Solutions sans fil #5
Sigfox répond aux besoins en matière de communication IoT

Nous sommes tous habitués à des réseaux locaux comme les technologies Wi-Fi, ZigBee et Bluetooth qui ne couvrent généralement que quelques mètres. Ceux-ci établissent des passerelles avec des dispositifs IoT à la complexité variable, allant des ordinateurs et imprimantes aux sonnettes, en passant par les thermostats. Toutefois, la technologie IoT concerne également les systèmes à grande échelle qui couvrent une vaste zone géographique, tels que la surveillance de la pollution de l'air ou du niveau de l'eau, le contrôle de la circulation et des parkings, ainsi que d'autres applications comme dans le secteur de l'agriculture. Bien que très diversifiées, ces applications forment un ensemble d'exigences liées aux capteurs et aux réseaux de communication qu'elles utilisent :

  • Puisque ces applications exploitent généralement de nombreux capteurs répartis dans divers emplacements, ces derniers doivent minimiser leur consommation énergétique. Cela permet de récupérer de l'énergie, ou au moins d'augmenter la durée de vie des batteries, réduisant ainsi les coûts associés à l'accès et au changement d'un grand nombre de batteries. En conséquence, le réseau de communication sans fil doit également économiser l'énergie afin d'appuyer cet objectif.
  • Ces capteurs ne génèrent souvent pas d'importantes quantités de données et peuvent même rester inactifs pendant de longues périodes. Toutefois, les coûts qui y sont associés, comme le budget énergétique, doivent être minimisés. Ces scénarios requièrent un protocole réseau qui privilégie la réduction de la consommation énergétique et des coûts associés et limite les débits de données inutilement élevés.
  • De faibles coûts doivent signifier des frais d'abonnement peu élevés voire nuls, ainsi que du matériel simple et peu coûteux.
  • Les transmissions longue distance doivent être possibles grâce à une solide résistance au bruit.
  • La capacité du réseau doit être élevée afin d'accueillir le grand nombre de dispositifs périphériques potentiels dans un projet de grande envergure.
  • La sécurité doit être assurée.

Quels sont donc les principaux réseaux sans fil longue portée et comment peuvent-ils répondre à ces exigences ?

Les solutions les plus communes sont les protocoles sans fil cellulaires sous licence, sous diverses formes, ainsi que les réseaux étendus à faible consommation (LPWAN) comme LoRaWAN et Sigfox, qui ne requièrent pas de carte SIM pour la connectivité.

Les réseaux cellulaires bénéficient d'une infrastructure stable et bien établie dans la plupart des régions du monde. Toutefois, ces réseaux n'ont pas été initialement pensés pour les dispositifs IoT et transmettent souvent d'importantes quantités de données, avec les inconvénients associés en matière de consommation et de budget. Même la mise en place sur les dispositifs finaux de la technologie LTE-M (ou LTE-MTC), élaborée dans le cadre du projet de partenariat de troisième génération (3GPP, Third Generation Partnership Project) pour les communications de machines, s'avère coûteuse en raison des frais élevés d'installation, d'entretien et d'exploitation. Cette méthode favorise toutefois la réduction de la consommation énergétique.

Pour plus d'informations sur les réseaux cellulaires et LPWAN, consultez nos articles Tendances de l'IoT cellulaire Partie 1, Tendances de l'IoT cellulaire Partie 2 et Tendances de l'IoT cellulaire Partie 3. De plus, l'article LoRaWAN comme solution de réseau IoT examine de plus près l'environnement LoRaWAN. Le présent article, qui s'intéresse à Sigfox, complète ces informations.

Aperçu de l'architecture et des fonctionnalités de Sigfox

Sigfox

La figure 1 présente les principaux composants du réseau Sigfox.

