Il existe un grand nombre de technologies radio, chacune ayant ses avantages et ses inconvénients et chacune étant plus appropriée pour une application donnée. Alors, comment savoir laquelle choisir?

Pour pouvoir choisir la technologie radio la plus appropriée, il nous faut d'abord bien comprendre quelques caractéristiques des technologies radio comme:

• les fréquences qu'elles utilisent;
• les débits qu'elles offrent;
• les portées qu'elles proposent, etc.

C’est ce que nous allons essayer de voir en fonction des différents besoins applicatifs.

Les technologies radio ont en commun le fait d’utiliser des fréquences radio. Le spectre radio est très régulé et la plupart des plages de fréquences sont réservées (police, armée, aéronautique, météorologie, etc.) et sous licence (téléphonie mobile, etc.).

En France, c’est l’ARCEP¹⁾ qui est en charge de cette régulation. Vous pouvez consulter la répartition du spectre des fréquences radio (s'étendant de 8,3kH à 275 GHz) en France sur le site de l’Agence nationale des fréquences (ANFR)qui met à disposition une frise dynamique à l'URL https://www.anfr.fr/gestion-des-frequences-sites/tnrbf/frise-interactive /

Il existe cependant quelques plages de fréquences libres d’utilisation. Il s’agit des bandes ISM²⁾.

Il existe plusieurs bandes de fréquences ISM, un peu partout sur le spectre, les plus prisées étant les bandes :

• 2,4GHz (WiFi, Bluetooth, four à micro-ondes, etc.),
• 5GHz (WiFi),
• 433 MHz (babyphones, alarmes, domotique, LoRA etc.), 868 MHz (domotique, SigFox, LoRA, etc.)

L’avantage des bandes ISM est que justement elles sont libres d’utilisation. Elles sont cependant soumises à des régulations, en termes de puissance d'émission et de temps d'utilisation, qui varient suivant la bande concernée. Par exemple, pour la bande basse, le temps d’émission est limité à 1% du temps par heure, soit 36s par heure.

L’inconvénient des bandes ISM est qu’elles sont très sollicitées. Deux appareils proches communiquant en même temps sur la même fréquence, même s’ils utilisent des protocoles différents (comme Bluetooth et WiFi), peuvent se brouiller mutuellement. Les fréquences représentent une ressource partagée rare.

Pour garantir qu’une communication ne sera pas brouillée, il faut pouvoir contrôler les entités autorisées à communiquer sur les mêmes fréquences et, pour cela, utiliser des bandes de fréquences sous licence. C’est ce que font les opérateurs téléphoniques : ils achètent des licences, autrement dit, des droits d’utilisation exclusifs d’une largeur du spectre radio. Ainsi, seuls leurs abonnés peuvent utiliser ces fréquences (via la carte SIM qui contrôle l’usage de telle ou telle fréquence).

L’avantage d’utiliser des fréquences sous licence, et donc de passer via un opérateur, est que ce dernier garantit une qualité de service et une bonne connexion. L’inconvénient est qu’il faut souscrire un forfait et qu’on dépend d’un opérateur et de son infrastructure.

Les principales caractéristiques à prendre en compte lors du choix d'une technologie radio sont les suivantes :

• Le débit et la quantité de données à envoyer;
• La portée de communication;
• La consommation énergétique;
• La couverture;
• La fiabilité;

Certaines sont liées: De façon générale, des fréquences hautes permettent un plus grand débit mais sur des distances plus courtes. de grandes portées ou des fréquences élevées sont énergivores.

Chaque technologie de communication radio se caractérise principalement par sa portée et son débit. Ces derniers sont généralement liés aux bandes de fréquences qu'elles utilisent. Plus les fréquences sont hautes, plus la portée est courte mais plus le débit est élevé. Également, plus la portée est grande ou plus le débit est élevé, plus la consommation énergétique est grande. La figure ci-dessous positionne les technologies radio les plus connues en fonction de ces caractéristiques.

