à la transmission périodique de modestes quantités de données.

Des appareils installés dans les observatoires météorologiques perchés en haut des montagnes aux éclairages d’un complexe de serres couvrant plusieurs hectares en passant par les feux de circulation ou les systèmes de signalement équipant les passages à niveau, tout ceci peut être supervisé, et même parfois administré, grâce au peu de données et d’énergie dont le LPWA a besoin pour fonctionner.

 

Les technologies LPWA


LoRa Alliance

LoRaWAN signifie Low-Power Long Range Wide Area Network, ce que l’on pourrait traduire par réseau de communication de longue portée à bas débit. La LoRa Alliance est une association à but non lucratif qui définit et met en œuvre le protocole LoRaWAN. À l’heure actuelle, il n’y a pas de protocole de référence ou de norme pour les réseaux LPWA, et l’alliance s’attèle à remédier à cela. On trouve parmi les membres de la LoRa Alliance certains grands noms du secteur technologique à l’image d’Alibaba, Cisco, IBM, Charter Communications ou encore SoftBank.

Bien que le LoRaWAN soit un standard ouvert, on compte actuellement une seule entreprise qui fabrique des puces mettant à profit ce protocole. La norme est conçue pour permettre l’usage de topologies star of stars, c’est-à-dire en « étoile d’étoiles » : les appareils se connectent à des passerelles, lesquelles se connectent de façon plus classique, via des réseaux IP connectés.

Le protocole prévoit trois types de classes. La classe A, celle qui consomme le moins d’énergie, doit être prise en charge par tous les appareils LoRaWAN. Les dispositifs de cette classe sont asynchrones, et la communication émane toujours du serveur. Une fois en phase ascendante, une brève fenêtre s’ouvre dans laquelle des réponses peuvent être transmises, ce qui permet l’établissement d’échanges bidirectionnels. Outre les connexions déclenchées par les objets en bout de ligne, les dispositifs de classe B se synchronisent avec des signaux périodiques ou des balises. Ces synchronisations ouvrent une fenêtre d’écoute durant laquelle l’objet peut recevoir des signaux ou instructions, ce qui permet une vraie communication bidirectionnelle. Un dispositif LoRa de classe C fournit des intervalles de réception continus, ce qui en fait un canal de communication bilatérale à faible latence. Revers de la médaille, cette disponibilité continue accroît considérablement la consommation d’énergie, si bien que les dispositifs de cette classe ont besoin d’être alimentés en continu.

Sigfox

Développé et exploité par une entreprise française, ce réseau LPWA compte aujourd’hui parmi les références des réseaux basse consommation de longue portée. Il utilise une fréquence sans licence dans la bande des 868 MHz ou 902 MHz. Qualifiée de transmission radio à bande ultra-étroite, elle couvre de longues distances, en contrepartie de quoi ses taux de transfert de données sont lents. Chaque message utilise des canaux d’une largeur de 100 Hz, pour un débit de 100 bits par seconde environ, ce chiffre variant toutefois d’une région à l’autre. La communication vers l’appareil émetteur reste limitée, ce qui rend cette technologie inadaptée aux applications nécessitant l’établissement de communications bidirectionnelles. Chaque message uplink, c’est-à-dire émanant de l’objet, a une charge utile maximale de 12 octets.

 

sigfox

 

Dans les zones rurales, elle peut en théorie communiquer dans un rayon de plus de 50 kilomètres en s’appuyant sur une architecture réseau en étoile, où tous les postes de base recevant le signal peuvent diffuser tous types de messages. Contrairement aux protocoles ouverts, l’accès à Sigfox et son usage sont réservés aux entreprises.


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RPMA

Avec une portée comprise entre 5 et 10 kilomètres (en NLOS, c’est-à-dire sans « ligne à vue »), Ingenu propose une technologie baptisée Random Phase Multiple Access (RPMA). La largeur du rayon couvert permet à l’entreprise de couvrir les 50 km séparant les villes de Dallas et Fort Worth avec seulement 17 antennes réseau. Selon l’entreprise, le RPMA est capable de traverser les murs de béton et même de se connecter à des appareils installés sous terre.

Cette technologie fonctionne dans la bande des 2,4 GHz, ce qui peut causer des interférences avec d’autres appareils utilisant la même fréquence, comme le wifi, le Bluetooth, et les modèles de téléphones sans fil d’ancienne génération. L’avantage, toutefois, est que cette bande des 2,4 GHz est disponible dans beaucoup de pays, ce qui fait que ce type de signal radio est utilisable partout dans le monde.

Dans un communiqué de presse datant de 2017, la marque affirme couvrir 29 pays sur les six continents.

