Tour d’horizon des réseaux pour l’IoT/M2M (2018)

Laurent Gloaguen 26 juillet 2018

Les objets connectés qui font partie du monde de l’IoT/M2M ont un besoin vital de communiquer, il en va de leur essence même. Mais ils ont des contraintes économiques, en termes de coûts financiers et de consommation d’énergie. Face à ces contraintes, tous les réseaux ne sont pas égaux entre eux. Voici donc un tour d’horizon des réseaux qui permettent à l’IoT/M2M d’exister.

Les objets connectés sont des objets communicants qui doivent par définition être connectés à un réseau afin d’assurer des échanges de données, le plus souvent via Internet. La plupart des applications IoT/M2M font appel à des réseaux sans fil, mais il y a quelques exceptions comme des objets qui communiquent par courants porteurs en ligne (CPL) par exemple. Nous nous intéressons ici au cas le plus fréquent, la communication sans fil.

Il existe trois grands types de liaisons sans fil pour les objets connectés :

1. Les réseaux locaux courte-portée

Suivant leur technologie, la portée de communication va de quelques dizaines de centimètres à quelques centaines de mètres (en milieu ouvert). De façon non exhaustive, nous avons :

Ces solutions technologiques répondent aux besoins de nombre d’objets connectés, dans les domaines de la domotique, des objets portables “wearables”, de l’industrie, etc., tant que leur usage est confiné à l’intérieur d’un périmètre donné (maison, bâtiment, magasin, usine), ou toujours à grande proximité d’une passerelle mobile (gateway), par exemple une montre connectée proche d’un téléphone, un capteur ANT+ proche d’un appareil de monitorage de l’activité sportive.

2. Les réseaux cellulaires

La portée de communication, très dépendante de l’environnement, va de 500 m à 10-40 km. Ceux sont eux qui sont utilisés par les opérateurs de téléphonie mobile.

Les réseaux de téléphonie mobile reposent sur des protocoles complexes et offrent des débits de données élevés, la contrepartie est une consommation énergétique élevée qui fait que les périphériques doivent être rechargés souvent. En conséquence, ils sont peu adaptés aux applications M2M/IoT. Ces applications se contentent souvent de débits faibles et de communications sporadiques, le coût énergétique et financier (abonnement) du réseau de téléphonie est trop important pour en justifier l’utilisation.

Sur la base des infrastructures de téléphonie, des réseaux cellulaires dédiés aux M2M/IoT ont été créés :

Ils offrent certains des avantages des réseaux LPWAN. Les standards NB-IoT et LTE-M sont prometteurs, mais leurs évolutions sont étroitement liées au développement de la 5G (ils seront d’ailleurs intégrés à la spécification 5G). Aussi, les réseaux sont au début de leurs déploiements par les opérateurs téléphoniques. On trouve, déjà ou de façon imminente, du LTE-M en Amérique du Nord et en Australie, du NB-IoT dans une dizaine de pays d’Europe, en Chine et en Afrique du Sud (voir la liste complète des réseaux par pays). Parmi les principaux opérateurs qui se sont déjà lancés, on trouve : AT&T, China Mobile, China Telecom, T-Mobile, Telefonica, Telia, Verizon, Vodafone. Ces réseaux cellulaires demeurent coûteux par rapport à d’autres solutions : l’un des moins chers en Amérique du Nord, le NB-IoT de T-Mobile coûte 6 USD par an (pour 12 Mo de données).

3. Les réseaux longue-portée à basse consommation

Ces réseaux LPWAN (Low-Power Wide-Area Network) ont été particulièrement conçus pour les objets connectés, ils sont optimisés pour une couverture géographique large et une consommation d’énergie minimale. La contrepartie est que les débits sont faibles, mais la plupart des applications M2M/IoT n’ont pas besoin de plus.

Les LPWAN peuvent supporter un très grand nombre d’objets connectés (des dizaines de milliers sur une seule passerelle) dans un périmètre très large (jusqu’à environ 100 km grâce à des bandes de fréquences inférieures au GHz) et de façon très économique (environ 1 $ d’abonnement par an). Ils ouvrent la porte à de nombreuses nouvelles applications dans d’innombrables domaines (compteurs intelligents, ville intelligente, agriculture, santé, sécurité, etc.) avec, par exemple, des objets connectés dont l’autonomie se compte en années, ce qui est très utile pour le déploiement de capteurs à grande échelle, sur une grande étendue et dans des environnements variés.

Le développement d’objets connectés est facilité par l’apparition de SoC (systèmes sur puces) multistandard qui offrent plusieurs protocoles de communication. Ces puces permettent aussi d’assurer une interopérabilité réseau à l’objet connecté, afin de pallier la couverture partielle des réseaux et de faire en sorte qu’il puisse fonctionner dans un éventail plus large de pays.

Aujourd’hui, il n’existe pas de standard universel et ces protocoles sont incompatibles entre eux, ce qui peut rendre délicat le choix d’une technologie. Dans un prochain article, nous détaillerons les différentes technologies LPWAN afin de comparer leurs avantages et inconvénients respectifs.

