L’Internet des objets - Deux technologies clés : les réseaux de communication et les protocoles (Partie 1)

06/10/2016
Publication REE REE 2016-4
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2016-4:17360
DOI : http://dx.doi.org/10.23723/1301:2016-4/17360You do not have permission to access embedded form.
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L’Internet des objets - Deux technologies clés : les réseaux de communication et les protocoles  (Partie 1)

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REE N°4/2016 105 GROS PLAN SUR Introduction L e concept d’Internet des objets (IoT) fait florès depuis quelques années. Il ne se passe pas une journée sans qu’un article ou qu’une annonce commer- ciale ne vienne vanter tout le parti que l’on peut en attendre. L’idée de base est simple : il s’agit d’étendre à des « choses », c’est-à-dire à des entités matérielles ou logicielles, les fonctionna- lités offertes par l’Internet dans le domaine de la communication afin de leur permettre d’échan- ger entre elles ou avec des humains, toutes sortes d’informations ou de données. On en attend des retombées similaires – mais à une échelle beaucoup plus étendue – à celles qu’a apportées l’Internet dans le domaine de l’information et de la communication. Les domaines d’applications potentielles du concept d’IoT sont très variés. La figure 1 récapitule les principaux secteurs où la notion d’IoT semble aujourd’hui faire sens. Les attentes sont nom- breuses et variées : amélioration et diversification des services, nouvelles distractions, surveillance et sécurité, maintenance à distance, contrôle de pro- cédés ou d’infrastructures… Le discours marketing est riche en superlatifs quant aux apports possibles de l’IoT en termes d’efficacité, interopérabilité, ex- tensibilité, fiabilité, sécurité, etc. Le but des deux articles de ce Gros Plan n’est pas de discuter la validité de ce discours mais de « donner de la chair » au concept en abordant son contenu technique. En fait, l’IoT n’est pas une technologie mais un ensemble de technolo- gies qui, ayant acquis un degré de maturité suffisant, permettent L’Internet des objets Deux technologies clés : les réseaux de communication et les protocoles Jean-Pierre Hauet Membre émérite de la SEE. Rédacteur en chef de la REE In this article, we address one of the key factors of the success of the Internet of Things (IoT): the wireless radio communication networks. We first recall the general structure of IoT as a federation of local area networks capable to communicate with the Internet. We propose a classification of these networks into three functional levels: We review the various solutions available today, including new LWPAN networks (Long distance and low power wireless area networks), for generic applications (home automation, smart cities, agriculture, environment…) or for industrial applications which must comply with specific requirements (time criticality, low latency, availability, etc.). Mobility having to meet specific criteria (hand over, reliability ...), is not included in this analysis. We conclude by expressing the hope that the 5G, currently being specified, allows to achieve a synthesis of all these networks which constitute an eco-system often too complex for most potential users. ABSTRACT Figure 1 : Les principaux domaines d’application du concept d’IoT. 106 REE N°4/2016 GROS PLAN SUR de construire l’architecture à la fois globale et locale de l’IoT. L’IoT présente des liens étroits avec bon nombre de concepts qui, eux aussi, font appel à ces technologies nouvelles, en mettant plus ou moins l’accent sur certaines d’entre elles : smart grids, cités connectées, voiture autonome ou connectée, wearables, cloud computing, big data, Industrie 4.0… Pour rationaliser la discussion, on peut considérer l’IoT comme un concept à trois étages (figure 2) : - lées, échangées et, au moins pour certaines d’entre elles, acheminées vers des serveurs Internet ; stockées et éventuellement traitées sur des plates-formes logicielles et matérielles relevant du cloud computing. Les grands noms de l’informatique proposent aujourd’hui de telles plates-formes telles que Bluemix (IBM), Google Cloud, SAP HANA ou AZURE (Microsoft). - cès appropriés, peuvent les récupérer et les exploiter, en utilisant, s’il y a lieu, des techniques propres au traitement