Réseau IoT : quel protocole choisir pour ses objets connectés ?

[RESEAU IOT] Portée, consommation d'énergie, coût : les réseaux qui permettent aux appareils intelligents de faire transiter leurs données ont des caractéristiques différentes. Voici les principales solutions existantes.

Qu'est-ce qu'un réseau IoT ?

Le réseau IoT sert à doter un objet d'une connectivité à Internet pour permettre la remontée d'informations. Différents protocoles de communication sont disponibles sur le marché pour effectuer cela. Tous n'ont pas les mêmes caractéristiques. Pour les entreprises qui se lancent dans l'IoT, choisir le réseau de communication le plus adapté à leurs usages peut ainsi devenir un casse-tête chinois. Elles doivent prendre en compte la couverture du réseau, la durée de vie des objets sur batterie, la distance de communication ou encore le coût de service.

Réseau court ou réseau long ?

Deux grandes catégories de réseaux existent sur le marché :

Les réseaux longue portée : on distingue les réseaux basse consommation dits LWPAN comme Sigfox, LoRa, des technologies cellulaires (GSM, 2G, 3G, 4G, 5G). Ces deux types de réseaux longue portée sont capables de faire transiter des data d'un appareil à l'autre sur de vastes distances. Ils sont utilisés par les entreprises qui veulent connecter des kilomètres d'infrastructures à Internet ou dans des projets de smart cities par exemple.
Les réseaux à courte portée comme le Wifi, le Z-Wave, le ZigBee, ou encore le Bluetooth Low Energy, permettent de transférer des données sur de faibles distances. Ils sont utilisés dans la domotique ou sur le marché des wearables grand public.

Avant de se pencher dans le détail sur les fonctionnalités techniques de chaque réseau, il faut donc déterminer si ses objets connectés seront ou non situés loin du portail de réception de leurs données.

Les réseaux longue portée

Parmi les réseaux de grande portée, on distingue : Sigfox, LoRa, les réseaux cellulaires GSM, le LTE-M, le NB-IoT ou encore la technologie Wize. Ci-dessous, des détails sur chacun d'entre eux.

Sigfox

Sigfox est un réseau propriétaire. En ville, il a une portée qui peut être supérieure à 10 kilomètres, celle-ci peut atteindre les 30 voire les 50 kilomètres à la campagne. Les appareils ne consomment que très peu d'énergie pour envoyer leurs données sur ce réseau, même s'il est difficile de le confronter à d'autres technologies, faute de tests comparatifs réalisés par un organisme indépendant. Sigfox, qui ne coûte en moyenne que 2 euros par an et par objet, couvrait fin 2015 91% de la population hexagonale. Ce réseau était déployé en juillet 2020 dans 71 pays.
En contrepartie de sa faible consommation d'énergie, Sigfox ne permet de transporter que de très faibles quantités de données, entre 10 et 100 bits par seconde maximum (bps). Monodirectionnel au départ, il permet désormais d'envoyer des informations à ses objets connectés, même s'il est impossible de réaliser rapidement d'importantes mises à jour.

LoRa

Le protocole très basse consommation LoRa est déployé par différentes entreprises, comme Orange ou Bouygues Telecom via sa marque Objenious. Bidirectionnel et à faible coût (de 1 euro par an et par objet à 12 euros pour Bouygues Telecom), il permet de transmettre des données à des distances de 2 à 5 kilomètres en milieu urbain et jusqu'à 45 kilomètres en milieu rural. Ce protocole présente aussi l'avantage d'être développé en réseau privé pour qu'une entreprise puisse en assurer elle-même la gestion.
Seuls 0,3 à 50 kilobits par seconde (kbps) peuvent transiter sur ce réseau, qui est (tout comme Sigfox) idéal pour des capteurs émettant périodiquement une faible quantité de données de température, de géolocalisation, ou de pression par exemple. A l'international, Bouygues Telecom prévoit de tisser des accords de roaming. Un premier accord avec la Suisse a été conclu en janvier 2019, d'autres sont à venir mais une couverture hors des frontière est encore limitée.

Les réseaux cellulaires GSM (2G, 3G, 4G, 5G)

Les réseaux cellulaires, fournis par les opérateurs télécoms traditionnels, présentent l'avantage de transférer d'importantes quantités de données (pour faire transiter 83 mégabits, il faut 22 secondes en 3G et 1 seconde en 4G, selon l'opérateur Virgin Mobile). La 5G annoncée pour 2020 promet des avancées pour l'IoT, avec notamment une consommation moindre et un temps de latence très faible. Cette technologie est attendue en particulier pour les véhicules autonomes et la transmission de vidéo mais la mise en place d'une couverture nationale risque de prendre plusieurs années.
Très gourmands en énergie ces réseaux sont à réserver à des appareils branchés au secteur. Le prix des abonnements (qui dépend de l'opérateur choisi) est nettement plus élevé que ceux de Sigfox et LoRaWAN. Par ailleurs, il faut prévoir un espace sur l'objet connecté pour insérer une carte SIM.