LTE-M

LTE-M est une technologie 4G basée sur le réseau cellulaire. Ce standard est le fruit du travail du 3rd Generation Partnership Project (3GPP) dans sa spécification Release 13. Les appareils cellulaires sont généralement énergivores, comme le sait quiconque est amené à recharger en permanence son téléphone portable. Pour tenir l’engagement de basse consommation inhérent au LPWA, ces puces 4G sans fil spécialisées sont dotées d’un mode Économie d’énergie. La puce reste éteinte l’essentiel du temps et ne se réveille qu’à intervalles prédéfinis. En outre, elle fonctionne en semi-duplex, ce qui lui permet de consommer moins même lorsqu’elle est active, mais qui ralentit notablement la connexion par rapport à de la 4 G. Le débit maximum avoisine les 100 kbit/s. Cette version de LPWA offre une connectivité à basse consommation, qui est néanmoins limitée aux zones couvertes par la connexion LTE. Seule ombre au tableau, ce type de technologies cellulaires risque d’être progressivement supprimé par les opérateurs, ce avant l’obsolescence des appareils qui les utilisent. Par exemple, les appareils qui s’appuient sur une connexion 2G ont désormais peu de chance de fonctionner aux États-Unis, où ces réseaux ont été désactivés et modernisés dans quasiment toutes les régions.

Si des entreprises comme IBM ont fait le choix de ne pas intégrer le groupe de travail LTE-M qui planche sur ce standard, la Task Force a su attirer une multitude d’opérateurs parmi les plus grands, à commencer par les quatre principaux opérateurs télécom américains (Verizon, AT&T, Sprint et T-Mobile) ainsi que plusieurs fabricants de puces comme Qualcomm.

Réseaux bas débit destinés à l’Internet des Objets

Le NB-IoT (Narrowband Internet of Things) est aussi dérivé de la Release 13 des spécifications 3GPP et parfois appelé CAT M2. Il utilise la modulation DSSS (étalement de spectre à séquence directe) pour établir des communications. Cette technologie offre une vitesse de téléchargement maximale de 250 kbit/s, ainsi qu’un débit de transmission en phase montante de 250 kbit/s en multi-tone ou 20 kbit/s en single tone. Les batteries de ces appareils affichent une autonomie extrêmement longue, qui peut aller jusqu’à 10 ans.

NB-IoT utilise une couche physique couche et des signaux d’un genre nouveau. Cela lui permet de coexister avec des appareils sur les réseaux 2G, 3 G et 4G. Parmi les opérateurs qui ont choisi de déployer des réseaux NB-IoT, on retrouve notamment China Mobile, China Telecom et Deutsche Telekom.

Un récent article laisse à penser que cette norme pourrait se démocratiser à partir du moment où Ericsson aura lancé un réseau NB-IoT en Inde.

EC-GMS-IoT

En dehors des États-Unis, beaucoup de réseaux cellulaires utilisent le protocole GSM. De la même manière que le protocole LTE-M s’appuie sur le réseau LTE existant en veillant à réduire au maximum sa consommation d’énergie, le protocole EC-GMS-IoT (pour Extended Coverage-GSM-IoT) tire parti des réseaux GSM qui couvrent la planète. Dans bien des applications, les batteries des appareils affichent une autonomie allant jusqu’à dix ans.

Étant basé sur le réseau GSM, ce protocole peut coexister avec les réseaux 2G, 3 G et 4 G.

Weightless

Weightless est un standard ouvert qui fonctionne sur le spectre exploitable sans licence. Cela lui permet d’être compatible avec tous les opérateurs et fabricants de matériel, mais cela le rend moins commercial. Le format se décline en trois genres : le Weightless-W se sert des fréquences sans licence disponibles entre celles des différentes stations TV. Le Weightless-N se sert quant à lui d’un protocole à bande étroite sans licence. Enfin, le Weightless-P utilise la plage spectrale à bande étroite des 12,5 kHz et propose des communications bidirectionnelles.

DASH7

Développée par Haystack Technologies, DASH7 est une solution particulièrement intéressante, car conçue pour connecter des objets en déplacement. DASH7 utilise une bande de fréquence de 433 MHz. Cela lui permet d’offrir une portée comprise entre 200 m et 2 km, ce rayon variant selon les lieux et les éventuelles interférences. Les batteries DASH7 affiche une autonomie de plusieurs années dans la plupart des usages et, raffinement ultime, peuvent se recharger grâce à des cellules photovoltaïques.

En matière de sécurité, le protocole DASH7 est doté de fonctions de masquage des appareils qui les cachent aux yeux des scanners, ainsi que du système de cryptographie AES 128 et ses clés publiques de chiffrement.

Autres technologies

D’autres technologies LPWA sont à différents stades de développement ou de déploiement. Il est plus que probable que des technologies supplémentaires continueront de voir le jour jusqu’à l’émergence d’une poignée d’acteurs dominants, ou la fusion de spécifications normalisées. Ces autres technologies comprennent entre autres :

  • GreeOFDM, de GreenWaves Technologies
  • Symphony Link, de Link Labs
  • ThingPark Wireless
  • WAVIOT

 

La sécurité des réseaux LPWA

 

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Les failles de sécurité de l’Internet des Objets ont fait les gros titres à maintes reprises. On se souvient notamment du botnet Mirai qui avait infiltré des milliers de machines. Ces attaques sont moins susceptibles de cibler une multitude d’objets connectés en LPWA en raison du bas débit de cette technologie et du fait que les appareils connectés ne sont pas assez « intelligents » pour susciter un quelconque intérêt chez un hacker. Cependant, beaucoup de réseaux LPWA sont vulnérables aux attaques de l’homme du milieu, ou man-in-the-middle attacks. La menace qui pèse sur les entreprises est moins spectaculaire, mais tout aussi importante. Certaines pourraient bien être espionnées par des concurrents qui se débrouilleraient pour recevoir les rapports remis par leurs appareils. Or, contrairement au piratage classique, personne ne pourrait savoir que les communications sont sur écoute, car ces signaux se propagent dans l’air.