Sigfox déploie actuellement le premier réseau IoT mondial connecté à des milliards d'objets diffusant des données, sans avoir besoin d'établir ni entretenir des connexions réseau. Cette approche utilise un protocole compact et optimisé, ne présente pas de surdébit de signal et ne requiert pas la connexion des objets au réseau. Sigfox offre une solution de communication logicielle dont la complexité informatique et du réseau est gérée dans le Cloud plutôt que sur les dispositifs. Ces caractéristiques s'associent pour réduire fortement la consommation énergétique, ainsi que les coûts liés aux dispositifs connectés.

Sigfox est un réseau mondial basé sur une topologie simple en étoile, mais les objets ne sont pas liés à des stations de base spécifiques. Des milliards d'objets transmettent des messages captés par les stations de base à leur portée, tandis que toutes les stations de base déployées partout dans le monde par les opérateurs de réseau sont directement connectées au Cloud unique de Sigfox. Les stations de base détectent, démodulent et transmettent les messages au seul et unique Cloud de Sigfox. Le Cloud renvoie alors les messages aux serveurs clients et aux plates-formes informatiques.

Caractéristiques techniques de Sigfox : gros plan

Modulation radio à bande ultra-étroite (UNB, Ultra Narrow Band)

La bande ultra-étroite offre une grande capacité de canaux, de longues distances de transmission et une haute résistance au bruit.

  • Sigfox utilise la technologie radio UNB à 868 MHz (réglementée par la norme ETSI 300-220) en Europe et au Moyen-Orient, et 902 MHz (réglementée par la norme FCC partie 15) en Amérique du Nord.
  • Ces bandes sont disponibles publiquement.
  • Sa bande passante est de 192 kHz.
  • L'UNB génère un signal radio relativement étroit. Par conséquent, un plus grand nombre de signaux peuvent être diffusés simultanément.
  • Chaque message utilise une fréquence de 100 Hz et est transmis à 100 ou 600 bits par seconde, en fonction de la région.
  • Les choix de modulation et de protocole de Sigfox ne sont pas optimisés pour une vitesse élevée, mais ils sont très efficaces en matière de bilan de liaison. Le bilan de liaison élevé de Sigfox offre une longue distance de communication.
  • L'UNB utilise également de plus petites trames radio, ce qui permet d'augmenter la capacité de données et de réduire la consommation énergétique par rapport à un protocole classique avec un débit plus élevé.
  • Cette technologie favorise les longues distances et fait preuve d'une haute résistance au bruit.
  • Avec la modulation D-BPSK (modulation par déplacement de phase binaire), elle transmet seulement 1 Hz à 1 bps. Un signal unique occupe donc une part minimale de la bande de communication.
  • La modulation D-BPSK est utilisée pour trois raisons :
  • Elle est facile à mettre en place
  • Le faible débit permet d'utiliser des éléments peu coûteux
  • La puissance du signal de Sigfox étant concentrée sur une bande passante étroite, les stations de base peuvent être très sensibles et peuvent démoduler les signaux à proximité du bruit de fond ; cette technologie améliore la résistance aux interférences
  • La sensibilité de la station de base peut être de -142 dBm à 100 bps et de -134 dBm à 600 bps
Comparaison Sigfox/LoRa

Figure 1 : spectre de fréquences UNB de Sigfox - Image fournie par Sigfox

Un protocole léger

Sigfox est conçu pour envoyer des messages peu conséquents avec un débit minimal. Il réduit ainsi la consommation énergétique et allonge la durée de vie de la batterie. Le protocole de systèmes classiques est optimisé pour transporter un grand volume de données, mais il s'avère généralement inefficace. Une trame Sigfox transporte 12 octets de données et un maximum de 26 octets, surdébit compris. Pour comparaison, une pile IP possède un en-tête de 40 octets, même avec 12 octets de données à transmettre.

