Comment s’y retrouver dans les réseaux M2M ? 1/2
Post de Olivier Ezratty du 28 septembre 2015 - Tags : Actualités,Objets connectés | 26 Comments
Les réseaux de télécommunications “machine to machine” (M2M) sont des réseaux dédiés à la communication entre objets connectés (IoT pour “Internet of Things”) et les infrastructures Internet (smartphones, serveurs, data-centers, cloud, etc) qui exploitent les données qu’ils génèrent voire les pilotent quand ils sont actifs.
On entend souvent parler de la star française qu’est Sigfox, notamment du fait de ses importantes levées de fonds et de son déploiement international de réseau M2M. Sigfox fait face à LoRA, une alliance supportant une technologie propriétaire issue de l’américain Semtech. Les opérateurs Bouygues Télécom et Orange ont annoncé en 2015 le lancement de leur propre réseau M2M à base de technologie LoRA.
Mais il existe d’autres standards et solutions de réseaux M2M dont le standard ouvert Weightless-N. Et les schémas industriels sont différents à chaque fois mélangeant allègrement de l’intégration plutôt verticale (à la Sigfox) ou plutôt horizontale (Weightless-N et LoRA). Il y a bien de quoi y perdre son latin ! Et ceci ne tient pas compte des nombreux réseaux M2M déjà déployés ou en cours de déploiement pour les compteurs d’eau, de gaz et d’électricité !
En cherchant une cartographie du secteur, je suis tombé sur ce poster de FirstPartner qui fait un tour d’horizon des acteurs du marché de l’IOT et du M2M. On y voit Sigfox tout en bas à droite dans les opérateurs de réseaux “unlicensed” tandis que les opérateurs télécom plus traditionnels sont à gauche dans les réseaux “licensed”. On voit surtout apparaître tout un tas de spécialités autour du M2M, dans le matériel, les logiciels et les services.
Cet article a pour objectif de répondre à plusieurs questions clés : quels sont les grands usages des réseaux M2M et leur typologie ? Comment se positionnent ces différents acteurs les uns par rapport aux autres ? Comment se structure la concurrence internationale ? Quelle est la place des sociétés françaises dans ce marché ?
Typologie et usages des réseaux M2M
Dans les réseaux reliant les objets connectés, on peut commencer par séparer les réseaux sans fils faible distance et les réseaux sans fils longue distance.
Les réseaux à courte portée sont très utilisés par les objets connectés du grand public. Ils s’appuient le plus souvent sur les protocoles réseaux Wi-Fi et le Bluetooth voire parfois du Zigbee, du Z-Wave et même du DECT pour les solutions de “smart home”, l’appellation moins vieux jeu de la domotique. Il existe aussi des réseaux sans fils spécifiques aux applications industrielles, comme ceux qui s’appuient sur la norme ISA 100. Au sein des entreprises et des foyers, ces réseaux ne sont habituellement pas gérés par des opérateurs.
Suivent les réseaux longue distance qui peuvent se segmenter de manière simpliste entre réseaux télécoms traditionnels 2G/3G/4G et les réseaux M2M bas débit sur lequel nous serons ici focalisés. Ces derniers réseaux sont généralement dénommés LPWANs pour Low-Power, Wide-Area Networks.
L’appellation d’objet connecté couvre surtout les objets dotés de capteurs qui génèrent des volumes de données modestes. Ce sont souvent des capteurs qui mesurent quelques grandeurs : une température, un niveau d’humidité, un niveau d’éclairage, un niveau sonore, etc. Donc, quelques nombres flottants dans le pire des cas. Ces données n’ont pas forcément à être transmises en temps réel. On peut se contenter de les transmettre toutes les minutes voire à une plus faible fréquence. C’est un choix opérationnel lié au besoin de rafraîchissement de la donnée vu des logiciels de supervision des objets. C’est aussi lié au besoin de minimiser la consommation énergétique des objets connectés ainsi reliés.
La promesse des objets connectés consiste souvent en la capacité à capter des données pour pas cher ! Donc, des capteurs pas chers, si possible auto-alimentés, ou quand ils sont sur batterie, avec une autonomie de plusieurs années. Les objets connectés peuvent être en route à période régulière pour transmettre leurs données et en veille sinon. Les réseaux les connectant doivent suivre la promesse du “pas cher” pour que l’ensemble soit cohérent.