des données massives (big data). Dans ce Gros plan, nous ne nous intéressons qu’à la par- tie « Collecte et échange des informations » c’est-à-dire au premier étage. Le premier chapitre est consacré aux réseaux de communications, donc à la partie basse du système. Le second à paraitre dans un prochain numéro de la REE traitera des protocoles, c’est-à-dire des règles qui permettent à deux de communiquer mais aussi de se comprendre. Il y aurait bien d’autres sujets à approfondir, notamment les questions de cybersécurité, de miniaturisation et d’intégration des com- posants, d’alimentation en énergie et “d’energy harvesting”. Nous renvoyons le lecteur intéressé au Livre blanc de l’IoT qui résultera des travaux 2016/2017 du Cercle des entreprises de la SEE. Les problèmes de communication pourraient apparaître tri- viaux tant l’idée a été ancrée dans l’esprit des gens qu’Internet et son protocole IP étaient une sorte d’espéranto qui permet, une fois que l’on est connecté sur le réseau, d’échanger n’im- porte quelle donnée avec n’importe qui, où que ce soit dans le monde. Le problème est en fait beaucoup plus compliqué. à pouvoir accéder directement à n’importe quel capteur ou instrument de mesure dans le monde, parmi des dizaines de milliards qui se connecteront sur l’IoT, pour pouvoir y lire des données qui nous sont complètement étrangères. L’IoT doit l’Internet est l’épine dorsale. Nous proposons d’en retenir la définition suivante : « L’IoT est un réseau de réseaux qui permet, grâce à des dispositifs d’identification électronique d’entités physiques ou virtuelles dites « objets connectés » et via des systèmes de communication appropriés, sans fil notamment, de commu- niquer directement et sans ambiguïté, y compris au travers de l’Internet, avec ces objets connectés et ainsi de pouvoir récupérer, stocker, transférer et traiter sans discontinuité les données s’y rattachant ». De façon schématique, l’IoT serait ainsi une fédération de ré- seaux locaux autour de l’Internet telle qu’illustrée par la figure 3. Mais la figure 3 ne représente qu’un schéma de commu- nication. La question se pose de savoir où sont stockées et traitées les données. Certaines sont traitées au niveau local dans des équipements dits « intelligents », d’autres sont trai- tées dans le « cloud » et, considérant qu’il n’y a aucune rai- son à envoyer toutes les données dans le cloud, certaines niveaux intermédiaires, par exemple au niveau des routeurs de bordure (edge routers) de chaque réseau local : c’est ce qu’on appelle le “fog computing”. Figure 2 : Architecture générale de l’IoT. REE N°4/2016 107 L’Internet des objets Par ailleurs, il faut bien voir que les réseaux locaux apparais- différente selon les domaines applicatifs concernés. Certains sont filaires, d’autres – et c’est de plus en plus le cas – sont des réseaux de radiocommunications. On peut ainsi distinguer, en indiçant W (Wireless) les solutions sans fil, les réseaux : performances (débit, distance, temps de latence), de fiabilité, de disponibilité, de robustesse, etc. Si l’on considère par exemple les applications industrielles de l’IoT, ce qu’on appelle l’IIoT (Industrial Internet of Things) qui regroupe le secteur de l’industrie proprement dite et celui des infrastructures, on parvient très vite, en partant de la figure 3, à des architectures du type de la figure 4 où des réseaux de différentes natures sont regroupés autour de l’Internet. On comprend dès lors que, nonobstant l’universalité du protocole IP, une multitude de solutions de réseaux de communication et de protocoles aient été développées pour tenter de répondre au mieux à des besoins très divers. Il y a là un risque très grand de voir le concept simple d’IoT transformé en tour de Babel par le développement de cette multitude de réseaux hétérogènes incapables d’interopérer entre eux. Le présent Gros plan vise à donner un panorama didac- tique de la situation et à dégager les grandes tendances qui se dessinent aujourd’hui. Il se limite à prendre en compte deux grands types d’applications : type domotique, cités intelligentes, agriculture, environne- ment, etc. Ces applications correspondent à ce que l’on ap- pelle dans le langage de l’Internet les LLN (Low Power and Lossy Networks) c’est-à-dire les réseaux à faible consom- mation et avec pertes ; - senter des exigences fortes en matière de temps critique, latence, fiabilité, robustesse, etc. Ces applications relèvent, selon les pays, d’Industrie 4.0 (Allemagne), du plan Indus- trie du futur (France), de Made in China 2025 ou Japan’s Industrial Value initiative. Nous excluons par conséquent la mobilité (sauf à vitesse réduite) qui pose des problèmes spécifiques de “hand over” et bien entendu des problèmes de fiabilité. Figure 3 : L’IoT vue comme une fédération de réseaux autour de l’Internet. 