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Définition Low Power WAN

LPWAN (réseau étendu de faible puissance)

⌚: 5 minutes

Le réseau WAN à faible puissance (LPWAN) est une technologie sans fil qui permet d’interconnecter des appareils à faible bande passante, alimentés par des piles, avec un faible débit binaire sur de longues distances.

Créés pour les réseaux de machine à machine (M2M) et l’internet des objets (IoT), les LPWAN fonctionnent à un coût moindre et avec une plus grande efficacité énergétique que les réseaux mobiles traditionnels. Ils sont également capables de prendre en charge un plus grand nombre d’appareils connectés sur une zone plus étendue.

Les LPWAN peuvent accueillir des paquets de 10 à 1 000 octets à des vitesses de liaison montante allant jusqu’à 200 Kbps. La longue portée des LPWAN varie de 2 km à 1 000 km, selon la technologie.

La plupart des WAN ont une topologie en étoile où, comme pour le Wi-Fi, chaque point d’extrémité se connecte directement à des points d’accès centraux communs.

 

Types de LPWAN

Le LPWAN n’est pas une technologie unique, mais un groupe de diverses technologies de réseaux étendus de faible puissance qui prennent de nombreuses formes. Les LPWAN peuvent utiliser des fréquences sous licence ou sans licence et comprennent des options propriétaires ou des options standard ouvertes.

Le Sigfox propriétaire, sans licence, est l’un des LPWAN les plus largement déployés aujourd’hui. Fonctionnant sur un réseau public dans les bandes 868 MHz ou 902 MHz, la technologie à bande ultra étroite ne permet qu’un seul opérateur par pays. Alors qu’elle peut transmettre des messages sur des distances de 30 à 50 km dans les zones rurales, de 3 à 10 km dans les zones urbaines et jusqu’à 1 000 km en ligne de mire. La taille de paquet est limitée à 150 messages de 12 octets par jour. Les paquets de la liaison descendante sont plus petits, limités à quatre messages de 8 octets par jour. Le renvoi de données vers des points d’extrémité peut également être sujet à des interférences.

L’accès multiple par phase aléatoire, ou RPMA, est un LPWAN propriétaire d’Ingenu Inc. Bien qu’il ait une portée plus courte (jusqu’à 50 km en ligne de mire et avec 5 à 10 km hors ligne de mire), il offre une meilleure communication bidirectionnelle que Sigfox. Toutefois, comme il fonctionne dans le spectre des 2,4 GHz, il est sujet aux interférences du Wi-Fi, du Bluetooth et des structures physiques. En outre, sa consommation d’énergie est généralement plus élevée que celle des autres options de réseau local sans fil (LPWAN).

La LoRa sans licence, spécifiée et soutenue par la LoRa Alliance, émet dans plusieurs fréquences inférieures à un gigahertz, ce qui la rend moins sujette aux interférences. Dérivée de la modulation à étalement de spectre (CSS), la LoRa permet aux utilisateurs de définir la taille des paquets. Bien que libre, la puce émettrice-réceptrice sous-jacente utilisée pour mettre en œuvre la LoRa n’est disponible qu’auprès de Semtech Corporation, l’entreprise à l’origine de la technologie. LoRaWAN est le protocole de la couche de contrôle d’accès au média (MAC) qui gère la communication entre les dispositifs LPWAN et les passerelles.

Weightless SIG a développé trois normes LPWAN : La norme unidirectionnelle Weightless-N, la norme bidirectionnelle Weightless-P et la norme Weightless-W, qui est également bidirectionnelle et fonctionne à partir du spectre TV inutilisé. Les normes Weightless-N et Weightless-P sont souvent les plus populaires en raison de la durée de vie plus courte de la batterie de la norme Weightless-W. Les modèles Weightless-N et Weightless-P fonctionnent dans le spectre sans licence de moins de 1 GHz, mais ils prennent également en charge l’exploitation du spectre sous licence en utilisant la technologie à bande étroite de 12,5 kHz.

Les normes Narrowband-IoT (NB-IoT) et LTE-M sont toutes deux des normes du projet de partenariat de troisième génération (3GPP) qui fonctionnent sur le spectre sous licence. Bien qu’elles aient des performances similaires aux autres normes, elles fonctionnent sur l’infrastructure cellulaire existante, ce qui permet aux fournisseurs de services d’ajouter rapidement la connectivité IoT cellulaire à leur portefeuille de services.