On notera que les opérateurs de téléphonie qui lancent leurs réseaux cellulaires IoT/M2M voient d’un mauvais œil ces solutions parfois fonctionnellement moins-disantes mais très concurrentielles. Ainsi, T-Mobile, un important acteur du NB-IoT, nous dit que “ces technologies ont recours à la fréquence d’un spectre de fréquences sans licence. L’avantage est qu’il est libre d’accès, l’inconvénient est qu’il n’est pas aussi strictement réglementé que le spectre sous licence. Depuis que les NB-IoT, LTE-M et EC-GSM-IoT utilisent le spectre sous licence, sa qualité, sa sécurité et les standards de confidentialité des données sont assurés comme dans le cas de la technologie mobile régulière.” Et T-Mobile revendique également l’appellation LPWA : “Une faible consommation en énergie et une grande portée font que le NB-IoT est une technologie LPWA (Low-Power Wide-Area) pouvant être appliquée avec les fréquences GSM et LTE.”

Il est probable que nous allons assister à une vraie guerre des acteurs sur ce marché, les opérateurs de téléphonie ayant l’avantage de leurs capitaux financiers. Nous ne savons bien sûr pas quels sont ceux qui vont gagner la bataille, ce qui laisse planer certains doutes quand il s’agit de faire des choix technologiques.

A quick overview of the networks for IoT/M2M

The connected objects that are part of the IoT/M2M world have a vital need to communicate — it is their very essence. But they have some economic constraints, in terms of financial costs and energy consumption. Faced with these constraints, not all networks are equal. Here is an overview of the networks that underpin IoT/M2M.

Connected objects are communicating objects which, by definition, must be connected to a network in order to ensure the exchange of data, most often over the Internet. Most IoT/M2M applications use wireless networks, but there are a few exceptions, such as objects that communicate via Powerline Communication (PLC). But for the purposes of this article, we’ll be looking at the most frequent case — wireless communication.

There are three main types of wireless links for connected objects:

1. Local short-range networks

Depending on the technology used, the communication range spans a few dozen centimetres to a few hundred metres (in open environments). Some examples of this technology are:

These technological solutions meet the needs of many connected objects in the fields of home automation, wearables and industry, among others, as long as their use is confined within a restricted perimeter (home, building, store, factory), or is always in close proximity to a mobile gateway (e.g. a connected watch close to a telephone, an ANT+ sensor close to a sports monitoring device).

2. Cellular networks

The communication range, very dependent on the environment, ranges from 500m to up to 40km. These networks are the ones used by mobile operators:

Mobile phone networks are based on complex protocols and offer high data transfer rates. The trade-off is high power consumption, which means that devices often need to be recharged. As a result, they are not well suited for IoT/M2M applications. These applications are often limited to low data rates and sporadic communications; the energy and financial cost (subscription) of the telephone network is too high to justify its use.

Based on mobile phone infrastructures, cellular networks dedicated to IoT/M2M have been created:

These solutions offer some of the advantages of LPWAN networks. The NB IoT and LTE M standards are promising, but their evolution is closely linked to the development of 5G (they will be integrated into the 5G specification). Also, telephone carriers are just beginning to deploy these networks. LTE M is already or soon to be found in North America and Australia, and NB IoT in about ten European countries, in China and in South Africa (see complete list of networks by country). Some of the main operators that are already on-board are AT&T, China Mobile, China Telecom, T-Mobile, Telefonica, Telia, Verizon, and Vodafone. These cellular networks remain expensive compared to other solutions. One of the cheapest in North America, T-Mobile’s NB IoT, costs US$6 per year for 12 MB of data.

3. Long-range networks with low power consumption

These low-power wide-area networks (LPWAN) have been specifically designed for connected objects. They are optimized for wide geographical coverage and minimal energy consumption. The downside is that the data rates are low, but most IoT/M2M applications need no more.

LPWAN can support a very large number of connected objects (tens of thousands on a single gateway) within a very large perimeter (up to about 100 km thanks to frequency bands below GHz) and very economically (about $1 per year). It opens the door to many new applications in countless fields (smart meters, smart cities, agriculture, health, security, etc.) with connected objects whose autonomy is counted in years, for example. This is very useful for the deployment of sensors on a large scale, over a large area and in various different environments.

The development of connected objects is facilitated by the emergence of multi-standard SoCs (systems on chips) that support several different communication protocols. These chips ensure network interoperability to the connected object, compensating for partial network coverage and ensuring that it can operate in a wider range of countries.

Today, there is no universal standard and the protocols are incompatible with each other, which makes it difficult to choose a technology. In a future article, we will cover the different LPWAN technologies in order to compare their respective advantages and drawbacks.

It should be noted that telephone operators who launch their IoT/M2M cellular networks take a negative view of these solutions, which are sometimes functionally less efficient, yet very competitive. For example, T-Mobile, a major player in NB IoT, says that “These technologies use the unlicensed frequency spectrum. Benefit: it is openly accessible. Disadvantage: it is not as strictly regulated as the licensed spectrum; different technologies can thus interfere with one another. Since NB IoT, LTE M and EC GSM IoT use the licensed spectrum, its quality, security, and data privacy standards are ensured, as with regular mobile technology.” And T-Mobile also claims the LPWA name: “With low energy consumption and a wide range, NB IoT is a Low-Power Wide-Area (LPWA) technology that can be technically realized in both GSM and LTE frequencies.”

It is likely that we will see a showdown between the players on this market, with telephone operators having the advantage of their financial clout. Until we know who will win the battle, making technological choices will be difficult indeed.