La technologie LPWA s’est imposée comme le choix privilégié pour les applications IoT en 2015 lorsque l’association industrielle sans fil GSMA a défini une série de normes réseau LPWA (LPWAN) pour aider les opérateurs à répondre aux besoins spécifiques des applications IoT en matière de coût, de couverture et de consommation d’énergie.
La longévité des solutions LPWAN représente un atout crucial pour l’IoT. Cet article examine la relation IoT-LPWAN en évaluant les différents critères de choix.
Le besoin des communications longue portée dans l’IoT
Bien que l’emplacement de l’Internet lui-même soit indéterminé (conceptuellement dans le « Cloud », techniquement réparti entre les Data Centers du monde entier) il n’est clairement pas limité à un réseau local. Les dispositifs IoT doivent donc être capables de communiquer avec des réseaux non locaux.
Différentes approches
Dans de nombreux cas, il est économique de faire communiquer les dispositifs IoT via des protocoles sans fil à courte portée (Wi-Fi ou Bluetooth Low Energy), avec un routeur, une passerelle ou un concentrateur de réseau local. Les connexions câblées, telles qu’Ethernet, peuvent également servir un objectif similaire, bien que leur applicabilité soit limitée par la nécessité de faire courir les fils physiques vers les dispositifs IoT qui sont répartis sur un éventail d’emplacements beaucoup plus large que les dispositifs informatiques classiques.
Dans d’autres cas, il est plus approprié de faire communiquer les dispositifs IoT directement avec un réseau étendu qui relaie vers et depuis Internet.
Globalement, les technologies de communication sans fil à longue portée aujourd’hui envisagées pour l’IoT sont des réseaux étendus à faible puissance (LPWAN). En effet, elles sont souvent utilisées pour des appareils alimentés par batterie qui nécessitent une faible consommation d’énergie pour permettre une autonomie mesurée en années.
Quand les communications sans fil à longue portée sont-elles préférables aux communications à courte portée ?
Les communications sans fil à longue portée sont généralement préférables à celles à courte portée dans les cas d’utilisation IoT suivants :
– Il n’existe pas de réseau local
– L’opérateur de l’appareil IoT n’a pas accès au réseau local
– L’installation et le fonctionnement peuvent être simplifiés en évitant la connexion au réseau local
– L’appareil IoT est mobile au-delà de la zone de couverture d’un seul réseau local
S’il n’existe pas de réseau local, une organisation d’utilisateurs finaux pourrait le mettre en place, puis utiliser des communications sans fil à courte portée entre les dispositifs IoT et le réseau. Cette approche peut fonctionner, en particulier si de nombreux dispositifs situés au même endroit seront connectés. Par exemple, une pompe d’irrigation agricole pourrait être activée par l’IoT simplement en ajoutant un capteur ou un contrôleur avec un module sans fil longue portée intégré.
L’opérateur de l’appareil IoT n’a pas accès au réseau local
Dans de nombreux cas, l’entité qui installe ou exploite les capteurs IoT peut ne pas être autorisée à accéder à un réseau local existant. Par exemple, un service public qui souhaite rendre les compteurs de gaz ou d’eau compatibles IoT n’aura généralement pas accès à un réseau local exploité par les occupants des locaux. Le service public peut installer des capteurs sans fil à longue portée sur les compteurs, évitant ainsi tout besoin d’accès au réseau local.
L’installation et le fonctionnement peuvent être simplifiés en évitant la connexion au réseau local
Dans d’autres cas, l’opérateur de l’équipement à activer IoT peut préférer ne pas se connecter à un réseau local. Par exemple, le personnel d’exploitation d’une usine peut souhaiter que ses machines de production restent isolées du réseau informatique de l’entreprise, ce qui permet une configuration simple des appareils par une connexion directe sécurisée à une plateforme IoT sur Cloud, plutôt que de les configurer à travers les pare-feu du réseau d’entreprise local et les procédures et politiques administratives informatiques.
Inversement, le service informatique de l’usine peut préférer que le personnel d’exploitation n’ajoute pas de dispositifs tiers qui présenteraient des risques de sécurité dans le réseau informatique de l’entreprise. En outre, pour les organisations dont les sites sont répartis sur plusieurs zones géographiques, la connexion des appareils à un Cloud IoT via des LPWAN peut être moins complexe que la connexion via plusieurs réseaux informatiques d’entreprise. Lorsque les réseaux cellulaires 5G seront plus matures, le cellulaire direct pourra également offrir une latence plus faible que de passer par un réseau local.