108 REE N°4/2016 GROS PLAN SUR Les réseaux de radiocommunications de l’Internet des objets Généralités On comprend de ce qui précède que la question des réseaux de communications soit centrale dans l’Internet des objets. Il existe des dizaines de réseaux, ayant chacun leurs vertus propres. Se pose donc la question de savoir comment sélectionner les principaux d’entre eux et les classer de façon rationnelle. Le fait de limiter le champ d’étude aux deux domaines précités conduit à écarter des réseaux de communication importants mais dédiés à d’autres fins : - pement de la voiture autonome et connectée ; IEEE 802.11ad ou WiGig, le futur IEEE 802.11ay ; les solu- tions à très large bande : DS-UWB ou MB-OFDM, ECMA 368 ; le ZigBee RF4CE (pour les télécommandes) ; (Data et Control) et, à ce stade, le Li-Fi. Toutefois, l’utilisa- tion bidirectionnelle du Li-Fi progresse et son rôle dans l’IoT connectée) ; à très courtes distances. Ces solutions fonctionnent géné- ralement dans le champ proche : RFID passives, protocoles NFC, RuBee (IEEE 1902.1). Malgré cette « mise à l’écart », il reste de nombreuses réseaux sont des réseaux sans fil. Si la période 1980-2005 avait été propice au développement des bus de terrain (Pro- fibus, Devicenet, Fieldbus Foundation, WorldFip, etc.), la voie est à présent ouverte aux radiocommunications qui offrent la flexibilité et l’extensibilité indispensables aux réseaux de capteurs. Cela tient à la combinaison de plusieurs facteurs : à ouvrir plus largement la bande libre des 868 MHz, fré- quence idéale pour les applications du type IoT1 ; - les regards se portent également vers les très hautes fré- quences (de 3,1 à 10,6 GHz) mais aussi vers les ondes millimétriques (au-dessus de 30 GHz) où des ressources importantes de bande passante existent où est définie à présent et à peu près partout dans le monde, une nou- velle bande libre de 57 à 64 ou 66 GHz2 ; 1 Voir la rubrique Actualités dans la REE 2016-3 2 Voir la rubrique Actualités dans le présent numéro. Figure 4 : Schématique des architectures IoT dans l’industrie. REE N°4/2016 109 L’Internet des objets de façon compétitive, dans de très petits modules, des algo- rithmes anciens restés pendant des années l’apanage des systèmes professionnels (DSSS, FHSS, OFDM), modules qui atteignent aujourd’hui des limites impressionnantes de sensibilité (-148 dBm ce qui offre des budgets de liaison allant jusqu’à 168 dBm) - nante est celle du MI-MO (multi-antennes), couramment utilisé dans le Wi-Fi depuis l’IEEE 802.11n, mais sans oublier pour l’avenir, les techniques à ultra-large bande et la radio cognitive (IEEE 802.11af). fait appel ? Une possibilité serait de les classer selon les tech- nologies de base utilisées, c’est-à-dire en fonction de leur couche physique (bandes de fréquences, techniques d’éta- lement de spectre, schémas de modulation, utilisation de la diversité…) en distinguant le cas échéant les solutions nor- malisées (ou partiellement normalisées) des solutions pro- priétaires. Mais cette approche n’est pas parlante du point de vue applicatif et ne motive que les spécialistes. Nous proposons une typologie des réseaux de l’IoT géné- ralisant la représentation esquissée dans le cas de l’indus- trie par la figure 4 et introduisant trois niveaux fonctionnels (figure 5). Les réseaux d’extrémité Les réseaux de niveau inférieur, desservant directement locaux ». Toutefois, ce terme n’est plus réellement adapté du fait de l’émergence des réseaux longues distances du type LoRA et SIGFOX. Nous préférons l’appellation « réseaux d’ex- trémité » montrant par là qu’ils assurent la desserte d’équi- pements situés au niveau le plus bas de l’architecture. Ces sont de plus en plus en plus sans fil. Dans chaque grappe, ces réseaux amènent l’informa- des routeurs ou des passerelles (gateways) communiquant directement avec l’Internet. Mais ces concentrateurs