Un objet qui transmet trois nombres flottants et les éléments d’identification toutes les cinq minutes va consommer un débit fort modeste : au grand maximum 100 octets x 12 par heure, donc un peu plus d’un Kilo-octets. Par comparaison, dans le même temps, un consommateur de vidéo HD en ADSL, fibre ou câble aura consommé la bagatelle de 6 Mbits/s x 3600 secondes = 2,7 Go ! S’il est en 4G, avec un débit moindre, cela sera environ le quart. La consommation d’une vidéo HD représente donc plus de 2 millions de fois celle d’un objet connecté ! Et encore, j’ai pris comme exemple l’envoi de données toutes les 5 minutes. Dans de nombreux cas, l’envoi est journalier ! Autant dire que les opérateurs télécoms traditionnels ont plus de cheveux à se faire avec la TV de rattrapage, avec Netflix, CanalPlay, la 4K/UHD et consorts qu’avec les objets connectés, même en intégrant les prédictions mirobolantes de leur déploiement genre “n milliards d’objets connectés déployés en 2020”, n étant compris entre 20 et 200 selon les versions !
Les opérateurs télécoms et certains industriels de l’IoT ont un temps rêvé de caser des abonnements 2G/3G pour certains objets connectés. Mais c’est le plus souvent “un marteau pour écraser une mouche”. Et cela coûte plutôt cher : le prix de l’abonnement et surtout le prix de l’émetteur et sa consommation d’énergie. Vendre un objet connecté intégrant une carte SIM était courant jusqu’à aujourd’hui pour les applications professionnelles.
Tout cela explique l’émergence des réseaux sans fils M2M à longue portée, basse latence et très bas débit. Ces réseaux s’appuient souvent sur des bandes de fréquences “ISM” (industrie/science/médical) non licenciées, principalement autour de 433 MHz, 900 MHz et 2,4 GHz, dépendant des régions. Voir la carte ci-dessous des principales fréquences ISM par continent.
Les réseaux M2M peuvent aussi exploiter des bandes de fréquence sous licence comme c’est le cas pour le GSM, la 3G et la 4G ou dans les bandes de fréquence UHF libérées par la fin de la TV analogique (entre 760 et 862 MHz pour l’Europe). L’Union Européenne planche en ce moment sur l’harmonisation des bandes de fréquence ouvertes, notamment dans les 870–876 MHz et 915–921 MHz. Les réseaux M2M courants s’appuient sur les bandes de fréquence ISM. Les objets ainsi connectés peuvent fonctionner sans changement de piles pendant plusieurs années, jusqu’à 10 ans dans le meilleur des cas.
Seule la bande des 2,4 GHz est commune à tous les continents. Elle est notamment utilisée par le Wi-Fi a/b/c/g/n ainsi que par le Bluetooth. D’où son choix par des opérateurs de réseaux M2M comme Ingenu, que nous verrons plus loin.
Les antennes des émetteurs de réseaux M2M courants utilisant la bande des 800-900 MHz ont une portée plus grande que celles des réseaux 2G/3G/4G : elle atteint une cinquantaine de kilomètres en zones rurales et descend à quelques kilomètres en ville. Cela permet en pratique de mailler un pays avec environ un cinquième à un dixième des antennes relais nécessaires pour la 3G/4G. Ainsi, Orange a installé 10 000 antennes 4G en France et Sigfox couvre le même territoire avec seulement 1500 antennes. Qui plus est, les antennes des réseaux M2M coutent moins cher que les antennes 3G/4G : moins de 5K€ quand les stations de base 4G peuvent atteindre des sommets et dépasser les 50K€. Sigfox aurait ainsi couvert la métropole avec à peine 2 m€ d’investissements. Dans le détail, la comparaison ne peut être si simple voire simpliste car la portée en intérieur de ces réseaux M2M n’est pas excellente alors que celle des réseaux 3G/4G est plutôt bonne.
La comparaison sur le papier des différentes offres de réseaux M2M est loin d’être évidente. Ils proposent tous des compromis différents au niveau de la portée, du fonctionnement ou pas en intérieur, du débit, du canal retour (vers l’objet), de la sécurité, de la gestion des interférences, et du coût. On manque aussi de recul pour évaluer le bon fonctionnement de ces réseaux une fois qu’ils seront utilisés à pleine charge.