Les systèmes classiques utilisent le trafic de surdébit pour créer et gérer le canal de réseau sans optimiser les données éparses. Ce protocole léger offre deux principaux avantages :

  • Puisque chaque octet de données et de surdébit consomme de l'énergie, l'utilisation de ces trames efficaces optimise la durée de vie de la batterie des dispositifs finaux
  • Une réduction du surdébit signifie une plus grande capacité pour les données utilisateur

Une faible charge utile

Un message en liaison montante contient jusqu'à 12 octets de charge utile et prend en moyenne 2 s pour atteindre les stations de base qui contrôlent le spectre cherchant à démoduler des signaux UNB. Pour une charge utile de 12 octets, une trame Sigfox utilise 26 octets au total. 12 octets représentent par exemple :

  • 2 coordonnées GPS, d'une précision jusqu'à 3 m
  • 6 rapports de thermomètre de laboratoire dans une fourchette comprise entre -100 ° et +200 ° avec une précision de 0,004 °
  • 12 rapports de radar de vitesse jusqu'à 255 km/h
  • 96 rapports de commutateurs tels que : réglage sur jour/nuit, chaud/froid, marche/arrêt
  • Des messages de zéro octet sont également utilisés pour indiquer qu'un dispositif est actif et en ligne

12 octets est un maximum, mais pas une exigence. Envoyer uniquement le volume requis des paquets de données permet d'économiser de l'énergie et de prolonger la durée de vie de la batterie. Un dispositif peut transmettre jusqu'à 140 messages par jour. La charge utile autorisée avec des messages en liaison descendante est de 8 octets, avec 4 messages autorisés par jour. Les diverses utilisations de messages en liaison descendante comprennent notamment :

  • Demande de données supplémentaires liée à un événement du dispositif
  • Ajustements : échelle du capteur, fréquence de messages, etc.
  • Demande d'une mise à niveau du microprogramme, mise en œuvre à l'aide d'une solution à plus haut débit, telle qu'un modem GSM à un moment opportun

Les autres facteurs de la qualité du service, de la capacité et de l'efficacité énergétique

Avec l'accès aléatoire, il n'est plus utile de dépenser du débit supplémentaire et de gaspiller de l'énergie en synchronisant les dispositifs avec le réseau. Le dispositif transmet un message sur une fréquence aléatoire, puis envoie deux répliques sur d'autres fréquences à des moments différents : un mode appelé « diversité temporelle et fréquentielle ».

Comparaison Sigfox/LoRa

Figure 2 : transmission en liaison ascendante et saut de fréquence - Image fournie par Sigfox

Réception coopérative : contrairement aux protocoles cellulaires, les dispositifs ne sont pas liés à des stations de base spécifiques. Le message émis est reçu par n'importe quelles stations de base (trois en moyenne) à proximité. C'est ce que l'on appelle la « diversité spatiale ».

Comparaison Sigfox/LoRa

Réception d'un message par plusieurs stations de base de Sigfox - Image fournie par Sigfox

Faible courant de ralenti : les dispositifs sont inactifs plus de 99 % du temps, et le courant de ralenti est très faible, souvent de quelques nanoampères seulement.

Comparaison Sigfox/LoRa

Figure 4 : un faible courant de ralenti signifie une augmentation de la durée de vie de la batterie - Image fournie par Sigfox

L'interface utilisateur et le rôle du Cloud Sigfox

Le Cloud Sigfox prend en charge tous les services Sigfox. Pour récupérer les messages, mais également gérer tous les objets et pièces utilisateur, les clients et partenaires de Sigfox interagissent directement avec le Cloud Sigfox. L'accès aux données, la facturation, la gestion des utilisateurs et des dispositifs, les cartes de service et les autres fonctions sur le Cloud Sigfox sont accessibles par le biais de trois interfaces.

