Comprendre les réseaux pour l’IoT


Les réseaux de communications sont omniprésents. Ils permettent de faire transiter des données entre 2 terminaux. Mais comprendre les réseaux, c’est avant tout penser 3 acteurs : l’énergie (nécessaire à envoyer les données), la portée (distance à laquelle on émet et on peut être entendu), et le débit (quantité de données à transmettre). Comme il est possible de s’en douter, le réseau parfait combinant une faible consommation d’énergie, une très longue portée et un haut débit n’existe pas.

Pour émettre loin ou beaucoup de données, il faut une grande quantité d’énergie. En comparaison si l’on diminue la quantité d’énergie, on peut émettre loin une faible quantité de données (ce qu’on appelle les réseaux bas débits).

Ainsi le territoire est couvert d’antennes qui se chargent de recevoir et émettre les données. La densité de ces antennes est fonction du type de réseau utilisé ainsi que de la quantité de personnes à couvrir. Pour compliquer les installations, la communication est facilement stoppée par les reliefs, il convient alors de placer les antennes dans des endroits stratégiques et/ou de les multiplier pour garantir la couverture du territoire visé.













Sur la carte on peut voir en rouge la couverture de Bouygues en France métropolitaine en 2020 (source ARCEP). A noter que les zones non couvertes sont certainement couvertes par un autre opérateur. On parle de « zone blanche » lorsque qu’aucun des 4 opérateurs de réseau téléphonique ne couvre ladite zone (Orange, Bouygues Telecom, SFR ou Free).



Réseaux pour l’IoT en agriculture

  • Contraintes

Les opérateurs des réseaux téléphoniques ont pour objectif de couvrir un taux de population. Cet objectif n’est pas compatible avec la notion d’objet connecté en agriculture puisque seule une faible proportion du territoire est en réalité couverte.

La quantité de données à transmettre est également très variable selon le type d’objet connecté. Elle peut aller de simplement un message par jour pour témoigner du bon fonctionnement ou d’un message d’alerte, à la transmission d’un court flux vidéo.

Cette pluralité des usages a fait naitre différents réseaux.


  • Avènement de la 0G

En opposition à l’augmentation de la quantité de données 2G, 3G puis 4G, le toulousain Sigfox a développé en 2010 une technologie 0G. Ce nouveau protocole de communication utilise une bande radio libre (868 MHz) et allège les données échangées. Ainsi, avec peu d’énergie un objet connecté peut transmettre beaucoup plus loin, le territoire français est donc rapidement couvert d'antennes installées par la société Sigfox elle-même. Cependant la quantité de données transmises est plus faible, c’est l’équivalent d’un SMS de 10 caractères -non spéciaux- à hauteur d’une 100aine de messages envoyés par jour. Du fait de la faible quantité de données et du grand nombre d’objets, le cout d’abonnement au réseau est faible (20aine d’euros par objet pour une année).

En 2012, le protocole LoRaWAN exploite le même principe de bas débit pour proposer un produit concurrent et également plus complet (possibilité de transmettre plus de données avec moins de portée, ou très peu de données avec une longue portée). Mais à la différence de Sigfox, il est possible de déployer soi-même ses antennes pour recevoir les données (à un coût raisonnable, et avec quelques connaissances techniques). Ce n’est que depuis quelques années que certains opérateurs proposent des abonnement LoRa.


  • Les réseaux GSM

En réponse, les opérateurs téléphoniques ont transformé leurs réseaux déjà en place pour proposer une offre.

Les antennes 4G peuvent désormais utiliser les protocoles 4G LTE-M ainsi que NB-IoT. Ces deux derniers nés ont pour objectif de diminuer la quantité de données transmise et la consommation d’énergie des objets tout en augmentant la portée par rapport à la 4G. Ils se placent entre le réseau GSM classique 2G et les réseaux bas débits.


  • On oublie la 2G ?

On notera qu’il est aussi tout à fait possible d’utiliser le réseau historique en 2G. Un objet connecté équipé d’une telle technologie consommera considérablement plus d’énergie qu’avec les technologies bas débit. Mais l’avantage est que la 2G est présente dans le monde entier. On commence à peine à la voir remplacée par de la 4G LTE-M ou NB-IOT dans certains pays (Etats-Unis). En France son démantèlement commencerait en 2025.

Les coûts d’un abonnement 2G pour les objets connectés ont aujourd’hui quasiment rejoint les coûts d’abonnement d’un réseau bas débit.



Futur

  • 5G : IoT en agriculture peu impactée

La 5G promet de révolutionner le monde des télécommunications. Cette innovation apportera un certain nombre de changements à la façon dont le réseau est structuré pour couvrir tous les cas d’usages des réseaux GSM (IOT y compris) : un nombre d’objets connectés toujours plus grand, tout en permettant à d’autres des débits théoriques très importants. En outre la 5G intègre nativement les protocoles LTE-M et NB-IOT.

L’usage de la 5G en agriculture restera sans doute marginal. La couverture sera d’une part plus tardive, et il devrait subsister pendant encore quelques années un mix de réseau bas débit et LoRa/4G LTE-M/NB-IOT afin de couvrir les principaux usages.

Une étude réalisée par la Chaire Agrotic sur le sujet est disponible ici.



  • Satellite

Peut-être avez-vous entendu parler de la constellation de satellites Starlink d’Elon Musk ? Des initiatives similaires se développent pour le réseau LoRa. L’objectif serait, à terme, de fournir une couverture mondiale peu couteuse pour la transmission des données dédiée aux objets connectés grâce à des satellites.

Dans cette lignée, on retrouve les sociétés Kinéïs (de CLS – la balise Argos) ou Lacuna qui s’orientent vers un développement de l’IoT satellitaire.



Ce qu’il faut retenir


L’avènement des réseaux bas débit a permis à certains objets connectés de tenir plusieurs années sur une seule batterie mais ne permettent pas forcément de couvrir l’ensemble des fonctionnalités demandés à un objet connectés, tel que l’envoi d’images.

Le réseau parfait n’existe pas, il faut donc choisir entre portée / quantité de donnée / énergie.