peuvent Les réseaux d’infrastructure Les réseaux d’infrastructure sont précisément des réseaux intermédiaires qui permettent de regrouper des grappes d’objets connectés. Ces réseaux sont très souvent filaires mais la technologie permet d’envisager des solutions sans fil. Les réseaux d’amenée Les réseaux d’amenée sont les réseaux qui vont permettre de transférer l’information vers l’Internet qui constitue dans l’IoT le cœur de réseau. Ces réseaux d’amenée, ou de « bac- structure. Ils peuvent également ne pas exister si le routeur l’Internet. Nous détaillons ci-après certaines des spécificités propres à chaque niveau, en mentionnant les réseaux auxquels il des détails sur chaque solution et le lecteur devra se reporter à la littérature spécialisée. Les réseaux d’extrémité Ces réseaux d’extrémité ont des couvertures géogra- phiques diverses : on trouve dans l’industrie des petits réseaux (du type des piconets de Bluetooth par exemple) Figure 5 : Typologie des réseaux de l’IoT. 110 REE N°4/2016 GROS PLAN SUR machine, mais on trouve également des réseaux d’atelier voire des réseaux d’usine sur des distances de plusieurs kilomètres. Dans le domaine du building automation, la cou- plus importante s’il s’agit d’un centre commercial ou d’un quartier. Enfin, l’émergence des réseaux basse consomma- tion à longues distances permet de collecter des données provenant de capteurs localisés à 10 km ou plus, pour les besoins de l’agriculture, de la météo ou de la télésurveillance d’infrastructures distantes. Nous proposons d’adopter pour ces réseaux une classi- fication dérivée de celle de l’IEEE en distinguant les WPAN (Wireless Personal Area Networks), les WLAN (Wireless Local Area Networks) et les LPWAN (Low Power Wide Area Network). Les WPAN L’écosystème des WPAN est très riche. Pour rester simple, nous proposons de distinguer trois catégories : les “Gene- ral Purpose WPAN” à spectre applicatif large, les “Time Cri- tical WPAN” appelés à répondre à des usages particuliers du monde industriel, les réseaux spécifiques répondant à des - ment basse consommation d’énergie. Les “General Purpose” WPAN Nous faisons rentrer dans cette catégorie toutes les solu- tions répondant à des besoins ne soulevant pas d’exigences particulières, par exemple ceux de la domotique et de l’in- dustrie pour des applications non temps critique, dans des périmètres de l’ordre d’une centaine de mètres. Parmi ces applications, on peut citer : Parmi les solutions, nous trouvons : Le standard IEEE 802.15.1, c’est-à-dire, dans la pratique, Bluetooth, qui est un standard de communication né dans les années 1990, fonctionnant dans la bande libre des 2,4 GHz et fondée sur l’étalement de spectre par saut de fré- quence (FHSS – Frequency Hoping Spread Spectrum). C’est une solution robuste qui permet de réaliser des picoréseaux synchrones constitués d’un maître et de sept esclaves, sur une portée typiquement de 10 m, avec un débit maximum de 2,1 Mbit/s. Cette solution est adaptée à la communication M2M sur courtes distances, elle permet de supporter des trames IP mais n’a cependant pas été développée pour l’IoT car elle entraîne des consommations d’énergie élevées. Pour ne pas perdre pied dans ce domaine, les promoteurs de Bluetooth ont développé la version V4, dite Bluetooth Low Energy (BLE ou Bluetooth Smart), issue du projet Wibree initialement promu par Nokia, qui, moyennant cer- tains aménagements techniques (réduction du nombre de sauts de fréquence, limitation de la taille des trames), réduit fortement la consommation d’énergie. Le Bluetooth Smart ne supporte pas à l’état natif les trames IP mais des équipe- ments bimodes (dits Bluetooth Smart Ready) supportent à la fois le Bluetooth Classic et le Bluetooth Smart et peuvent servir de relais avec l’Internet. Les portées sont de l’ordre de la centaine de mètres pour des débits de 270 kbit/s. La solution BLE est bien adaptée au domaine des “wea- rables” (lunettes, montres, équipements de sport) mais trouve aussi son application dans la domotique. le standard IEEE 802.15.4 a été d’emblée développé en prenant en compte le souci de limitation des consommations d’énergie. Il est destiné aux équipements qui n’ont d’informations à transmettre qu’épi- en conséquence rester en sommeil pendant la grande majorité du temps, typiquement 97 %. Le standard IEEE 802.15.4 est une reconnaissance, au