Il faut noter au passage que tout ce qui est situé entre les objets connectés et les réseaux M2M ne fait pas partie d’Internet. Seuls les serveurs de gestion des réseaux M2M sont ensuite reliés à Internet. Et pour cause puisqu’Internet n’est pas dimensionné pour gérer l’adressage de milliards d’objets connectés et que TCP IP/V6 est un protocole trop lourd pour être exploité dans les réseaux M2M, notamment ceux qui sont unidirectionnels. TCP IP V6 est utilisé via le protocole 6LowPAN qui est exploité au-dessus du protocole réseau 802.15.4 que l’on trouve notamment dans le nouveau protocole M2M ouvert Weightless-N.
La chaîne de valeur des réseaux M2M comprend plusieurs couches techniques :
Je me focalise dans cet article sur la composante radio et réseau M2M de cet écosystème. En apparence, le marché est en train de se polariser avec d’un côté l’alliance LoRA qui est une spécification de réseau supportée par divers acteurs de l’industrie de manière “horizontale” et de l’autre l’offre de Sigfox, plus intégrée verticalement. Il existe cependant d’autres offres qui ne sont ni dans l’une ni dans l’autre telles que Weightless-N ou encore Ingenu. Voir le tableau ci-dessous et ici pour en savoir plus sur la comparaison entre ces différentes offres.
Je ne traiterai pas en détail d’un point clé de ces réseaux : la sécurité. Toutes les solutions évoquées permettent de mettre en place des protections diverses, notamment avec des clés uniques par device. D’autres proposent simplement d’ajouter du chiffrement des messages pour renforcer la sécurité.
Au passage, je précise qu’avant de me lancer dans la rédaction de ce dossier, je n’y connaissais quasiment rien sur le sujet ! Je l’ai découvert au fil de l’eau et principalement via des recherches en ligne, complétées par quelques informations glanées dans diverses conférences généralistes sur le numérique.
LoRA
Bouygues Telecom et Orange ont annoncé l’adoption de LoRA en 2015 dans le cadre du lancement de leur propre réseau M2M. Alors que Sigfox battait les feux de la rampe après avoir notamment réalisé une très belle levée de fonds de 100 m€ début 2015 ! Pour comprendre cela, il faut explorer le détail de chacune des offres.
L’alliance LoRA spécifie le protocole de communication radio “ouvert” M2M, le LoraWAN, protégé principalement par deux brevets de Semtech : “Fractional-N synthesized chirp generator”, publié en 2010 et “Low power long range transmitter”, publié en 2014. La spécification a été finalisée en janvier 2015. Sa technologie sous-jacente est d’origine française ! Elle provient de la startup fabless Cycleo de Grenoble, acquise par l’américain Semtech en 2012, une société spécialisée dans la conception de composants radio divers. Semtech faisait $558m de CA dans sa dernière année fiscale complète (FY2015).
Ce protocole expliqué dans ce livre blanc de Semtech est conçu pour être multi-sources à tous niveaux, notamment les composants radio et les réseaux. Dans la pratique, les composants sont d’origine Semtech ou de sociétés comme MicroSemi qui les fabriquent sous licence de Semtech. C’est ouvert mais pas gratuit ! “Ouvert” indique juste que c’est publié et pas protégé par le secret industriel !
La spécification LoRAWAN permet de couvrir des besoins assez variés : des débits allant de 300 bits/s à 100 Kbits/s, une diffusion en unicast ou multicast, une communication bidirectionnelle avec les objets connectés, le support de différentes fréquences radio, la définition de trois classes d’objets connectés au réseau (classes A, B et C) permettant d’adapter l’équilibre entre consommation électrique et fréquence de réception et d’envoi de données. La frange haute des débits disponibles permet de transférer de la voix via des talkie-walkies dédiés !
Côté liaison radio, LoRA s’appuie sur les bandes 868 MHz (EU) ou 915 MHz (USA), ou la moitié (433 MHz en Europe) et avec un spectre de 200 KHz de large. La modulation est réalisée en DSSS CDMA, ce qui vous fait une belle jambe. En gros, la solution LoRA est très flexible et s’adapte à de nombreux usages et besoins en volumes de données à transmettre. Cela fournit une bonne justification technique de son choix par les opérateurs télécoms.
