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RÉSUMÉ
La technologie UNB de SigFox a révolutionné le monde des télécoms en proposant pour la première fois une méthode de transmission des données IoT simple et efficace. En effet, elle permet des transmissions très longue portée, à faible consommation d’énergie, faible occupation spectrale et avec un protocole d’accès aux ressources minimaliste, tout en fournissant de bonnes performances. Dans cet article, cette technologie est présentée en détail, afin de pouvoir comprendre et mettre en œuvre cette technologie, de la couche PHY à la couche MAC, ainsi que les aspects de sécurité afférents. Enfin, un état des lieux des marchés visés est présenté.
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SigFox’s UNB technology has revolutionized the telecom world by offering for the first time a simple and efficient method of transmitting IoT data. Indeed, it allows very long range transmissions, with low energy consumption, low spectral occupation and with a minimalist resource access protocol, while providing good performances. In this article, this technology is presented in detail, in order to understand and implement this technology, from the PHY layer to the MAC layer, as well as the related security aspects. Finally, an overview of the targeted markets is presented.
Auteur(s)
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Claire GOURSAUD : Maître de Conférences - CITI, INSA de Lyon, France
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Christophe FOURTET : Directeur scientifique SigFox
INTRODUCTION
Pourquoi la technologie UNB ?
L’Internet des Objets (IoT : Internet of Things) est une composante récente des systèmes de communication. L’objectif est de connecter à Internet des dispositifs physiques, des véhicules, des bâtiments et même des animaux sans intervention humaine directe pour les piloter. Pour cela, il faut généraliser la connectivité déjà présente dans les ordinateurs et les téléphones à pratiquement tout objet en le dotant d’une puce et d’une interface radio.
À l’origine, les services offerts par l’IoT se limitaient à la domotique, pour connecter des appareils tels que les thermostats, les compteurs d’énergie, les systèmes de contrôle de l’éclairage, les systèmes de diffusion et de contrôle de la musique, les boîtiers de diffusion vidéo à distance…
Progressivement, les applications visées se sont élargies à tous les objets et même aux êtres vivants, comme la surveillance de la santé, les réseaux intelligents, les villes intelligentes, la logistique, la surveillance et le suivi de la faune, la domotique et la sécurité. Toutes ces applications nécessitent des stations de base dédiées pour établir une passerelle entre les objets communicants de la cellule, et la bulle Internet qui prend en charge la collecte et le traitement des données recueillies. Il est important de noter que l’IoT est caractérisé par la faible taille des données à transmettre (souvent réduite à quelques octets), comparativement aux communications « humaines ».
Pour limiter le coût opérationnel des opérateurs (et conserver un tarif raisonnable relativement à la quantité de données transmise), leur infrastructure doit être la plus réduite possible. Pour cela, ils ont besoin de stations de base (BS Base Station) couvrant une zone la plus étendue possible. Cette exigence est obtenue, pour la vision la plus partagée, par une topologie en étoile avec une très longue portée (les appareils communiquent directement avec la BS). Il existe plusieurs stratégies permettant d’étendre la portée d’une transmission sans-fil :
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augmenter la puissance de transmission. Cette solution est difficilement acceptable en raison de la consommation électrique induite. En effet, il faut maintenir une consommation d’énergie faible pour les nœuds (qui sont généralement sur batterie) afin de préserver leur durée de vie. De plus, il faut aussi tenir compte de l’impact potentiel sur la santé de l’exposition accrue aux ondes ;
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concevoir des récepteurs extrêmement sensibles. Néanmoins, le coût de ces récepteurs serait plus important. Ils pourraient être déployés sur les quelques stations de base, mais pas en masse sur tous les nœuds, ce qui ne permettrait pas d’avoir une liaison descendante ;
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concevoir de nouvelles technologies de transmission. C’est cette dernière possibilité qui a été adoptée par les opérateurs et la communauté scientifique. Cette nouvelle approche a conduit à la définition du concept des LPWAN (Low Power Wide Area Network), faisant référence à un réseau très étendu (jusqu’à plusieurs dizaines de kilomètres de portée dans les zones rurales), tout en visant une consommation énergétique minimale pour les objets. En outre, les réseaux LPWAN doivent permettre de traiter de petits paquets de données (les données échangées sont généralement de petite taille), et transmis sporadiquement (les applications visées ne nécessitent pas un flux continu de remontée de données, mais plutôt un paquet lorsque cela est pertinent).
D’autre part, les réseaux LPWAN se caractérisent par le fait que les bandes ISM sont généralement utilisées pour les transmissions car elles sont exemptes de licence, ce qui permet de réduire davantage le coût du réseau, et de permettre à ces nouvelles applications d’être mises en œuvre.