niveau des couches basses, de la solution développée par le consortium ZigBee pour offrir des communications à faible consomma- tion, avec des débits limités (typiquement 250 kbit/s) sur quelques dizaines de mètres. Comme le 802.15.1, le 802.15.4 opère essentiellement installé en Europe dans la petite bande des 868 MHz, pour le comptage notamment. L’étalement de spectre se fait en DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) avec un vecteur d’étalement de 32 chips. Depuis les premières publica- tions, le standard 802.15.4 a beaucoup évolué. Aujourd’hui, la version 2006 constitue la référence de base au-dessus besoins du comptage de l’énergie, de la santé, de la domo- tique, des services télécom, etc. Plus récemment le consortium Thread a entrepris la mise au point d’un protocole 802.15.4 destiné à la domotique et inté- grant les standards les plus récents du domaine de l’Internet. Il faut souligner que dans la version de base du 802.15.4, les réseaux de communication fonctionnent en “best ef- fort” sur le mode de l’évitement de collisions (CSMA-CA) sans garantie de performances par conséquent. Par ailleurs, pour différentes raisons, et notamment la lon- gueur limitée des trames, les réseaux 802.15.4 ne peuvent REE N°4/2016 111 Critères de sélection d’un réseau industriel Disponibilité, fiabilité Connectivité avec un “backbone” Coexistence avec d’autres réseaux Extensibilité (scalability) Faible temps de latence et déterminisme Ouverture et interopérabilité Sécurité (intégrité, authentification, confidentialité) Débit-distance Consommation d’énergie – Durée de vie des batteries Compétitivité Paramétrage de la qualité de service Standardisation L’Internet des objets pas accepter directement les trames Internet et une couche d’adaptation 6LowPAN, qui sera décrite dans le chapitre consacré aux protocoles, a été développée par l’IETF (In- ternet Engineering Task Force) pour interfacer ces réseaux avec l’Internet IPv6. solutions, plus ou moins propriétaires, nées avant que l’IoT n’acquière sa notoriété et qui sont amenées à s’y adapter. Tel est en particulier le cas du standard de fait KNX qui présente par CPL ou par liaison radio 868 MHz. On peut également citer ANT et ANT+ qui sont des réseaux propriétaires, fonctionnant dans la bande des 2,4 GHz et offrant des fonctionnalités proches à la fois de Bluetooth et de ZigBee. C’est une solution reconnue dans le monde des “wearables” mais aussi dans celui de la domotique. Les WPAN temps critique Les réseaux 802.15.4 dans leur version de base n’offrent pas des performances suffisantes pour répondre aux exi- gences de beaucoup de procédés industriels. Ces exigences sont nombreuses et appellent des compromis. On peut les regrouper en 12 critères essentiels listés dans le tableau 1. A partir de 2005, dans le cadre notamment de l’ISA (In- ternational Society of Automation) ont été développés des réseaux maillés, s’appuyant sur le 802.15.4 mais sur lequel a été greffée une organisation déterministe du trafic par un multiplexage temporel (TDMA), accompagné d’un saut de fréquence entre chaque slot de communication afin de ren- forcer la robustesse du réseau face aux interférences. Ainsi sont nés successivement les standards IEC 62591 (Wire- lessHART), IEC 62601 (WIA-PA) et IEC 62734 (ISA100.11a). Ce dernier réseau (figure 6) supporte la couche d'adapta- Figure 6 : Architecture générale ISA 100.11a – Source : ISA. Tableau 1 : Douze critères pour évaluer une solution de radiocommunication dans l’industrie. 112 REE N°4/2016 GROS PLAN SUR tion 6LowPAN et constitue un réseau local répondant aux exigences de l’IIOT et pouvant s’interfacer directement avec l’Internet IPv6 dont nous parlerons au chapitre 2. Les principes de l’ISA 100 sont aujourd’hui repris dans un amendement particulier du 820.15.4, le 802.15.4e, qui intro- duit le déterminisme et le saut de fréquence dans la gestion du réseau local. Nota 1 : On notera que l’on écarte à ce stade l’utilisation des réseaux sans fil pour les applications à des fonctions sé- curitaires. Cependant la question est à l’étude, dans le cadre du groupe de travail ISA-84 notamment. Les WPAN à extrêmement basse consommation Dans le domaine industriel, mais aussi dans celui de la domotique, on trouve également des solutions répondant basse consommation d’énergie, à des niveaux compa- tibles avec “l’energy harvesting” permettant donc de se dispenser des alimentations par batteries (Cf. REE 2015-1 p.127). Mentionnons parmi ces solutions EnOcean (ISO/ IEC14543-3-1), Wavenis, SARAH (Arveni) et DASH7. L’exi- gence “d’ultra low power” conduit à des protocoles rela- tivement frugaux, avec des trames courtes, fonctionnant généralement par impulsions. Ces solutions répondent à des besoins typiques de l’IoT (très faible consommation et très bas coût) mais leur intégration dans une architecture Internet va difficilement au-delà de la connexion au travers d’un gateway collectant les informations en provenance des capteurs. A noter que la solution DASH, si elle est utilisée à 250 kbit/s, ne permet une portée que de quelques dizaines de mètres. Par contre, utilisée à très faible débit (9,6 kbit/s), elle autorise des communications allant jusqu’à plusieurs kilomètres. Elle constitue un trait d’union avec les LWPAN dont nous parlons en section 3. Les WLAN La deuxième grande catégorie de réseaux d’extrémité que nous retenons est celle des WLAN, les Wireless Local Area Network c’est-à-dire essentiellement le domaine des Wi-Fi (IEEE 802.11) qui opèrent dans des plages de portée allant de quelques mètres au kilomètre3 . Les WLAN sont nés avec les premiers Wi-Fi dans les années 1997-2000. A cette époque, on parlait encore peu d’Internet des objets et le Wi-Fi n’a pas été créé dans cette 3 Nous excluons par conséquent de cette catégorie les Wi-Fi à très haut débit mais à faible portée : le 802.11ad (ou WiGig), le 802.11.y opérant aux Etats-Unis dans la bande 3 650-3 700 GHz avec une puissance de 20 W et le 802.11af (ou White-Fi) opérant en radio cognitive dans les interstices des bandes TV. perspective. Cependant, cette technologie possède de pré- cieux avantages dans la mesure où sa structure de trame, différenciée selon les détails de la couche radio, est similaire - lation de trames IP. Les relais Wi-Fi permettent de créer très simplement des points d’accès au réseau Internet, soit sur support cellulaire, soit par le canal d’un réseau cellulaire 3G ou 4G. Le Wi-Fi peut donc constituer un réseau d’extrémité très simple de mise en œuvre et très performant à la condi- tion que les équipements disposent d’une alimentation en énergie à partir du réseau. En effet, toutes les solutions Wi-Fi développées depuis 1997 : 802.11, 802.11b, 802.11 a et g, 802.11n et plus récemment 802.11ac sont dispendieuses en énergie car les équipements ne sont pas programmés pour Fi 802.11ah (labellisé comme “Wi-Fi Halow” par la Wi-Fi Al- liance), dont la spécification a été publiée au début de l’année 2016 et dont le champ d’application visé est celui des réseaux de capteurs et plus généralement celui de l’Internet des objets. Son ambition est de concurrencer le Bluetooth LE en offrant une meilleure couverture (jusqu’à 1 km) et une connectivité directe avec le monde de l’Internet. Le 802.11ah est destiné à fonctionner dans les bandes sub-GHz (donc à 868 MHz en Europe) en offrant ainsi de meilleures conditions de propaga- tion que les autres Wi-Fi. Les techniques de modulation et de multiplexage sont directement dérivées de celles des 802.11n et ac mais avec une fréquence d’horloge ralentie 10 fois. Le protocole prévoit que les stations regroupées autour de relais rythme convenu avec un réveil prédéfini (Target Wake Time). Cependant, ce qui est un point fort peut devenir un point faible car cela implique, pour assurer l’interopérabilité, que tous les Figure 7 : Positionnement en portée des principales solutions Wi-Fi. REE N°4/2016 113 L’Internet des objets - à la différence de Bluetooth et ZigBee, n’a jamais publié de profils particuliers au-dessus des couches basses du 802.11. Néanmoins, la Wi-Fi Alliance prévoit un développement très large du Wi-Fi Halow dans les secteurs de la domotique, de la La figure 7 illustre, en termes de portée, le positionne- ment sommaire des solutions Wi-Fi évoquées ci-dessus. Les LWPAN Le Wi-Fi Halow constitue une transition vers les réseaux LPWAN (Low Power Wide Area Network) apparus à partir de l’année 2015 afin de réaliser à faible coût, sur de grandes dis- tances, des réseaux de capteurs alimentés par batterie. Ce sont donc des réseaux à faible débit tirant parti des développements les plus récents en matière d’électronique afin de permettre de gérer avec une qualité de service