  • Le portail Web, disponible via un simple navigateur, qui permet aux utilisateurs finaux d'accéder à toutes les fonctions du Cloud.
  • L'API, qui, à l'aide de scripts, permet un accès automatisé à toutes les fonctions des services disponibles sur le portail.
    • L'accès à l'API est en mode « pull »
    • L'API permet l'intégration des fonctions de Sigfox sur des plates-formes tierces
    • Elle permet par exemple d'effectuer des opérations telles que l'enregistrement d'un dispositif sur une plate-forme externe
  • Les rappels, qui permettent de recevoir automatiquement les nouveaux événements, tels que les messages en mode « push »
    • Cette fonctionnalité supprime le surdébit coûteux (à la fois pour le Cloud Sigfox et les serveurs clients) qui cherche en permanence à recevoir des messages

L'accès aux services du Cloud Sigfox et à sa suite d'outils dépend du profil de l'utilisateur.

  • Un administrateur peut gérer les utilisateurs et l'ensemble des dispositifs, consulter les cartes de service et vérifier les contrats
  • Un distributeur peut créer des contrats
  • Un opérateur peut accéder à l'outil de planification radio et à l'ensemble de la surveillance du réseau
  • Un utilisateur peut être limité à la visualisation des messages uniquement

Couverture et portée

Sigfox peut couvrir des distances allant de 30 à 50 km dans les environnements ruraux, et de 3 à 10 km dans les zones urbaines.

La longue portée de Sigfox est due au faible débit de données, à la puissance de sortie des dispositifs et à la sensibilité des stations de base. L'utilisation d'une bande sub-GHz offre également une bonne couverture en intérieur comparée aux réseaux de 2,4 GHz.

Sigfox couvre près de 40 pays à l'aide de son propre réseau ou, plus souvent, de réseaux partenaires. Ces informations sont détaillées sur son site Web, sur la page https://www.sigfox.com/en/coverage.

Suite à l'intégration de WND-UK à son opérateur existant Arqiva, Sigfox vise une couverture de 95 % de la population du Royaume-Uni en 2019. Les réseaux WND-UK et Arqiva sont interopérables.

Bien que cet objectif paraisse ambitieux, Sigfox bénéficie d'une consommation énergétique limitée et de faibles attributs de bande passante qui lui permettront d'atteindre plus facilement cet objectif qu'avec les services à consommation et à bande passante élevées, tels que la 4G.

« Les stations de base sont plus simples à déployer et à intégrer avec le reste du réseau actuel à faible consommation et n'impliquent aucune difficulté de configuration. Cette méthode est très différente de l'installation d'une cellule mobile traditionnelle », affirme Ian Hughes, analyste IoT de la société de conseil informatique 451 Research.

Avec des dispositifs utilisés en extérieur ou à proximité d'une ouverture, la couverture est assurée à l'échelle nationale et les prédictions de couverture faites par SIGFOX sont réalisables. Lorsque des objets Sigfox sont utilisés en souterrain, dans un sous-sol, dans une chambre forte ou dans d'autres conditions difficiles, une évaluation professionnelle est nécessaire. Celle-ci comprend notamment une étude spécifique avec une simulation théorique ainsi que des mesures effectuées sur place. Selon la situation, l'accord nécessaire et le marché potentiel lui-même, une densification des stations de base peut être nécessaire.

Sécurité

Sigfox met en place des mesures de sécurité au niveau de l'écosystème et des dispositifs.

L'écosystème met en pratique la sécurité par défaut :

  • Authentification + intégrité + anti-relecture des messages propagés sur le réseau
  • Cryptographie basée sur le chiffrement AES (Advanced Encryption Standard) sans transmission OTA clé
  • Chiffrement de la charge utile en option pour assurer la confidentialité des données

Chaque partie du réseau est isolée et les risques sont évalués, de sorte qu'en cas de piratage, seule une petite partie du réseau est affectée

Pour les dispositifs, Sigfox a défini trois niveaux de sécurité. Le fournisseur d'application peut choisir le niveau le plus adapté au projet et à sa sensibilité.