Autre ombre au tableau, les appareils sont souvent inaptes à assurer par eux-mêmes le cryptage de leurs données. Un hachage distribué des données pourrait remédier à ce problème, à ceci près que beaucoup de réseaux limitent la taille des paquets à une quantité trop faible pour mettre en place un hachage suffisamment long pour assurer une sécurité continue. Par exemple, la technologie LPWA de Sigfox ne propose qu’une signature numérique de 16 bits, ce qui est largement en dessous des 128 bits que prévoit la norme. Le LoRaWAN, en revanche, est doté de fonctionnalités AES de cryptage et d’authentification à 128 bits.

Les technologies bâties sur le réseau cellulaire, comme le LTE-M, NB-IOT, mais aussi l’EC-GSM-IoT tirent parti du système d’authentification du réseau existant.

 

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Champ d’application actuel du LPWA

 

Si les réseaux LPWA peuvent se prêter à toutes sortes d’usages, certains sont plus répandus que d’autres.

Gestion des parkings

Les réseaux LPWA trouvent toutes sortes d’applications dans le domaine de la gestion des parkings. Un capteur installé dans un parking ou à proximité peut indiquer au gestionnaire si une place de stationnement est occupée ou non. Les données peuvent alors servir à alimenter de nombreuses applications, des panneaux affichant le nombre de places disponibles à chaque niveau aux outils de localisation des horodateurs disponibles en passant par les interfaces indiquant à la municipalité l’emplacement des véhicules dont le ticket de stationnement est arrivé à échéance. Dans ce domaine, c’est la faible consommation des réseaux LPWA qui est la plus importante, pas la distance à couvrir. Personne ne veut s’embêter à remplacer les batteries de centaines, voire de milliers, de capteurs de places de stationnement.

Compteurs d’eau et pipelines

Il suffit de disposer d’un pressiomètre qui communique les valeurs qu’il mesure en temps réel pour pouvoir localiser une fuite avant même qu’elle soit signalée. Quand on est responsable de pipelines qui s’étirent sur des dizaines de kilomètres, pouvoir communiquer à longue distance en l’absence de réseau est un atout de taille, et il va sans dire que les batteries doivent afficher une durée de vie de plusieurs années. Dans une ville, on peut se servir des signaux initialement destinés aux communications longue distance en milieu rural pour communiquer avec des objets souterrains, ce qui peut permettre de superviser les pipelines qui sommeillent dans les entrailles de la ville.

Palettes connectées

Le suivi des marchandises en cours d’expédition implique généralement de scanner la cargaison à chacun des points où elle change de mains. Entre chacune des étapes du parcours, on part du principe que les biens restent dans le même entrepôt ou, s’ils sont en cours de transport, à bord du même train ou camion. En recourant à des palettes connectées, leur propriétaire peut savoir, grâce à un signal transmis en continu, à quel endroit ces marchandises se trouvent, mais aussi si le conteneur a été ouvert, déposé, ou même abîmé. Les réseaux à basse consommation sont utiles non seulement pour communiquer sur de longues distances — quand la cargaison transite d’une ville à l’autre — et pour la longue autonomie de leur batterie, car personne ne veut avoir à localiser ou remplacer la batterie de palettes appelées à être souvent déplacées.

Éclairage des rues et autoroutes

On ne compte plus les dispositifs d’éclairage qui illuminent nos trottoirs, nos carrefours les plus passants, et même les portions les plus désertes de nos autoroutes. De nos jours, la supervision se résume bien souvent au traitement des appels des usagers qui ont remarqué une anomalie et souhaitent la signaler au gestionnaire. Grâce aux réseaux sans fil à basse consommation, ces systèmes d’éclairage peuvent indiquer à un central de commande si leur ampoule fonctionne, ou préciser s’ils sont allumés ou éteints, ce qui contribue à l’optimisation de la consommation d’énergie et à un renforcement de la sécurité.

On peut également citer les compteurs connectés (pour les particuliers et les entreprises), ou les capteurs connectés destinés à l’agriculture, aux usines et aux entrepôts.

 

La segmentation du marché du LPWA

 


Le choix ne manque pas sur le marché des réseaux LPWA. Certains y voient une fragmentation de l’offre, tandis que d’autres considèrent que la multiplicité des offres se justifie par la diversité des contraintes propres à chaque projet. Pour l’heure, bien que la demande de LPWA aille crescendo, aucune solution n’est apte à pourvoir à elle seule à tous les types de besoins.