Le LTE-M

Conçue pour l'IoT, la technologie LTE-M – "Long Term Evolution for Machines" – est une solution standardisée qui opère dans des bandes de fréquences licenciées allouées aux opérateurs mobiles pour la 4G. Elle bénéficie ainsi de ses fonctionnalités (sécurité avec authentification par Sim, connectivité en temps réel, itinérance à l'international), ce qui lui permet de faciliter les échanges de données enrichies, comme l'image ou la voix grâce à ses débits élevés, pouvant aller jusqu'à 10 Mb/s. Le LTE-M cible ainsi la télésurveillance ou les options combinant l'IoT et la voix. Orange Business Services a lancé en novembre 2018 en France la technologie LTE-M sur son réseau 4G. Cette offre, déjà compatibles avec les normes 5G, lui permet d'offrir une connexion au-delà des frontières.
Le LTE-M est assez énergivore. Il a aussi pour caractéristique l'utilisation d'un modem réduit en performance par rapport aux modems LTE classiques.

Le NB-IoT

Le NB-IoT (Narrow Band Internet of Things) est aussi une solution standardisée se basant sur l'infrastructure de la 4G. Elle utilise une bande étroite de 180 KHz et assure une pénétration à l'intérieur des bâtiments ou en sous-sol, ce qui lui permet de répondre aux besoins de parcs importants d'appareils fixes nécessitant un faible volume de données, comme la télé-relève de compteurs d'eau ou de gaz. Vodafone et Huawei comptent parmi les principaux promoteurs du NB-IoT. En France, SFR a été le premier à lancer une offre NB-IoT, qui s'appuiera sur près de 18 000 antennes 800 MHz du réseau 4G. Selon la GSMA, 94 réseaux NB-IoT sont opérés dans le monde en 2020.
Le débit de transmission de données du NB-IoT se limite à 150 Kbits/s et le déploiement de ce standard dépend des opérateurs mobiles et de leurs capacités à faire évoluer leurs stations de base.

Wize

Wize est une technologie. Elle assure une stabilité radio journalière, avec un débit à 2 400 bits/secondes, dans des milieux contraints tout en préservant les piles pour une durée de vie supérieure à 15 ans. Les réseaux Wize sont déployés par des opérateurs privés mais n'importe qui peut devenir opérateur Wize, le protocole de communication étant ouvert et public. Cette technologie utilise en effet la bande de fréquence 169 MHz, libre de droit en Europe. En France, la technologie Wize est déployée par Suez, GRDF et des "utilities" comme Bordeaux Métropole Energie. En 2019, 7 millions d'objets (3 millions de compteurs de gaz et 4 millions de compteurs d'eau) sont connectés avec Wize. A l'international, 15 pays et plus de 500 villes l'utilisent en réseau privé local. Son principal usage concerne le comptage de l'eau et du gaz mais Wize connecte également des bornes d'apports volontaires pour la gestion des déchets ou des capteurs d'humidité afin d'adresser, à terme, les besoins de la ville intelligente.
La technologie Wize utilise la bande de fréquence 169 MHz, dédiée aux métiers industriels de l'IoT, mais celle-ci n'est pas toujours disponible hors Europe. Par ailleurs, les réseaux Wize ne bénéficient pas d'une couverture nationale, ils sont déployés localement via des réseaux dédiés.

Les réseaux courte portée

Dans la famille des réseaux courte portée, on retrouve le Wi-Fi, le Z-Wave, le ZigBee, le Bluetooth Low Energy, le réseau mesh Wirepas, la RFID et le Enocean. Ci-dessous, plus d'informations sur chacun d'eux.

Le Wi-Fi

Universel, le Wi-Fi permet de transférer un grand nombre de données rapidement, jusqu'à 600 mégabits par seconde (mbps). Ce protocole de communication peut être utilisé pour connecter des caméras de surveillance qui filment des images lourdes 24 heures sur 24. Il est bidirectionnel, ce qui permet de mettre facilement à jour les appareils.
Problème, il est très énergivore et ne peut être utilisé que pour des appareils branchés au secteur, dans la maison par exemple.

Le Z-Wave

Le Z-Wave est un protocole de communication dédié à la domotique. Sans fil, il est facile à installer dans la maison. Il a une portée de base de 30 mètres. C'est un réseau maillé, c'est-à-dire que chaque appareil connecté au système est émetteur de données mais peut aussi relayer celles qui sont émises par ses voisins. Cela permet d'élargir sa portée.
Un bémol toutefois : les clients qui créent dans leur logement un réseau Z-Wave doivent veiller à installer régulièrement dans l'espace des appareils reliés au secteur, faute de quoi ils risquent de créer des zones blanches. Ce sont les seuls qui restent en activité 100% du temps, pour éventuellement transmettre les données de leurs comparses. Ceux qui fonctionnent sur batterie sont la plupart du temps en sommeil pour ne pas consommer trop (le Z-Wave brûle tout de même deux fois plus d'énergie que le Bluetooth Low Energy). Ils ne relaient donc les données que lorsqu'ils s'allument. Le Z-Wave n'est par ailleurs pas aussi universel que le Wifi. Tous les appareils de la maison ne pourront pas forcément communiquer avec un objet connecté via cette technologie.

