Internet Industriel des Objets IIOT : Tous les LPWAN sont-ils créés égaux? > ENGINEERING.com

De nombreux LPWAN sont candidats aux applications de ville intelligente. Mais quel est le meilleur?

Les réseaux étendus à faible consommation (LPWAN) offrent de nombreux avantages pour l'IoT et sont de plus en plus acceptés. Mais le paysage LPWAN est très différent d'il y a quelques années. Les technologies se sont fusionnées en quelques technologies dominantes. Les deux leaders incontestés sont LoRaWAN et LTE. Deux autres nouveaux venus, Wi-SUN et Weightless, gagnent en popularité.
Une caractéristique unique des LPWAN est la longue durée de vie de la batterie des terminaux LPWAN, y compris les capteurs intelligents. Les batteries LPWAN typiques durent de cinq à dix ans, selon l'application, et jusqu'à 20 ans (théoriquement) pour les applications de compteurs intelligents. Cette longévité est très intéressante pour les entreprises à la recherche de faibles coûts de maintenance pour les appareils installés dans des endroits éloignés. Les LPWAN nécessitent des communications de machine à machine (M2M) peu fréquentes à un faible débit de données, moins d'un mégabit par seconde. Ils ne sont pas conçus pour les applications à haut débit telles que le streaming vidéo.
L'IoT industriel (IIoT), les transports, les usines intelligentes, les villes et bâtiments intelligents, ainsi que la sécurité et la surveillance utilisent les LPWAN. Tout comme les soins de santé, l'énergie intelligente, la vente au détail, l'agriculture intelligente et l'élevage. De nouvelles applications sont ajoutées chaque jour.
Cet article fournira une mise à jour sur ces technologies et les applications pour lesquelles elles conviennent le mieux.
Évolution à long terme (LTE)
LTE LPWAN est de loin le leader dans le segment du spectre sous licence cellulaire. La catégorie LTE M (LTE-M) et Narrowband-IoT (NB-IoT) sont les deux versions les plus populaires. La principale différence entre les deux est que LTE-M a une vitesse plus élevée de 370 kbps typique (la vitesse théorique est de 1 Mbps) par rapport au NB-IoT à 108 kbps. Il est bon de noter que les offres de vitesse entre les différents transporteurs peuvent varier. LTE-M prend en charge la voix dans la portée de LTE, tandis que NB-IoT peut prendre en charge une distance allant jusqu'à 10 km sans capacité vocale. De plus, les utilisateurs devront payer des frais de licence aux transporteurs.
Cas d'utilisation
Alors que le suivi des actifs existe depuis longtemps, l'introduction du LTE-M a révolutionné ses applications. Traditionnellement, la cargaison ou les matières premières sont déplacées d'un endroit à un autre. Les vendeurs et / ou acheteurs gardent une trace de l'endroit où se trouvent les camions. Ils connaîtront toujours l'heure approximative d'arrivée. Cependant, pour suivre les conditions du contenu, en particulier si le contenu est des produits périssables tels que le lait ou la viande, il faut des indicateurs de surveillance tels que la température du camion frigorifique. Avec LTE LPWAN, des capteurs intelligents peuvent être installés pour mesurer de nouveaux paramètres, notamment la température, l'humidité, le mouvement et l'emplacement, et peuvent être suivis en temps réel sur le cloud. Comme le montre la figure 1, les capteurs intelligents basés sur LTE-M enverront des données via la plate-forme cloud aux serveurs de l'entreprise. Les données seront ensuite mises à jour en temps réel tant que la couverture LTE est présente. Le suivi des actifs peut être très utile. Grâce à cette technologie, les utilisateurs peuvent surveiller la température dans le camion frigorifique pour s'assurer que le contenu respecte le profil de température. Un capteur de mouvement indiquera si un produit fragile a subi un choc excessif. De plus, la surveillance de l'emplacement révèle exactement où se trouve la cargaison pour calculer le délai de livraison.
Les fournisseurs IoT cellulaires tels que NimbeLink ont ​​donné aux utilisateurs une grande liberté pour mettre en œuvre des solutions. Les utilisateurs peuvent acquérir et installer les dispositifs de suivi des actifs, acquérir l'API pour s'interfacer avec leur propre entreprise ou compter sur NimbeLink pour fournir la solution complète, y compris la plate-forme cloud.

Figure 1: Les dispositifs de suivi des actifs intelligents basés sur LTE-M de NimbeLink enverront des données via la plate-forme cloud aux serveurs de l'entreprise. Les utilisateurs peuvent surveiller la température, l'humidité, le mouvement et l'emplacement de la cargaison en temps réel. (Image reproduite avec l'aimable autorisation de NimbeLink.)