  • Niveau moyen : les informations d'identification de sécurité de sécurité sont stockées dans le dispositif
  • Niveau élevé : les informations d'identification de sécurité sont stockées dans une zone protégée basée sur logiciel
  • Niveau très élevé : les informations d'identification de sécurité sont stockées dans un environnement sécurisé

Les mesures de sécurité permettent également de chiffrer les données transférées sur le réseau. Seuls le dispositif et le client final connaissent le code secret. L'algorithme n'a pas d'incidence sur le volume de la charge utile. Si le message est chiffré, la charge utile fera toujours 12 octets.

Connexions Sigfox estimées en 2024 (en millions)

  • Automatisation de la construction : 433
  • Compteurs intelligents : 341
  • Sécurité du bâtiment : 262
  • Dispositifs d'informations relatives aux ménages : 250
  • Électroménager : 228
  • Agriculture : 117

Comparaison entre Sigfox et Lora

Modèle commercial

Sigfox possède toute la technologie, des données en arrière-plan et du serveur Cloud au point terminal logiciel.

Tout fabricant de silicium peut accéder gratuitement à la technologie du point terminal, sous réserve de certaines conditions. STMicroelectronics, Atmel et Texas Instruments réalisent les radios de Sigfox.

Sigfox a pour objectif de rendre l'application très peu coûteuse.

Pour gagner de l'argent, Sigfox fait payer aux opérateurs de réseau des redevances sur la revente de sa pile technologique aux clients. En d'autres mots, Sigfox offre le matériel, mais vend le logiciel/réseau en tant que service.

La LoRa Alliance prétend être plus ouverte que Sigfox. Leurs spécifications de gestion du réseau sont relativement ouvertes, et certaines sont téléchargeables. La norme ouverte est également relativement souple, bien que l'approche du « développement par comité » puisse s'avérer lente.

En ce qui concerne l'ouverture, la LoRa Alliance souhaite que non seulement les opérateurs de réseau, mais aussi des sociétés privées et des start-up, déploient des réseaux LoRa. Cela inclut même des réseaux utilisant l'externalisation ouverte (crowdsourcing), tels que The Things Network. Si ce système est possible, c'est parce que LoRaWAN n'est pas une société, mais une norme entretenue par un groupe d'entreprises formant l'association à but non lucratif « LoRa Alliance ». Cette stratégie pourra être une réussite si elle profite d'une politique bien élaborée qui permet l'itinérance entre réseaux publics et entre réseaux privés.

Les fabricants de matériel ou de passerelles peuvent construire un module ou une passerelle compatible avec le réseau LoRa. Toutefois, Semtech est le seul fabricant de radios LoRa disponible.

En résumé, Sigfox offre du matériel nettement moins coûteux, parce qu'il tire profit des abonnements au réseau et qu'il a pour objectif de devenir un opérateur IoT mondial, tandis que LoRa offre une norme plus ouverte et encourage même les utilisateurs à créer leurs propres réseaux. L'objectif de la LoRa Alliance consiste à établir des normes et à vendre des puces. Sigfox bénéficie d'une présence mondiale mieux établie, mais la technologie du système dépend entièrement d'un seul fournisseur.

Comment choisir entre Sigfox et LoRa

Sigfox est plus adapté à des objets tels que des capteurs, des compteurs et des alarmes qui envoient uniquement de petites rafales de données peu fréquentes et qui n'ont pas besoin d'entrées de contrôle. LoRa s'avère plus utile pour des applications telles que le contrôle du réseau électrique, lorsqu'une fonctionnalité de commandement et de contrôle avec des communications bidirectionnelles intégrales est nécessaire. Le tableau 1 ci-dessous offre une comparaison plus détaillée de ces deux méthodes.

Comparaison Sigfox/LoRa

Tableau 1 : comparaison Sigfox/LoRa

Produits de développement et de conception

Farnell offre un certain nombre de produits de développement et de conception Sigfox. Quelques exemples sont présentés ci-dessous.