Avant de choisir une technologie de communication radio, il faut donc considérer tous ces critères en fonction des besoins de l'application. Le débit et la portée de communication sont importants mais ne sont pas les seuls critères qui doivent guider un choix. En effet, si un appareil communicant possède une forte autonomie énergétique (possibilité de le recharger souvent ou alimenté en permanence), on négligera l'aspect consommation. Si, au contraire, il repose sur une batterie qu'on peut difficilement recharger ou remplacer, l'aspect consommation sera primordial dans le choix de la technologie. De la même façon, on choisira une technologie en fonction de la quantité de données que l'on doit envoyer. Si les données sont nombreuses ou imposantes (comme un flux vidéo par exemple), une technologie bas débit telle que LoRA ou SigFox est à éviter.

Comme évoqué dans la section précédente, certaines bandes de fréquences sont nécessairement sous l'autorité d'un opérateur qui contrôle les différents accès au canal de communication et assure une certaine fiabilité des communications. Certaines technologies bien qu'utilisant les bandes ISM sont également opérées. C'est le cas de SigFox, LoRA, NB-IoT et parfois même du WiFi. En effet, un opérateur tel que l'opérateur français Orange vous proposera également du WiFi ou du LoRA, même si chacun est libre de déployer son propre réseau WiFi ou LoRA.

Passer par un opérateur apporte donc de grands avantages mais cela implique qu'il couvre la zone dans laquelle votre réseau doit être déployé. On parle de couverture. Si l'infrastructure cellulaire, LoRA, WiFi ou autre, n'est pas déployée, vous ne pourrez pas utiliser le réseau de l'opérateur, il faudra donc envisager de déployer vous-même votre infrastructure et/ou d'utiliser des routages adhoc multisauts.

Ceci a bien évidemment un coût supplémentaire à intégrer dans le choix de la technologie. Un particulier ne pourra pas déployer une infrastructure pour une technologie opérant sur des fréquences sous licences (telles que les technologies cellulaires). Le choix se limite donc aux technologies utilisant les bandes ISM permettant le déploiement d'une nouvelle infrastructure telles que le WiFi, LoRA ou les réseaux adhoc (ZigBee, Zwave, etc).

Il existe un très grand nombre de technologies de communication radio. Nous ne serons donc pas exhaustifs, d'autant plus que de nouvelles apparaissent régulièrement. Nous allons donc principalement mettre en avant les plus utilisées aujourd'hui.

On distingue deux groupes de technologies radio selon leur portée :

• Les technologies courte portée radio avec une portée inférieure à 100 m;
• Les longue portée radio avec une portée supérieure à 1 km.

En fonction de l’application envisagée, la portée radio est souvent déterminante pour envisager un déploiement extérieur ou intérieur dans un grand bâtiment sans la contrainte de déployer une infrastructure lourde.

Les technologies à courte portée permettent généralement l'établissement de réseaux locaux (ou LAN - Local Area Network). Elles sont, pour la plupart, associées à de hauts débits, c'est le cas du WiFi par exemple. Les technologies courte portée sont surtout utilisées :

• Par des applications Internet (WiFi);
• Pour les échanges d'information point à point ou les autorisations d'accès (RFID, NFC, Bluetooth);
• Pour la domotique (ZigBee, ZWave);
• Pour les objets connectés (Bluetooth, WiFi, etc.).

Voyons en détail quelques unes de ces technologies.

Le Wi-Fi est un protocole de communication sans fil standardisé par la norme IEEE 802.11.

Il utilise la bande ISM des 2,4 GHz et 5 Ghz. Les premières versions 802.11a et 802.11b apparues à la fin des années 90 proposent des débits théoriques de 11 Mbits/s.

La version actuellement commercialisée 802.11ac offre des débits jusqu’à 1,3 Gbits/s théorique. La future version 802.11ax sera 20% plus rapide.

Historiquement lié aux ordinateurs portables, le Wi-Fi s’est démocratisé à l’ensemble des appareils mobiles communicants. Le réseau sans fil fonctionne principalement en étoile, reliant une station à un point d’accès. Le point d’accès est généralement connecté sur un backbone filaire ethernet pour router le trafic.

D’autres approches ont tenté une infrastructure de type réseaux maillés sur un backbone sans fil sur une bande de fréquence dédiée (5Ghz) (réf Roofnet). L’inconvénient principal du Wi-Fi reste sa consommation d’énergie qui impose une batterie conséquente.

La norme 802.11ah (2017) optimisée pour réduire la consommation d’énergie dans le cadre d’application IoT n’a pas réussi à s’imposer face aux autres technologies du marché.