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L’appareil IoT est mobile au-delà de la zone de couverture d’un seul réseau local
Une autre catégorie de dispositifs IoT est mobile, de sorte que leur emplacement dépasse régulièrement la zone couverte par un seul réseau local. Par exemple, les unités de partage de vélos et de scooters sont conçues pour se déplacer dans les villes. Et les traqueurs de marchandises peuvent se déplacer sur des milliers de kilomètres. Pour ces types de dispositifs IoT, le sans fil à longue portée est la seule option de connectivité pratique, utilisant les capacités d’itinérance du réseau sans fil.
Certains appareils contiennent à la fois des connexions sans fil à courte et à longue portée, comme une solution hybride. Un capteur peut utiliser une faible bande passante à longue portée pour envoyer les relevés du capteur, mais se connecter via Bluetooth ou Wi-Fi pour recevoir les mises à jour du micrologiciel.
La faible consommation d’énergie, un facteur clé
Contrairement à la plupart des équipements informatiques conventionnels, les dispositifs IoT sont souvent déployés dans des endroits où l’accès au secteur est difficile (voire inexistant). C’est notamment le cas des appareils qui utilisent des communications sans fil à longue portée.
Dans une enquête de VDC Research auprès de 225 ingénieurs et chefs de produit/projet impliqués dans le développement d’appareils IoT utilisant des communications sans fil à longue portée, les personnes interrogées ont déclaré que 48 % des appareils sur lesquels ils travaillent actuellement sont des appareils à faible consommation d’énergie.
Ces appareils sont principalement ou exclusivement alimentés par des batteries, utilisant dans certains cas des technologies de collecte d’énergie, telles que les cellules solaires, pour compléter ou recharger les batteries. En outre, même parmi les appareils conçus pour utiliser le courant alternatif, 45 % d’entre eux sont équipés de piles, généralement pour assurer leur fonctionnement en cas de coupure de courant. La consommation d’énergie, y compris celle du module sans fil intégré, est donc un facteur important dans la conception de la majorité de ces appareils.
Avantages de la réduction de la consommation d’énergie des dispositifs IoT
La réduction de la consommation d’énergie des dispositifs IoT présente un certain nombre d’avantages :
– Une faible consommation d’énergie permet aux dispositifs alimentés par des piles primaires (à usage unique) de durer plus longtemps avant que les piles ne doivent être remplacées. Pour les appareils déployés, le remplacement des piles entraîne non seulement le coût des piles, mais aussi les coûts de main-d’œuvre. Dans le cas de dispositifs IoT installés dans des lieux éloignés (oléoducs, stations météorologiques, etc.), les coûts de main-d’œuvre peuvent dépasser de loin non seulement le coût des piles, mais aussi le coût de l’ensemble du dispositif IoT.
– Même pour les dispositifs dont la durée de vie de la batterie est susceptible de dépasser la durée de vie prévue du dispositif déployé, une consommation d’énergie plus faible peut permettre des relevés de capteurs plus fréquents, un traitement des données plus poussé ou d’autres fonctionnalités améliorées.
– Pour une partie des dispositifs IoT qui sont scellés en permanence (par exemple, ceux utilisés dans des environnements industriels dangereux ou explosifs), la durée de vie de la batterie détermine effectivement le moment où l’ensemble du dispositif doit être remplacé.
– La faible consommation d’énergie permet également aux dispositifs alimentés par batterie d’être plus petits et plus légers.
La sécurité, une problématique fondamentale
Les violations de la cybersécurité étant de plus en plus fréquentes et de plus en plus médiatisées, les fabricants de dispositifs IoT ont pris conscience de la nécessité de prendre en compte la sécurité dans tous les aspects de la conception de leurs produits, y compris la technologie de communication sans fil. La sécurité est aujourd’hui le facteur le plus important dans le choix d’un fournisseur de technologie sans fil, suivi de près par le coût.