Les réseaux LPWAN ouvrent la voie à de nouveaux marchés et à de nouveaux opérateurs commerciaux. En effet, grâce à un coût d’infrastructure très faible, de nouveaux entrants ont pu se positionner en lançant leur propre technologie de transmission et rejoindre les opérateurs télécoms historiques sur ce marché. Ces derniers ont tout d’abord concentré leurs efforts sur NB-IoT (Narrow Band IoT). Parmi les nouveaux opérateurs, on peut citer SemTech et LoRa Alliance avec la technologie LoRa (Long Range), SigFox avec UNB (Ultra Narrow Band), et Ingenu avec RPMA (Random Phase Multiple Access). Plus récemment, le protocole Mioty basé sur le découpage de paquets a été proposé.
En pratique, deux directions principales (étonnamment diamétralement opposées) ont été prises par les nouveaux opérateurs pour la définition de nouvelles technologies de transmission :
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étalement du spectre (LoRa avec CSS (Chirp Spread Spectrum), ou Ingenu avec RPMA) : les données sont envoyées sur une bande de fréquence beaucoup plus large que celle de leur occupation en bande de base. Pour cela, un code d’étalement spécifique est envoyé pour coder un symbole. La diversité obtenue sur les fréquences permet de récupérer un signal même si sa DSP (Densité Spectrale de Puissance) est inférieure au plancher de bruit, car un motif spécifique est recherché et permet des gains de décodage intéressants. En outre, les différents codes qui présentent de bonnes propriétés de corrélation peuvent être affectés à différents dispositifs d’émission simultanée, à des fins d’accès multiple au canal de transmission ;
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réduction de l’occupation spectrale du signal (SigFox avec UNB) : les données sont envoyées à un débit très faible avec un schéma de modulation simple, de façon à assurer une occupation minimale du spectre. L’avantage de cette technique est que le bruit perçu (après filtrage du signal) est réduit car il dépend linéairement de la largeur de bande du signal.
Pour les deux techniques, la puissance reçue requise pour une qualité de service donnée est considérablement réduite. Ainsi, pour une même puissance d’émission que les systèmes classiques, une plus grande portée peut être atteinte sans dégrader les performances.
L’objectif de cet article est de définir de nouvelles techniques de transmission pour l’IoT vérifiant les contraintes suivantes :
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faible coût des dispositifs et de l’infrastructure : le nombre de stations de base doit être le plus faible possible, tandis que les dispositifs ont de faibles capacités de calcul ;
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très grande portée de transmission ;
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faible consommation d’énergie : les données doivent être envoyées avec une puissance d’émission la plus faible, et avec une durée la plus courte ;
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capacité à gérer la transmission en rafale de paquets de petite taille ;
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l’évolutivité et la capacité à gérer un très grand nombre de nœuds.
MOTS-CLÉS
KEYWORDS
IoT | SigFox | Ultra Narrow Band | PHY layer | MAC layer | LPWan
DOI (Digital Object Identifier)
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5. Application/marché
Il est aujourd’hui communément admis que les technologies radio (RAT en anglais) nécessaires à la « télématique moderne », ou, « Internet des Objets », ne peuvent pas être limitées à une ou deux. Un large panel est nécessaire, du simple RFID à la 5G en hyperfréquences selon les applications à couvrir. La zone d’optimisation de SigFox se situe entre le RFID et l’IoT cellulaire (NB-IoT, Cat-M…). En bas de son spectre d’application, on peut même parler de « RFID longue distance » : une information très simple à délivrer, à très faible énergie, majoritairement monodirectionnelle (uplink), mais sans la limitation de distance du RFID. Les échanges concernent quelques bits à quelques octets par jour. Les applications plus « complexes » peuvent mettre en jeux des échanges jusqu’à quelques kilo-octets par jour agrémentées de quelques « télécommandes » ou « descentes d’informations » journalières vers les objets. Dans tous les cas, la diversité spatiale et le caractère « cognitif » des réseaux conduisant à une simplification extrême des protocoles sur les objets, l’autonomie est alors parfaitement calculable et prédictible par le concepteur de l’application finale, et ce, même pour des autonomies recherchées supérieures à la décennie. C’est là un des avantages principaux de la philosophie du système SigFox.
Le tableau 2 donne un aperçu des gammes d’applications typiques.
Ces types d’applications vont classiquement se retrouver dans des marchés comme :
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la logistique – transport, le « postal », contrôle des flux dans les industries et le commerce ;
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le contrôle des ressources (gaz, électricité, eau, produits divers) – « Meetering » ;
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le suivi de processus ;
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le contrôle de systèmes simples (ouvertures/fermetures, statut d’un dispositif) ;
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le suivi d’assets (véhicules, flottes, animaux…)
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le suivi de personnes, typiquement dans le sport, le gardiennage, la sécurité, les hôtels et complexes.
Les caractéristiques du système, telles que la forme d’onde UNB utilisée, la diversité spatiale intrinsèque,...
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Application/marché
BIBLIOGRAPHIE
-
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-
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