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Il y a 3 semaines -

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IoT & Les protocoles de communication pour les réseaux sans-fil et filaires : Comment choisir ?

Dans le domaine des réseaux sans-fil et filaires, un protocole de communication définit les règles et les procédures de communication des couches physiques et de liaison du modèle OSI sur un support/canal physique. Il permet ainsi de connecter un objet (device en anglais) à un réseau filaire ou sans-fil. En outre, si ce réseau comporte une passerelle (gateway en anglais), c’est-à-dire un appareil connecté à la fois au réseau et à Internet, alors cet objet peut transmettre et recevoir des données depuis Internet.

 

Principe d’un objet connecté

 

Lorsque l’on parle de connecter un objet cela évoque généralement les communications sans fil et les technologies telles que le WiFi, le Bluetooth ou le cellulaire. Or, cela ne constitue que la partie émergée de l’iceberg car il existe plusieurs supports physiques et des dizaines de protocoles avec des caractéristiques différentes (débit, portée, consommation d’énergie, prix, etc.). Cela devient un vrai casse-tête pour savoir lesquels sont les plus adaptés à ses besoins. Cet article vous présentera les questions à se poser avant de se lancer tête baissée sur une technologie. Cela vous permettra de faire le bon choix à la fois pour le support physique et le protocole de communication. En bonus, vous trouverez un tableau comparatif en guise de synthèse.

Les questions à se poser

Ce qu’il faut se demander avant de démarrer son projet IoT :

  • Dans quel environnement l’objet évoluera-t-il ? (Espace urbain, sous-terrain, rural, indoor ou outdoor)
  • À quelle distance l’objet sera-t-il du point relais le plus proche (exemple : smartphone, antenne-relais, passerelle WiFi) ?
  • Quelle est la quantité d’information, de données à communiquer par jour ?
  • À quelle fréquence ces données seront envoyées ? (quelques envois, plusieurs centaines ou plus)
  • Est-ce que la prise en main à distance (PMAD) de votre objet est nécessaire ?
  • Est-ce que votre objet doit être « joignable » périodiquement, voire à tout moment ?
  • Quel est le délai maximum toléré pour transmettre une donnée du Système d’Information à l’objet ?
  • Est-ce qu’il s’agit d’un objet mobile ou fixe ?
  • Souhaitez-vous géolocaliser votre objet ? Si oui, quelle est la précision tolérée en mètres ?
  • Souhaitez-vous tracer en temps réel votre objet ?
  • Quel type de source d’énergie alimente votre objet ? (secteur, batterie ou pile)
  • Si l’objet doit avoir une source d’énergie limitée, combien de temps doit-elle durer ?

Paramètres d’aide à la décision

Il est important de connaitre certains paramètres qui permettront de comprendre le fonctionnement des protocoles et d’apporter des éléments de réponse.

Support physique

On entend par support physique le milieu physique à travers lequel la transmission d’information est réalisée. Celui-ci peut être segmenté en deux catégories :

Communications sans fil

Cela englobe les communications radio (cellulaires, Bluetooth, WiFi, SigFox, LoRaWAN…) mais aussi lumineuses (le protocole Li-Fi utilise les fréquences du spectre lumineux pour transmettre de l’information). Ce type de communication est utilisé dans les environnements hospitaliers car cela évite les nuisances provoquées par les communications radio comme le WiFi.

Communications filaires

Les communications filaires dans l’IoT sont principalement réalisées sur les trois supports :

Topologie

La topologie est également un des paramètres à prendre en compte dans votre évaluation. En effet, elle correspond à l’architecture logique d’un réseau, définissant les liaisons entre les objets du réseau et une hiérarchie éventuelle entre eux. Les principales topologies utilisées dans les télécommunications sont détaillées ci-après :

Topologie Mesh

Dans une topologie Mesh, un objet – dit nœud – est connecté à un ou plusieurs autres nœuds du même réseau. Cela forme un maillage dans lequel une donnée émise est relayée potentiellement par plusieurs nœuds avant d’arriver à destination, c’est ce qu’on appelle une route. Au fur et à mesure, les nœuds peuvent établir de nouvelles routes en fonction de leurs états (par exemple en panne) et des caractéristiques du support physique (par exemple une diminution du bruit). L’image suivante donne un exemple de ce type de topologie.