acceptable des budgets de liaisons allant jusqu’à -160 dBm. Les réseaux longue distance à très basse consommation d’énergie sont apparus récemment ; ils nécessitent des récepteurs très sensibles pouvant détecter un signal émis par une source à relativement faible puissance Plusieurs initiatives très intéressantes ont vu le jour. Deux solutions d’origine française retiennent l’attention, d’au- tant plus qu’elles sont parvenues à se faire reconnaître au niveau mondial, y compris aux Etats-Unis : LoRa, solution ouverte fondée sur le protocole LoRaWAN promu par la LoRa Alliance. Ce protocole (tel que publié opérateur, public ou privé. Tel est notamment le cas de Bouygues Télécom qui l’a inséré dans la plate-forme pro- mue par sa filiale Objenious. LoRa est un réseau « étoile » bas débit, fonctionnant en France dans la bande des 868 MHz, utilisant des composants d’une très grande sensibilité et permettant de mettre en connexion, de façon bidirectionnelle, des capteurs distants de plusieurs kilomètres avec un relais servant de gateway (situé par exemple sur un point haut Bouygues Telecom) qui transfère ensuite les informations, en mode IP, vers l’Internet. LoRa utilise des canaux de 125 kHz en étalement de spectre. Les débits annoncés vont de 300 bit/s à 50 kbit/s (en Europe). SIGFOX repose sur un modèle différent. SIGFOX est un opérateur qui, directement ou par l’intermédiaire de parte- naires, propose un service de connexion IoT dans le monde entier (en 2016, dans 24 pays). La technologie est égale- ment différente : le système SIGFOX utilise une transmis- sion à bande très étroite (Ultra Narrow Band) permettant à un capteur d’envoyer des impulsions très courtes (12 octets de charge utile, au maximum 140 fois par jour) sur des micro-canaux dans la bande des 868 MHz. Les trames sont envoyées trois fois, sur trois fréquences, en direction de toutes les stations de base, sachant que, typiquement, trois les serveurs SIGFOX (figure 8). En “downlink” la charge utile est limitée à 8 octets, quatre fois par jour. Compte tenu des débits limités (équivalents à environ 100 bit/s), les applications préférentielles sont celles du Figure 8 : Architecture du système SIGFOX. 114 REE N°4/2016 GROS PLAN SUR comptage, de la maintenance préventive, de l’agriculture, de l’environnement, etc. D’autres initiatives ont vu le jour, simultanément ou avant LoRa et SIGFOX, avec plus ou moins de succès : Qovisio (Opérateur IoT basé à Angers), Neul, Ingenu, Weighless N et P, nWave, etc. Les réseaux cellulaires ne restent pas inactifs. Avec la publication du communiqué 13 du 3GPP (le consortium qui établit et publie les standards de 3e et 4e génération), trois solutions fonctionnant dans des fréquences sous licence se trouvent homologuées : EC-GSM-IoT (EC = Extended Coverage) qui est un complé- installée GSM, des services LPWAN dans des fréquences sub-GHz. EC-GSL-IoT utilise des canaux de 200 kHz en half duplex. Le gain de couverture escompté est de 20 dBm pour un débit de 10 kbit/s. Le lancement commercial est prévu pour 2017. eMTC (ou LTE-M) qui est une extension logicielle de 4G LTE. eMTC requiert un canal de 1,4 MHz (à l’intérieur d’un canal LTE de 20 MHz) et permet des débits de 1 Mbit/s. C’est une solution adaptée au trafic M2M. NB-IoT qui est intégrée dans LTE mais utilise une interface radio spécifique. Le profil vient en compétition avec LoRa. Il requiert un canal de 200 kHz et permet des débits de quelques dizaines de kbit/s. La figure 9 positionne les deux solutions LTE par rapport aux catégories classiques du LTE. Il est encore trop tôt pour dire quel sera l’impact mar- terme parait clair : elles permettent de construire des archi- tectures « full IP » sans solution de continuité au niveau d’un gateway et préfigurent l’unification des réseaux que pourrait permettre la 5G (voir en conclusion). Les réseaux d’infrastructure Dans une architecture IoT, les réseaux d’infrastructure (ou backbone) ne sont pas une obligation. Un réseau d’extrémité peut parfaitement s’interfacer directement avec l’Internet, via un routeur de bordure ou une passerelle. Cependant dès que l’on affaire à plusieurs réseaux d’ex- structure, il est nécessaire de fédérer ces sous-réseaux et d’organiser l’échange d’informations entre eux. On peut citer les exemples d’une raffinerie regroupant plusieurs unités de traitement aussi bien