Circuit émetteur-récepteur ultra-faible consommation compatible Sigfox AX-SFUS d'ON Semiconductor pour liaison montante et descendante

AX-SFEU et AX-SFEU-AI sont des solutions monopuce ultra-faible consommation pour un nœud du réseau Sigfox avec une capacité de liaison montante et descendante. La puce AX-SFEU Plug and Play contient tous les micrologiciels nécessaires pour transmettre et recevoir des données depuis le réseau Sigfox en Europe. Elle se connecte au produit du client à l'aide de l'UART RS232 à niveau logique. Les commandes AT sont utilisées pour envoyer des trames et configurer les paramètres radio.

AX-SFUS

Circuit émetteur-récepteur Sigfox similaire à celui décrit ci-dessus, mais destiné aux États-Unis

D'autres pays sont également pris en charge

Module Adeunis Si868-25 mW

Ce module RF compatible Sigfox est adapté aux longues portées allant jusqu'à 15 km et bénéficie d'une très faible consommation énergétique. Les applications visées incluent l'IoT, les réseaux de capteurs, l'environnement, les bâtiments intelligents, les mesures, la sécurité et le M2M.

STEVAL-FKI915V1 - Kit de développement, émetteur-récepteur Sub-1 GHz, basé sur un S2-LP, ultra-faible consommation énergétique

Le STEVAL-FKI915V1 de STMicroelectronics est une plate-forme de développement d'émetteur-récepteur Sub-1 GHz à faible débit de données et à ultra-faible consommation basée sur un S2-LP avec FEM externe. Il est adapté aux applications de Sigfox.

ARF8047PA - Émetteur-récepteur de capteur SigFox

Les capteurs Sigfox d'ADEUNIS RF sont des émetteurs radio prêts à l'emploi qui permettent à tous les types de capteurs de 0-10 V, de 4-20 mA ou de marche-arrêt d'être transformés en capteurs sans fil. Ces produits répondent aux besoins des utilisateurs qui souhaitent superviser à distance tous les types de données (température, pression, niveau, humidité, CO2, vitesse, luminosité, ouverture, etc.).

Conclusion

Cet article démontre comment les concepteurs de systèmes IoT à grande échelle profitent d'un large choix de technologies pour mettre en place leur réseau sans fil longue distance. Ces technologies comprennent principalement, mais pas uniquement, les divers protocoles sans fil cellulaires sous licence et les réseaux étendus à faible consommation (LPWAN) comme LoRaWan et Sigfox.

La comparaison de ces protocoles dans cet article indique qu'aucune approche n'est parfaitement adaptée à toutes les applications. Les réseaux cellulaires, par exemple, sont idéaux pour les dispositifs qui transmettent et peuvent recevoir d'importants volumes de données, mais les solutions cellulaires deviennent trop coûteuses, conséquentes et énergivores pour les réseaux qui comprennent de grands réseaux de capteurs simples et éloignés.

Les différences entre LoRaWan et Sigfox étant un peu plus subtiles, il est nécessaire de réaliser une analyse plus prudente de la compatibilité de chaque protocole aux exigences de projet. La section « Comment choisir entre Sigfox et LoRa » offre un point de départ, tandis que le reste de l'article fournit des informations plus détaillées sur la structure de Sigfox. Ces éléments peuvent être associés à un autre article de notre site Web, « LoRaWAN comme solution de réseau IoT », pour une comparaison détaillée des deux protocoles.

Références

http://www.embedded-computing.com/embedded-computing-design/long-range-wireless-solutions-wireless-technologies-for-iot-networks

https://www.sigidwiki.com/wiki/SIGFOX

https://www.sigfox.com/en/sigfox-iot-technology-overview - Ultra Narrow Band radio modulation, 3:09

http://www.rfwireless-world.com/Terminology/SIGFOX-specification-table.html

https://internetofbusiness.com/sigfox-wnd-uk-iot-network-coverage

https://www.disk91.com/wp-content/uploads/2017/05/4967675830228422064.pdf

/lorawan-as-an-iot-network-solution

Solutions sans fil #5 - Sigfox. Répondre aux besoins en matière de communication IoT. Publié le 15 février 2018 par Farnell