Exemples de topologie Mesh classique (à gauche) et hiérarchisée (à droite)

 

Il est aussi envisageable de hiérarchiser une topologie Mesh (voir ci-dessus) pour définir des niveaux afin de gérer plus facilement le réseau. Dans ce cas, le nœud père est le maître du réseau. On appelle cela en anglais « cluster tree ».

Cette topologie est très utilisée dans la domotique, où certains objets ne parviennent pas à se connecter à la passerelle à cause de la distance ou du bruit et des obstacles environnants. Cela est également appliqué au comptage intelligent comme par exemple dans le cadre du projet Linky mené par Enedis.

Topologie en étoile

Les objets sont connectés à une passerelle appelée concentrateur (switch en anglais) ou routeur (router en anglais). Celui-ci a pour rôle d’assurer la communication entre les nœuds du réseau comme on peut le voir sur la figure ci-dessous.

Exemple de topologie en étoile

 

Ce type de topologie permet facilement d’ajouter ou de retirer des nœuds sans impact sur le reste du réseau. En outre, toute l’intelligence du réseau est concentrée sur un seul nœud ce qui permet de gérer plus facilement le réseau. Cependant, si le concentrateur connait un problème technique, alors tout le réseau est en panne.

Ce type de topologie est très utilisé dans les environnements indoor (notamment avec le WiFi) ou dans le cadre des technologies portables (Vêtements, bracelets, etc. connectés) où le smartphone joue le rôle de passerelle.

Topologie cellulaire

Une topologie cellulaire repose sur un découpage d’un territoire en zones appelées cellules. Le rayon d’une cellule peut varier de quelques centaines de mètres (milieu urbain) à plusieurs kilomètres (milieu rural). Au cœur de la cellule, une antenne assure la liaison radio entre les objets et internet. Le principe est synthétisé dans la figure suivante où chaque cellule comporte une couleur différente pour indiquer que l’antenne utilise une bande de fréquences radio différente des cellules voisines.

Exemple de topologie cellulaire

 

Ce type de topologie est la base des réseaux mobiles (par exemple 2G/GSM, 3G/UMTS et 4G/LTE).

Topologie à diffusion

Dans ce type de topologie, un objet transmet un message sans préciser de destinataire en particulier. Ce qui fait que le message est analysé par tous les objets qui auront reçu correctement le message, c’est pourquoi on parle de diffusion (broadcast en anglais) comme le montre l’image ci-dessous.

Exemple de topologie à diffusion

 

Ce fonctionnement convient lorsque l’on souhaite atteindre plusieurs appareils sans distinction, c‘est par exemple le cas des protocoles LoRaWAN et Sigfox.

Portée

La portée d’émission d’un signal, c’est-à-dire la distance maximale à laquelle un récepteur est capable de décoder le signal, peut être découpée en trois catégories :

  • Courte : quelques mètres à une centaine de mètres
  • Moyenne : centaines de mètres à quelques kilomètres
  • Longue : jusqu’à plusieurs dizaines de kilomètres

La portée d’un signal dépend à la fois de la valeur de la puissance maximale d’émission prévue par le protocole et le milieu physique. En effet, en dehors des communications radio qui permettent d’atteindre de très longues distances, les milieux physiques que nous avons cités plus haut ne permettent de diffuser des signaux que jusqu’à quelques centaines de mètres. Pour pallier cette limitation, un ensemble de répéteurs sont généralement déployés pour relayer le signal.

Par conséquent, il est important de juger la distance à laquelle se trouvera votre objet de la passerelle la plus proche. En fonction de cette valeur, il sera évident que certains protocoles seront plus adaptés que d’autres.