que d’un centre commercial abritant de nombreux commerces. données de configuration permettant de partager des règles de sécurité et de gestion des droits d’accès, des règles d’adressage local, des règles de gestion des fréquences. Dans le domaine des radiocommunications, la question du “Com- mon Network Management” appliqué à plusieurs réseaux d’extrémité est délicate et elle est aujourd’hui mal résolue. Si l’on veut éviter la cacophonie, un Common Network Mana- ger communicant par un Common Shared Network avec les différentes passerelles desservant chacun des réseaux sans fil, est nécessaire. Des travaux sont en cours sur ce thème au sein du groupe ISA-100 WG20. Ethernet, éventuellement, pour les applications industrielles, Ethernet industriel (du type IEEE 802 TSN – Time Sensitive network) ; - ment les solutions bi-bandes : IEEE 802.11n, IEEE 802.11ac et son successeur en développement : IEEE 802.11ax ; qui n’a cependant pratiquement pas démarré en France (ne d’extrémité répartis sur de grandes distances. Les réseaux d’amenée Les réseaux d’amenée ou de backhaul permettent de ren- voyer sur le cloud les informations que l’on souhaite y envoyer gestion des données. En soi, cette fonction de backhaul est Figure 9 : Positionnement des nouvelles catégories LTE destinées à l’IoT. REE N°4/2016 115 L’Internet des objets moins celle d’un réseau que celle d’un routeur ou d’une pas- serelle transférant sur le cloud les données collectées soit au un serveur de données installé sur le réseau d’infrastructure. La fonction d’amenée peut aussi se confondre avec celle de fédération de sous-réseaux assurée par le réseau d’infras- tructure. Cependant dans certains cas, la fonction d’amenée sera confiée à un réseau dont ce sera la seule vocation. On retrou- vera ici : Conclusion : La 5G et l’IoT L’écosystème des réseaux de communication censés répondre à la problématique de l’IoT est complexe. Les solu- tions se sont empilées de façon hétérogène au fil des années avec pour chacune des avantages et des inconvénients. Dans plusieurs cas, les solutions proposées sont un rafistolage de solutions plus anciennes afin de ne pas perdre pied dans la compétition qui s’amorce autour de l’IoT. Il serait temps de procéder à une ré- flexion globale sur l’architecture qu’il faut mettre en place pour permettre à l’IoT de se développer sans que sa mise en œuvre ne devienne un parcours du combattant pour les usagers. Le développement de la 5G, en cours de spécification, est une oc- casion unique pour réaliser « la grande uni- fication » à laquelle les utilisateurs aspirent. La 5G ne sera pas seulement un ac- croissement des débits afin de répondre encore mieux aux besoins du multimédia. - elle doit permettre d’inclure dans le champ de la communi- temps, de par la force du progrès technique, auront acquis des capacités de collecte et de traitement des données très supérieures à ce qu’elles sont aujourd’hui. Il faut donc que la 5G apporte non seulement des débits très supérieurs à ceux de la 4G mais aussi une couverture plus uniforme des zones desservies, une aptitude à pénétrer un service déterministe ou quasi-déterministe, une faible consommation permettant de fonctionner 10 ans sur batte- ries et bien entendu un coût aussi faible que possible. Ce sont là des défis considérables et la 5G ne pourra pas répondre d’emblée à tous. De nouvelles technologies, - lisées : MI-MO massif, ondes millimétriques, picocellules pour la densification, nouvelles formes d’onde pour une meilleure utilisation du spectre… Ceci implique probable- ment une coopération accrue entre les réseaux cellulaires administrés et les so- lutions locales, type Wi-Fi, opérant dans des bandes libres qui aujourd’hui leur font concurrence mais qui demain pour- ront concourir à la réalisation du grand projet de l’Internet des objets. La réelle synergie est là. Il est à parier que dans 30 ans l’exposé qui précède s’apparen- tera davantage à la visite d’un musée sur l’état de l’art de l’époque. Jean-Pierre Hauet est ingénieur au corps des Mines. Il est associate partner de KB Intelligence. Au cours de a carrière, il a dirigé les Labo- ratoires de Marcoussis du groupe Alcatel-Alsthom, il a dirigé la branche Produits et Techniques de Cegelec et a été Chief Technology Officer du Groupe ALSTOM. Il est membre émérite de la SEE et rédacteur en chef de la REE.