En parallèle du Wi-Fi, le Bluetooth apparaît à la fin des années 90. Il est porté par le consortium Bluetooth SIG (Special Interest Group).

Son but initial est de relier un terminal de type téléphone à un ordinateur. En 1999 sort la version 1.0 et le premier téléphone compatible. Tout comme le Wi-Fi, il utilise la bande ISM des 2,4 GHz pour une portée de 100m mais avec des canaux d’une largeur beaucoup plus petite, induisant de ce fait une bande passante beaucoup plus faible inférieure à 1 Mbits/s.

Potentiellement, ces deux technologies radio risquent de s’ interférer à cause des recouvrement des canaux. La norme spécifie de nombreux profils recouvrant des cas d’usages variés (modem, transfert de fichier, casque audio). L’usage courant du Bluetooth est complètement décentralisé et ne nécessite pas une infrastructure lourde. La version 4.0 ou BLE ³⁾ réduit énormément la consommation d’énergie.

De plus en plus d’objet connectés autonome adoptent cette technologie pour s’interfacer avec des terminaux mobiles. Cependant, la connectivité est dépendante de la présence de la portée radio entre le terminal et l’objet.

Le Zigbee est un standard haut niveau basé sur la norme IEEE 802.15.4 ⁴⁾ apparue au début des années 2000.

Son but est de proposer un réseau sans fil à bas débit et faible consommation. Tout comme le Wi-Fi et le Bluetooth, il opère également sur la bande ISM des 2,4 GHz pour une portée de maximum 100m. Il peut fonctionner sur des topologies pair-à-pair ou en étoile. Le Zigbee est porté par la Zigbee Alliance qui permet de certifier les produits respectant les spécifications du standard. De nombreux profils existent pour des applications comme la domotique (lumière, chauffage), capteurs médicaux, détecteurs de fumée.

L’avantage du Zigbee est de pouvoir créer un réseau maillée entre objets afin d’étendre la surface de couverture de l’application déployée. Généralement une passerelle Zigbee/IP permet d’échanger l’information de manière permanente, en temps réel entre les objets et un cloud.

Le RFID ⁵⁾ est une technologie d’échange d’informations sans fil entre un lecteur et un tag. Le lecteur envoie une onde électromagnétique qui va télé-alimenter le tag pour envoyer une réponse en retour, généralement un identifiant stockée dans une petite mémoire embarquée. Le lecteur peut également écrire une donnée dans le tag. Ce dernier peut avoir différents mode de fonctionnement : passif, semi-actif ou actif et atteindre des portées radio de 10m à 200m.

L’utilisation principale de cette technologie est l’identification et la traçabilité des objets. Le faible coût d’un tag permet de marquer à grande échelle les objets que l’on souhaite suivre. Le cas d’usage le plus connu est l’antivol apposé sur les produits de consommation vendus en magasin.

Le NFC ⁶⁾ autorise des communications sur une distance courte de moins de 10 cm. De nombreux smartphones et tablettes sont équipés de cette technologie qui permet trois types d’échanges:

1. l’émulation de carte (paiement, transport);
2. le mode lecteur;
3. le mode pair à pair.

La bande passante varie de 106 kbits/s à 424 kbits/s . Les échanges sécurisés à courte portée autorise des applications comme les transactions bancaires, la récupération des clés du réseau Wi-Fi.

Les technologies longue portée ont principalement deux types d'applications :

1. La téléphonie mobile et ses dérivés (SMS, applications mobiles, etc.);
2. La collecte d'informations IoT.

Ces deux applications diffèrent principalement dans les besoins en termes de débits et de QoS (latence, gigue, etc). La téléphonie mobile requiert par exemple une latence et une gigue très faibles alors que la remontée de simples données environnementales autorise en général des délais plus importants. Certaines technologies permettent le routage multi-sauts et l'établissement de réseau maillé (mesh) alors que d'autres permettent exclusivement un envoi des données vers la station de base de l'opérateur (étoile).

Pour des déploiements IoT qui dépassent l’échelle du bâtiment, les technologies radio longue portée comme NB IoT, Sigfox et LoRa autorisent le passage à l’échelle en terme de portée radio avec des débits suffisants pour des applications de télémétries classiques ou pour des actionneurs distants. Le critère de couverture radio totalement garantie ne peut être atteint que si l’utilisateur déploie son propre réseau d’antenne afin de combler les éventuelles zones blanches. Dans ce cas de figure, seule LoRa permet de gagner son indépendance en opérant soi-même sa propre infrastructure.