Le NB-IoT, également connu sous le nom de CAT-NB1, fonctionne sur l’infrastructure LTE et le système mondial de téléphonie mobile (GSM) existants. Il offre des débits de liaison montante et descendante d’environ 200 Kbps, en utilisant seulement 200 kHz de bande passante disponible.

Le LTE-M, également connu sous le nom de CAT-M1, offre une largeur de bande plus élevée que le NB-IoT, et la plus grande largeur de bande de toutes les technologies LPWAN.

Certains fournisseurs, dont Orange et SK Telecom, déploient des technologies sous licence et sans licence pour s’emparer des deux marchés.

Parmi les autres technologies de LPWAN, on peut citer

  • GreenOFDM de GreenWaves Technologies
  • DASH7 de Haystack Technologies Inc.
  • Symphony Link de Link Labs Inc.
  • ThingPark sans fil d’Actility
  • Bande ultra étroite de diverses sociétés, dont Telensa, Nwave et Sigfox
  • WAVIoT

 

LPWAN contre cellulaire, RF, maille

Alors que Bluetooth, Zigbee et Wi-Fi sont adéquats pour la connectivité IoT au niveau du consommateur, de nombreuses applications IoT – en particulier dans les déploiements industriels, privées et commerciaux – bénéficient d’un LPWAN où un grand nombre de dispositifs à faible consommation d’énergie dans une large gamme de zones peuvent être pris en charge de manière rentable.

Contrairement aux technologies sans fil antérieures, le réseau LPWAN offre une connectivité à large bande omniprésente et à faible consommation de piles, ce qui permet d’utiliser davantage d’applications M2M et IoT dont le coût était auparavant prohibitif. Toutefois, un compromis majeur est la quantité de données qui peuvent être transmises. Pourtant, selon James Brehm & Associates, 86 % de tous les appareils IoT utilisent moins de 3 Mo de données par mois, et le 3GPP estime que 99,9 % des appareils LPWAN utiliseront moins de 150 Ko de données par mois.

Les réseaux cellulaires souffrent souvent d’une faible autonomie et peuvent présenter des lacunes en matière de couverture. Les technologies cellulaires sont également en voie de disparition. Étant donné que de nombreux dispositifs IoT sont déployés pendant 10 ans ou plus, l’extinction de la couverture cellulaire n’est pas une option envisageable.

Les technologies de radiofréquences (RF), telles que le Bluetooth et les communications en champ proche (NFC), n’ont pas la portée dont beaucoup d’applications IoT ont besoin.

Les réseau maillés (mesh network), telles que Zigbee, sont mieux adaptées aux applications IoT à moyenne distance telles que les maisons ou les bâtiments intelligents. Elles ont des débits de données élevés et sont beaucoup moins efficaces que les réseaux de distribution (LPWAN.

 

Demandes de LPWAN

Avec des besoins en énergie réduits, des portées plus longues et des coûts inférieurs à ceux des réseaux mobiles traditionnels, les LPWAN permettent un certain nombre d’applications M2M et IoT, dont beaucoup étaient auparavant limitées par des problèmes de budget et de puissance.

Le choix d’un LPWAN dépend de l’application spécifique, à savoir la vitesse souhaitée, les quantités de données et la zone couverte. Les LPWAN sont les mieux adaptés aux applications nécessitant la transmission peu fréquente de petits messages sur la liaison montante. La plupart des technologies LPWAN ont également des capacités de liaison descendante.

Les LPWAN sont couramment utilisés dans des applications telles que les compteurs intelligents, les smart bulb, la surveillance et le suivi des actifs, les villes intelligentes, l’agriculture intelligente, la surveillance du bétail, la gestion de l’énergie (smart grid), la fabrication et les déploiements industriels IoT.

 

Sécurité du LPWAN

Les différentes technologies LPWAN offrent des niveaux de sécurité variables. La plupart comprennent l’authentification des dispositifs ou des abonnés, l’authentification du réseau, la protection de l’identité, la confidentialité avancée des standard encryption (AES) messages et la fourniture de clés.

 

L’avenir du LPWAN

En tant que technologie relativement nouvelle, le paysage du LPWAN est en constante évolution et est loin d’être mature. Avec de nombreux acteurs sur le marché, on ne sait pas exactement qui sera le ou les gagnants, d’autant plus que la vitesse d’expansion du marché est également inconnue. Les performances à long terme de chaque variante de LPWAN sont également incertaines, car nombre d’entre elles en sont encore au stade du déploiement initial et les essais en situation réelle à l’échelle n’ont pas encore été achevés.

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