Réseau étendu à longue portée (LoRaWAN)

L'Alliance LoRa, avec plus de 500 membres, est l'organisation derrière la technologie LoRaWAN, qui opère sur un spectre sans licence. Aujourd'hui, les opérateurs de réseau LoRaWAN sont présents dans 157 pays. Les membres de l'Alliance LoRa comprennent des poids lourds de la technologie tels qu'IBM, Cisco, HP, Foxconn, Schneider et Bosch. LoRaWAN fonctionne à un débit de données inférieur à celui de LTE, dans la plage de 50 kbps. La portée typique est de 10 km. Il peut être aussi bas que 2 à 3 km, selon la conception de la passerelle et de l'antenne et le type de message, ainsi que l'emplacement intérieur ou extérieur des passerelles. (Ceci est également vrai avec d'autres LPWAN. Les valeurs de plage dans le tableau de comparaison ci-dessous sont à titre indicatif uniquement.)
Cas d'utilisation
L’objectif de l’agriculture intelligente de maximiser la production des cultures en surveillant l’environnement de croissance en fait une application LoRaWAN idéale. Certains des paramètres doivent être surveillés à l'aide de capteurs sans fil intelligents, notamment ceux de température, d'humidité et d'humidité du sol. De plus, il est important de surveiller la température du sol et son environnement de croissance des cultures afin d'éviter les dommages causés par le gel ainsi que la surexposition au soleil. Un autre avantage est que les capteurs intelligents rendent possible la surveillance et le contrôle de l'irrigation, évitant un arrosage excessif et réduisant les coûts d'irrigation.
Sensoterra, basée aux Pays-Bas, utilise des capteurs LoRaWAN et des passerelles solaires pour aider les producteurs de pommes de terre et d'amandes à réduire leur consommation d'eau jusqu'à 30 pour cent. Les économies peuvent être importantes.
VENTILATEUR en apesanteur

Le réseau électrique et le comptage industriel sont une partie très importante de l’économie d’aujourd’hui. Pour la plupart, les LPWAN se concentrent sur les applications industrielles. Les exceptions sont le protocole Weightless et Wi-SUN. Entre autres choses, l'American Reinvestment and Recovery Act de 2009 a incité l'industrie à investir dans des infrastructures de comptage avancées (AMI) ou des compteurs intelligents. Cependant, la transition d'une infrastructure existante vers LPWAN n'est pas facile. Au fil du temps, au fur et à mesure que le développement du LPWAN a mûri, les services publics d'électricité ont commencé à migrer vers des réseaux de terrain (FAN) numériques LPWAN en bordure de réseau.
Weightless, un LPWAN standard ouvert pour les réseaux publics ou privés, est un réseau bidirectionnel à topologie en étoile qui peut fournir un débit de données théorique de 100 kbps sur une distance allant jusqu'à 17 km. Ces caractéristiques rendent Weightless adapté à l'AMI. Weightless permet de connecter un grand nombre de compteurs intelligents ou de nœuds à une fréquence de téléchargement de données de 1 à 15 minutes. D'autres LPWAN, y compris LoRaWAN et LTE, transmettent des données moins fréquemment, par ex. toutes les heures.

Figure 2: La comparaison entre Weightless FAN, LoRaWAN, LTE-M et NB-IoT a révélé que le Weightless LPWAN envoie des données avec moins de milliwatts par octet. (Image reproduite avec l'aimable autorisation de Guidehouse Insight.)

Cas d'utilisation
La société publique Taiwan Power Company (Tai-Power), qui fournit de l'électricité à l'ensemble du pays de Taiwan, a mené un essai technologique. L'objectif était de sélectionner la meilleure technologie LPWAN pour sa mise en œuvre AMI. Le projet a testé plusieurs LPWAN, y compris Weightless, LoRaWAN, LTE et IEEE 802.15.4g (Wi-SUN) côte à côte pendant 13 mois. En fin de compte, Weightless a été sélectionné pour être la technologie de choix. La première phase d'installation sera de 285 000 compteurs électriques.
Dans cet essai, environ 6,7 millions de liaisons montantes / jour ont eu lieu, pour un total de 300 Mo / jour à partir de 61 000 mètres. Une station Weightless peut prendre en charge 1000 compteurs intelligents. Weightless a prouvé sa capacité à prendre en charge des millions de compteurs intelligents dans une application de réseau électrique.
Réseau utilitaire intelligent sans fil (Wi-SUN)