Le ZigBee

Le ZigBee permet de faire circuler plus de données que le Z-Wave (jusqu'à 250 kbps, contre 100 maximum). Il est également moins cher et plus facile à implémenter pour les fabricants d'objets connectés que le Z-Wave ou le Bluetooth (dans sa version 4, dite Low Energy comme dans sa version 5, qui vient d'être standardisée).
Mais ce réseau n'a que 10 mètres de portée en moyenne soit 20 de moins que le Z-Wave et 50 de moins que le Bluetooth Low Energy.

Le Bluetooth Low Energy

Le Bluetooth Low Energy est très largement utilisé dans le monde. Quasiment tous les smartphones sont équipés de cette techno, fréquemment utilisée pour faire communiquer les wearables. Il a une portée de 60 mètres en terrain dégagé et "consomme environ 20 fois moins d'énergie que le Wi-Fi", selon Thomas Gauthier, le CEO de l'entreprise de domotique NodOn. La dernière version de cette techno, le Bluetooth 5, est plus adaptée à l'IoT et dispose d'une portée deux fois supérieure à celle de son aînée.
Ce réseau de courte portée permet de transporter nettement moins d'infos que le Wi-Fi : 1 mbps seulement, même si le nouveau standard permet de transférer quatre fois plus de données.

Wirepas

Wirepas est un protocole de communication radio mesh sur la bande de fréquence 2,4Ghz proposé par l'entreprise finlandaise éponyme. Il est particulièrement adapté pour de fortes densités d'objets connecté en indoor. Chaque objet du réseau est un routeur intelligent, décidant lui-même de sa configuration localement, ce qui simplifie l'infrastructure et évite l'utilisation de répéteurs. "La connectivité s'effectue sous la forme d'un logiciel embarqué, elle se construit par les devices sur batterie, indépendamment de l'infrastructure", précise Youssef Kamel, SVP ecosystem partners chez Wirepas. Wirepas peut prendre en charge jusqu'à 4 milliards d'objets connectés sur son réseau. Wirepas est principalement utilisé dans trois secteurs d'activité : l'énergie, le smart building et l'asset tracking. Une nouvelle version du protocole, Wirepas mesh 5.0, permet par ailleurs une interopérabilité entre différents réseaux de communication.
L'autonomie des tags peut durer moins longtemps si la position est relevée régulièrement.

La RFID

La RFID (Radio Frequency Identification) est une technologie d'identification par radio-fréquence, elle ne comporte donc aucune batterie. C'est l'énergie radio qui permet d'identifier des objets et de transmettre l'information par un code d'identification. La RFID s'utilise à courte distance - du contact à un quelques centimètres (NFC) et jusqu'à 15 mètres en haute fréquence (UHF). Cette technologie est utilisée principalement dans l'identification, la gestion des stocks ou la traçabilité. L'établissement public Connectwave estime qu'en 2017, il y avait entre 18 à 20 milliards de tags dans le monde. En octobre 2018, Sigfox a a annoncé le lancement au second semestre 2019 de sa Bubble, une étiquette RFID longue portée, pouvant atteindre 100 mètres, au prix de 0,20 dollars.
Un lecteur doit nécessairement se situer dans le champ du tag pour pouvoir en récupérer les données, ce qui représente un inconvénient pour les entreprises qui doivent réfléchir à l'installation. La RFID représente par ailleurs un certain coût puisque les entreprises doivent investir dans l'achat de puces RFID, de balises pour la transmission des informations et dans l'intégration dans le système d'information.

Le Enocean

"Le Enocean est un réseau de communication sans fil et sans pile", explique Thomas Gauthier. Et de poursuivre : "Il consomme deux fois moins que le Bluetooth Low Energy et permet de résoudre le problème de la durée de vie des objets connectés. Il capte l'énergie nécessaire à son fonctionnement dans son environnement grâce à des capteurs de mouvement (énergie mécanique) mais aussi à des capteurs de température (solaire)."
Pour l'instant, cette technologie est très loin d'être un standard.

Dans certaines situations, les entreprises peuvent être tiraillées entre plusieurs solutions différentes. Il est possible de croiser différentes technologies sur un même objet connecté, même si cela rend plus complexe la conception de l'appareil.

Un résumé selon Birdz

L'entreprise Birdz, filiale de l'activité eau de Veolia en France, résume les éléments à prendre en compte dans le choix du réseau, à travers cette infographie :

De nouveaux protocoles sont en cours de développement, comme Amazon Sidewalk, destiné à étendre la portée des objets connectés de la maison. L'une des problématiques majeures de l'IoT est ainsi l'interopérabilité entre les réseaux.