Débit

Le débit est principalement limité par la modulation du signal et la largeur de la bande de fréquences : plus celle-ci est large et plus le débit est important. Cela s’explique par le fait qu’il y a plusieurs fréquences sur lesquelles il est possible d’émettre ou de recevoir simultanément plusieurs bits d’information. On peut citer l’exemple du protocole NB-IoT qui fonctionne sur les mêmes fréquences que le protocole LTE, mais sur une bande plus étroite.

Comme pour la portée, on peut également identifier des catégories de débit :

  • Bas débit : jusqu’à plusieurs dizaines de bit/s ;
  • Moyen débit : jusqu’à plusieurs centaines de Kbit/s ;
  • Haut débit : Plusieurs centaines de Kbit/s et jusqu’à plusieurs dizaines de Mbit/s ;
  • Très haut débit: Plusieurs centaines de Mbit/s voire plusieurs Gbit/s.

Il est intéressant d’avoir le plus haut débit possible pour transmettre de grands volumes de données, cependant, cela demande de grandes ressources d’énergie et de calcul. Par conséquent, les limitations en termes de ressources prédéterminent la catégorie de débit à utiliser.

Ajoutons qu’il est possible de constater que le débit de son objet est plus ou moins inférieur au débit dit « théorique » défini par le protocole, nous l’avons tous expérimenté avec nos abonnements téléphoniques. Cette différence est due aux équipements des constructeurs et/ou de la gestion du réseau par l’opérateur télécom. L’Arcep et UFC-Que Choisir publient régulièrement des rapports sur ce sujets.

Synchrone/Asynchrone

L’image ci-dessous schématise la transmission d’une donnée à travers les sept couches du modèles OSI, ainsi que le type d’information échangé. Pour rappel, la couche de liaison de données, la plus intéressante dans cette section, définit les processus pour construire et maintenir une route entre un objet et la passerelle au sein d’un réseau sans-fil ou filaire.

Les sept couches du modèle OSI

 

On parle de synchronisation au niveau de la couche de liaison lorsqu’un objet est à l’écoute continue ou périodique des trames émises par la passerelle. En outre, l’objet est susceptible de répondre à certaines trames pour notifier de sa présence et fournir une indication sur la qualité du signal en réception. Il s’agit du principe de Keep Alive. On comprend que la prise en main à distance (PMAD) ne peut alors se faire que si l’objet communique de façon synchronisée avec la passerelle.

Le principal inconvénient de la synchronisation est qu’elle oblige l’objet à écouter et à émettre régulièrement ce qui est coûteux en ressources de calcul et d’énergie. Cela ne convient donc pas à des objets avec peu de ressources, ce que l’on appelle des objets contraints.

Certains protocoles, tels que LoRaWAN (en classe A) et Sigfox, ont été mis au point pour répondre à ce genre de problématique. Il s’agit de protocoles asynchrones. En effet, après avoir émis une trame, un objet n’écoute le réseau que durant quelques secondes puis active le mode sommeil (« sleep mode »). En revanche, ici la prise en main à distance (PMAD) ne sont pas garanties et le délai pour transmettre une donnée du Système d’Information à l’objet est très variable, de quelques secondes à plusieurs jours.

Comparatif

Le tableau ci-dessous regroupe en ligne les principaux protocoles utilisés dans les projets IoT, et en colonne les paramètres que nous avons définis précédemment.

Les informations relatives à la géolocalisation sont extraites de l’article publié sur le blog Xebia: « Internet des objets: Comment géolocaliser son objet et quelle technologie utiliser ? »

 

Technologie Support physique Topologie Portée Débit PMAD Géolocalisation Avantages Inconvénients Applications
GSM (GPRS/EDGE)
Sans-fil Cellulaire Moyenne Moyen

(mais difficilement)

Quelques mètres à des dizaines de mètres Fonctionnalités multimédia (SMS, MMS), accès Internet et introduction de la carte SIM
Portée faible en zone rurale