Voyons en détail quelques unes de ces technologies.

Les connexions cellulaires autorisent des communication radio sur plusieurs kilomètres de distance. Les opérateurs proposent des couvertures radio sur la quasi-totalité du territoire. Les terminaux utilisateurs sont accrochés à une cellule qui partage la bande passante entre les terminaux actifs, par exemple maximum 600 Mbits/s mutualisés pour la norme 4G LTE-A Cat 12.

L’inconvénient majeur de cette technologie radio est la forte consommation énergétique. Afin de pallier ce problème, Narrowband Internet of Things (NB IoT) propose de réduire cette consommation d’énergie au détriment de la bande passante. Les inconvénients majeures des connexions cellulaires sont la dépendance vis à vis des opérateurs qui possèdent les licences d’exploitation relatives aux bandes de fréquences utilisées. Dans la cas d’une zone blanche, il est impossible d’étendre la couverture par ses propres moyens.

Enfin, le modèle économique par d’abonnement peut être potentiellement très onéreux par rapport au nombre d’objets connectés déployés.

Sigfox est un opérateur qui a développé et déployé sa propre technologie radio utilisant la bande ISM des 868 MHz.

Cette bande est contrainte à une utilisation particulière en terme de puissance et de temps d’utilisation du médium physique : il est interdit de monopoliser plus de 1% du temps le canal radio. Tout en respectant cette contrainte, la modulation radio utilisée par Sigfox arrive à franchir énormément d’obstacles. Toutefois, la taille des paquets est limitée à 12 octets pour un maximum de 140 messages par jour.

L’avantage majeur est la très faible consommation énergétique mais on retrouve les mêmes inconvénients que les technologies cellulaires (abonnements, zones blanches).

Tout comme Sigfox, LoRa (Long-Range) est une technologie radio utilisant la bande ISM des 868 MHz en Europe.

Initialement développée par Cycléo en 2009 puis racheté par Semtech en 2012, LoRa fonctionne sur une modulation radio propriétaire qui permet d’atteindre des portées radio jusqu’à 5 km en zone urbaine dense et 15 km en zone dégagée.

Les puces radio propriétaires sont vendues à bas coût pour viser des déploiements à large échelle supérieur à plusieurs milliers d’objets. La modulation LoRa propose différentes puissances d’émissions appelées « Spreading Factor » (SF) allant de 7 à 12. Plus le SF est fort, moins la bande passante est élevée. Le SF contraint la taille maximale d’un paquet allant de 51 à 222 octets maximum. Afin d’augmenter la robustesse aux interférences et de garantir l’intégrité des paquets, un CRC et un code correcteur (Coding Rate) sont inclus dans la trame LoRa.

Pour résumer, on retiendra qu'il n'existe aucune technologie meilleure qu'une autre dans l'absolu. Différents critères sont à prendre en compte en fonction des besoins de l'application, en priorité le débit, la portée, la consommation d'énergie et le type d'infrastructure.

Le tableau ci-dessous dresse un bilan comparatif selon ces critères.

Le diagramme suivant vous aidera à choisir la technologie la plus appropriée pour votre application. Dans beaucoup de cas, plusieurs solutions sont bien sûr possibles, même si vous ne choisissez pas forcément la solution idéale, tant que la technologie choisie rend le service désiré.

Les caractéristiques d’une technologie radio qui peuvent influer sur le choix de l’une d’elle:

• Sa portée;
• Son débit;
• Sa couverture;
• Sa consommation d’énergie;
• Sa fiabilité.

Affirmations exactes concernant les fréquences ISM:

• Elles sont libres d’utilisation;
• Elles sont parfois opérées.

Affirmations correctes:

• SigFox est une technologie longue portée
• BlueTooth utilise des licences libres

Parmi LoRA, Wifi et 5G, quelle technologie la plus performante ?

• Aucune, ça dépend des critères importants pour l'application.

Vous souhaitez déployer une application qui surveille les données météorologiques de sites isolés. Vos données ne représentent que quelques octets que vous souhaitez collecter une fois par jour. Quelle serait la solution la plus adaptée ?

• Une technologie LPWAN