La sécurité des dispositifs IoT est complexe. Elle peut inclure tout ou partie des améliorations de sécurité matérielle et logicielle suivantes :
– Racine de confiance matérielle
– Identité immuable
– Coprocesseur cryptographique
– Système d’exploitation renforcé en matière de sécurité
– Environnement d’exécution protégé
– Test de vulnérabilité du code logiciel
– Sécurité de la chaîne d’approvisionnement des logiciels
– Mise à jour sécurisée du micrologiciel
– Gestion des clés de chiffrement, y compris la rotation et la révocation des clés
– Stockage sécurisé des clés de chiffrement
– Cryptage des données stockées
– Détection et prévention des intrusions
– Sécurité des communications
– Listes d’autorisation et de blocage des applications
– Authentification homme-machine et machine-machine
– et d’autres encore…
La sécurité des communications (IPsec, TLS/SSL, etc.) est le renforcement de la sécurité le plus couramment utilisé dans les projets IoT actuels. La prise en compte des défis liés à la sécurisation des dispositifs IoT est rendue d’autant plus difficile par les ressources limitées de bon nombre de ces dispositifs, notamment la puissance de traitement, la capacité de mémoire, la consommation d’énergie et la largeur de bande de communication, sans mentionner les coûts. Les solutions intégrées, décrites ci-dessous, peuvent aider à surmonter bon nombre de ces défis.
Choisir le meilleur LPWAN pour votre projet IoT
Les équipementiers et leurs clients disposent désormais de plusieurs types de LPWAN parmi lesquels ils peuvent choisir.
Sigfox
Pour les capteurs basiques qui ne transmettent que de très petites quantités de données (limitées à une charge utile de 12 octets) à des intervalles peu fréquents, sans accusé de réception du message, le réseau Sigfox offre une solution à très faible coût et à faible puissance utilisant le spectre de fréquences radio sans licence dans les bandes ISM. Il n’est disponible que dans des zones géographiques limitées (sa couverture la plus large se situe dans les pays d’Europe occidentale).
NB-IoT
Pour les volumes de données modérément faibles opter pour le NB-IoT est idéal. C’est une technologie de réseau cellulaire qui utilise un spectre sous licence pour offrir une bande passante limitée (généralement 50 à 200 kbps). NB-IoT présente néanmoins plusieurs limites fonctionnelles. Par exemple, il ne peut pas passer d’une cellule à l’autre, ce qui fait qu’il est surtout utilisé pour les appareils stationnaires, et il ne peut pas prendre en charge les mises à jour de micrologiciels par voie aérienne.
La majorité des appareils IoT ayant besoin de communications sans fil à longue portée n’ont que deux choix principaux aujourd’hui : LoRa et LTE-M (Cat-M1).
LoRa
LoRaLoRa utilise un spectre sans licence pour communiquer entre les dispositifs IoT et les passerelles de zone étendue. Les passerelles sont connectées à Internet par des connexions câblées classiques ou même des services cellulaires. Pratiquement, toute entité peut mettre en place son propre réseau LoRa en achetant et en installant ses propres passerelles, d’où la suppression des frais associés à la connexion sans fil entre l’appareil et la passerelle.
C’est une solution particulièrement adaptée aux entreprises qui souhaitent mettre en place leurs propres réseaux privés pour les dispositifs IoT ayant des besoins modérés en bande passante dans une zone limitée, comme un campus ou un site industriel.
Des réseaux LoRa publics sont également disponibles dans de nombreuses régions pour des frais abordables, ce qui permet d’utiliser les dispositifs LoRa dans des zones plus larges et pour de nombreux types de dispositifs mobiles.
LoRa utilise une technologie à spectre étalé qui améliore la capacité du signal à être plus résistant aux interférences dans le spectre sans licence, et à être reçu sur de plus longues distances. Les débits de données réels varient (jusqu’à plus de 20 kbps) en fonction de la bande passante utilisée et de variables telles que le facteur d’étalement. Bien qu’il soit techniquement possible d’effectuer des mises à jour de micrologiciels par voie aérienne sur un réseau LoRa, le processus est assez lent en raison des limitations techniques du protocole LoRaWAN utilisé par la grande majorité des dispositifs LoRa.
LoRa est un choix de premier plan pour les dispositifs IoT alimentés par batterie, principalement en raison de sa faible consommation d’énergie. Cependant, LoRa n’est généralement pas disponible en tant que solution entièrement intégrée pour les équipementiers IoT. En outre, LoRa est propriétaire. En effet, la propriété intellectuelle clé est détenue par le fabricant de semi-conducteurs Semtech.
LTE-M
C’est une technologie de réseau cellulaire à spectre autorisé qui offre aujourd’hui des débits de données allant jusqu’à 350 kbps, et bientôt jusqu’à 7 Mbps.
Le LTE-M présente l’avantage de pouvoir gérer facilement les mises à jour des microprogrammes par voie aérienne. Il peut facilement prendre en charge le handover entre les cellules. Ceci est essentiel pour les cas d’utilisation de suivi des actifs et de logistique. Il peut également prendre en charge des fonctions de sécurité actives telles que l’authentification des appareils et les échanges de clés.
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