Possible abandon de la maintenance du réseau par les opérateurs

Appels vocaux, messages courts, navigation (partielle)
3G Sans-fil Cellulaire Moyenne Haut Quelques mètres à des dizaines de mètres Sécurité élevée, itinérance internationale Consommation élevée d’énergie, couverture de réseau faible, coût élevé de licence de spectre Vidéoconférence, TV sur mobile, GPS
4G Sans-fil Cellulaire Moyenne Très haut Quelques mètres à des dizaines de mètres Très haut débit, haute disponibilité, très bonne couverture géographique, gestion de la mobilité Consommation en batterie grande, prix de l’abonnement important Applications à très haut débit et très grandes volumes de données (voix, vidéo). Adapté à la télésurveillance, aux smartphones (IoT critique)
LTE-M
Sans-fil Cellulaire Longue Moyen Quelques mètres à des dizaines de mètres Apport de nouvelles fonctionnalités d’économie d’énergie adaptées à une variété d’applications IoT. Pas d’utilisation d’un modem spécifique. Gère la mobilité des objets
En cours de déploiement, délai de livraison d’une donnée à l’objet variable
S’adresse à la fois aux applications propres au GSM et aux technologies LWPAN
SIgfox Sans-fil Diffusion Longue Bas Jusqu’à plusieurs centaines de mètres Très bas débit, faible puissance, prix bas pour l’appareil et l’abonnement (~ 1 € / mois), longue portée, économie de la batterie (> 10 ans) Dépendance à une technologie propriétaire, utilisation d’un modem spécifique, ne gère pas la mobilité des objets, délai de livraison d’une donnée à l’objet très variable (jusqu’à plusieurs jours) Uniquement adapté à la télémétrie à très bas débit
LoRaWAN Sans-fil Diffusion Longue Bas Jusqu’à plusieurs centaines de mètres Bas débit, faible puissance, prix bas pour l’appareil et l’abonnement (~ 1 € / mois) , longue portée, économie de la batterie (> 10 ans) Utilisation d’un modem spécifique, Itinérance en cours de déploiement, ne gère pas la mobilité des objets, délai de livraison d’une donnée à l’objet très variable (jusqu’à plusieurs jours) Adapté à la télémétrie à bas débit. Ce qui englobe plus généralement l’IoT des masses
NBIoT Sans-fil Cellulaire Longue Bas Quelques mètres à des dizaines de mètres
Bas débit, prix bas pour l’appareil et l’abonnement (~ 1 € / mois) réduit, économie de la batterie (> 10 ans) Utilisation d’un modem spécifique, ne gère pas la mobilité des objets, délai de livraison d’une donnée à l’objet variable Convient pour des parcs importants d’appareils fixes et nécessitant un faible volume de données: adapté à la télémétrie pour les compteurs d’eau ou électrique connectés ou l’agriculture intelligente
WiFi Sans-fil Etoile Courte Très haut Jusqu’à plusieurs mètres
Très Haut débit, qualité du signal assurée, connexion simple et rapide à la passerelle Non adapté aux objets uniquement alimentés par batterie. Couverture réseau limitée à une faible zone autour de la passerelle. Une passerelle WiFi mal configurée expose le réseau à des failles de sécurité (man in the middle) Adapté aux applications de domotique, au contexte indoor
ZigBee Sans-fil Mesh Courte Moyen Jusqu’à plusieurs mètres Technologie peu consommatrice en énergie et s’intègre à bas coût dans les équipements Couverture réseau limitée à une faible zone autour de la passerelle. Achat d’appareils spécifiques car la technologie n’est pas disponible dans les smartphones et ordinateurs Adapté aux applications de contrôle de commandes dans les contextes bureautique et domotique
Z-Wave Sans-fil Mesh Courte Bas Jusqu’à plusieurs mètres Adapté aux objets alimentés par batterie et communiquent à bas débit Technologie adapté à des besoins très spécifiques. Achat d’appareils spécifiques Spécifiquement conçu pour les applications de domotique
Bluetooth Sans-fil Etoile Courte Haut Jusqu’à plusieurs mètres Haut débit, faible portée, quasiment intégré dans tous les appareils du quotidien Si la sécurité n’est pas bien configurée alors l’objet s’expose à des failles de sécurités telles que le bluejacking et le bluesnarfing Adapté aux technologies portables telles que les oreillettes pour les communications voix ou aux raccordements d’équipements à un PC
NFC Sans-fil Etoile Courte Moyen x Technologie facile à utiliser et à mettre en place. Idéal pour échanger de courtes informations Contrairement au Bluetooth, la technologie n’est pas encore disponible dans les objets du quotidien tels que les smartphones Adapté pour les situations de badge (paiement sans contact, titre de transport, contrôle d’accès…)
LiFi Sans-fil Etoile Courte Haut x Technologie moins coûteuse qu’une technologie radio car les ampoules LED peuvent être utilisées en tant que point d’accès (passerelle). Débit théorique supérieur à ceux des technologies radio. La lumière ne traverse pas les murs contrairement aux technologies radio cela offre une meilleure sécurité pour l’accès au réseau LiFi
Pas de communication sans lumière allumée.