L’objectif initial de l’alliance Wi-SUN était les applications de réseau électrique intelligent telles que le comptage intelligent. Au fil du temps, le Wi-SUN FAN a évolué pour prendre en charge l'infrastructure des villes intelligentes, y compris l'éclairage public, le stationnement intelligent et la gestion des déchets. Son cahier des charges appelle à la conception de cycles de vie des produits d'une durée de 15 à 20 ans, batterie comprise. De plus, son réseau maillé basé sur IEEE 802.15.4e avec capacité de saut est adapté aux réseaux de services publics qui doivent résister à des environnements difficiles et à des événements tels que des tempêtes. Avec la topologie de réseau maillé, si une partie de la grille est endommagée, les données peuvent être réacheminées par saut vers d'autres nœuds.
Le débit de données Wi-SUN est parmi les plus élevés, environ 300 kbps. Avec une faible latence de moins d'une seconde, il est plus adapté que les autres LPWAN pour les applications de ville intelligente dans lesquelles des réponses rapides sont nécessaires. D'autres réseaux ont une latence de 10 à 20 secondes.

Cas d'utilisation
La Floride est connue pour ses ouragans destructeurs. Chaque année, les utilisateurs sont confrontés à la possibilité de pannes de courant. Florida Power & Light Company dessert 5 millions de comptes clients. En installant des compteurs AMI et des indicateurs de défaut basés sur Wi-SUN, le service public a pu utiliser les commutateurs d'alimentation automatique AMI pour rediriger l'électricité. Ce réacheminement a permis à Florida Power & Light de rétablir le courant à 1 500 000 clients dans les 48 heures en 2016. La technologie de maillage s'est avérée très utile pour rediriger l'électricité.
Comme le montre la figure 3, Wi-SUN a le potentiel d'exploiter sa technologie pour établir la connexion afin de fournir des services de comptage intelligent, d'éclairage intelligent et de stationnement intelligent dans les futures villes intelligentes. Étant donné que les entreprises d'électricité et de services publics fournissent l'éclairage et l'électricité à la ville, il est logique d'intégrer une technologie intelligente pour gérer des villes intelligentes.

Figure 3: En plus de la connexion au réseau intelligent, Wi-SUN FAN peut tirer parti de sa technologie pour servir le comptage intelligent, l'éclairage intelligent et le stationnement intelligent dans les futures villes intelligentes. (Image reproduite avec l'aimable autorisation de Wi-SUN.)

N'oubliez pas votre certification

Outre la certification gouvernementale telle que celle requise par la FCC, les fournisseurs de LPWAN devront obtenir une certification basée sur leurs technologies. L'Alliance LoRa, ainsi que les organisations derrière Wi-SUN et Weightless, ont toutes leurs propres processus de certification. Ceci afin de garantir que leurs produits seront interopérables avec d'autres produits LPWAN. Par exemple, LoRa Alliance veut s'assurer que les produits certifiés fabriqués par un membre pourront fonctionner avec des produits fabriqués par un autre membre de LoRa Alliance.
Les opérateurs LTE, en revanche, exigent une certification pour garantir que leur réseau ne sera pas affecté par les ondes RF indésirables générées par les appareils. Notez que les opérateurs LTE exigent la certification PTCRB en Amérique du Nord, à l'exception de Verizon qui a son propre processus de certification unique.
La certification LPWAN est une étape importante avant qu'un produit commercial puisse être expédié.

L'avenir du LPWAN

Il existe de nombreuses autres technologies LPWAN, et chacune s'est taillée son propre marché de niche unique. LoRaWAN et LTE continueront de dominer les segments industriels. Wi-SUN et Weightless vont s'accélérer sur les marchés des réseaux électriques et des AMI. Le joker est les applications de ville intelligente. Chacune de ces technologies peut faire partie d'une solution de ville intelligente. La grande question est de savoir lequel dominera. Très probablement, un mélange de solutions LPWAN coexistera. Mais Wi-SUN s'efforce d'être le leader.

Tableau de comparaison LPWAN. (Source: Tech Idea.)

Remarque 1: le Wi-Sun FAN, basé sur la topologie maillée, peut sauter d'un nœud à un autre pour atteindre une distance supérieure à 4 km.

Remarque 2: les valeurs de plage sont fournies à titre indicatif uniquement. Les distances réelles dépendent de plusieurs facteurs, notamment la conception de l'antenne, le type de message et l'emplacement intérieur ou extérieur des passerelles.
Pour plus d'informations sur les LPWAN, lisez le Guide des réseaux étendus à faible puissance.

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