Technologie unidirectionnelle et doit être couplée avec une autre technologie (CPL, WiFi) ou être utilisée si il n’est besoin uniquement de débit descendant

Utilisé dans les milieux hospitaliers car cela évite les nuisances provoquées par les communications radio comme le WiFi.

Adapté aux secteurs critiques comme dans la banque-finance, la défense ou les activités de R&D car cela garantit la confidentialité des communications

Fibre Optique Filaire Mesh Moyenne Très haut x Fourni le plus haut débit du marché et très stable car insensible aux perturbations électromagnétiques. Prix de l’abonnement pas plus cher que celui de l’ADSL Déploiement national en cours. Raccordement à la fibre optique difficile et couteux pour une mise en production en masse Adapté aux applications à fort volume de données nécessitant du très haut débit ( téléchargement de fichiers, TV en 3D…)
CPL

(X10)

Filaire Mesh Moyenne Moyen

(partielle)

x Contrairement à la fibre optique, les infrastructures électriques (urbaines, immeubles, habitation…) sont déjà présentes. L’installation d’objets est très simple car il suffit de les brancher sur les prises électriques. Contrairement aux communications radio (ex: WiFi), il n’y a pas de problèmes d’atténuations dues aux murs Les communications sont assujetties à de fortes atténuations si l’infrastructure électrique est de mauvaise qualité Idéal pour la domotique et le smart metering

Pour conclure

Pour résumer ce que nous venons de voir, le choix du protocole de communication est capital car il permet la transmission/réception de données par l’objet. Il est donc important de se poser certaines questions avant de faire son choix. C’est ce que nous avons fait dans la première partie.

Ensuite, nous avons défini les paramètres protocolaires qui permettent de comprendre leur fonctionnement et d’apporter des éléments de réponse.

Enfin, le tableau ci-dessus vous propose un comparatif des protocoles les plus utilisés dans le marché de l’IoT, avec leurs caractéristiques, dans le but d’accompagner votre choix ou vous permettre de mieux comprendre le comportement de certaines technologies. Ajoutons qu’à partir de 2020, il sera possible d’exploiter les premiers réseaux 5G en France qui ambitionnent d’englober tous les cas d’usage de l’Internet des Objets.

Il est à noter que nous n’avons pas évoqué en détail les contraintes techniques pour implémenter un protocole qui ont un impact, par exemple, sur la garantie des débits, de la portée du signal, du délai de réception des données ou le dépannage à distance. Outre le protocole choisi, la qualité du réseau varie en fonction des matériaux et composants utilisés par l’équipementier et/ou de la stratégie de gestion de l’opérateur télécom; on peut citer par exemple la différence de qualité des réseaux 4G en France.

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Commentaire

1 réponses pour " IoT & Les protocoles de communication pour les réseaux sans-fil et filaires : Comment choisir ? "

  1. Publié par , Il y a 2 semaines

    Bonsoir,

    Merci pour cette très bonne et exhaustive synthèse.
    La seule remarque que je pourrais formuler est que j’aurais aimé voir figurer le protocole EnOcean, afin de pouvoir le comparer aux autres.

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