A ce jour, l’écosystème qui supporte LoRA est assez dense et comporte notamment :
Par certains côtés, LoRA fait un peu penser à Z-Wave, ce protocole de réseau sans fil pour la domotique, créé à l’origine par Zensys, acquis ensuite par Sigma Design. Un protocole qui fait face à Zigbee, qui est lui ouvert et multi-sources. L’homologue de Zigbee dans les réseaux M2M serait plutôt Weightless-N que nous évoquerons plus loin.
Certains acteurs supportant LoRA ont des offres multi-facettes. Ainsi l’américain Link Labs qui supporte LoRA dans son propre réseau M2M aux USA et dans le matériel associé qu’il fournit opère également le réseau Symphony Link !
Quid des usages direz-vous ? LoRA est surtout positionné dans des applications professionnelles, notamment dans celles de la “Smart City” comme la gestion de l’éclairage public ainsi que dans le “Smart metering” (pour le relevé de compteurs, même si Linky s’appuie sur des liaisons terrestres en France et pas sur un LPWAN).
Sigfox
Créé en 2009, le toulousain Sigfox se positionne comme le seul opérateur mondial de réseau M2M. Le claim n’est pas faux car c’est à ce jour la seule société présente dans un grand nombre de pays (France, UK, Espagne, Italie, Allemagne, Pays-Bas, UK, Luxembourg, Russie) avec un ambitieux plan de déploiement dans 60 pays d’ici 2020. D’autres comme Qowisio revendiquent ce positionnement international mais n’ont pas encore déployé de réseau M2M en bandes ISM à ce jour.
La société créée par Ludovic Le Moan a levé plus de $150m. Elle s’est aussi fait remarquer en embarquant Anne Lauvergeon comme chairman en 2014. Elle aurait été rencontrée par Ludovic Le Moan à l’occasion de leur participation au voyage aux USA de François Hollande début 2014.
Sigfox a fait entrer dans son capital des grandes entreprises aussi variées que Engie (ex GDF-Suez) qui prévoit de déployer un réseau Sigfox en Belgique, des opérateurs télécoms (l’espagnol Telefónica, le coréen SK Telecom et NTT Docomo Ventures), ainsi que Samsung. Ce qui montre au passage que Sigfox peut-être aussi bien concurrent que partenaire des opérateurs télécoms même s’il est en situation de concurrence avec Orange et Bouygues Telecom pour la France.
Sigfox est un opérateur de réseau qui a spécifié son propre protocole et s‘appuie sur des partenaires dans le hardware pour le supporter. Son protocole réseau “Ultra Narrow Band” ainsi que la méthode de déploiement du réseau M2M basé dessus sont protégés par divers brevets, dont : “Procédé et module d’estimation de bias fréquentiel dans un système télécommunications numériques” (PCT), “Procédé d’authentification de paquets de données reçus par une station d’un système de télécommunications numérique” (PCT) et “Method for using a shared frequency resource, method for manufacturing terminals, terminals and telecommunication system” (USPTO).
Sigfox utilise la bande non licenciée des 868 MHz en Europe et 915 MHz aux USA. L’offre commerciale permet d’envoyer jusqu’à 140 messages de 12 octets par objets et par jour, et à un débit ne dépassant pas 100 bits par seconde. C’est donc une offre de plus bas débit que celle de LoRA. Qui plus est, dans ses premiers déploiements, elle était unidirectionnelle, des objets vers le réseau.
Les clients potentiels n’en étant pas satisfaits, Sigfox a adapté son réseau pour supporter la transmission de donnée dans les deux sens pour s’aligner de ce point de vue-là sur LoRA. Concrètement, cela fonctionne en permettant aux objets connectés d’écouter le réseau après l’émission d’informations, ce pendant quelques minutes avant de se remettre en veille, histoire de récupérer par exemple un accusé de réception des données précédemment envoyées.
Est-ce que ces limitations de débit sont préjudiciables aux déploiements de Sigfox ? L’avenir le dira. En tout cas, cela correspond aux besoins de “metering” d’une grande majorité d’objets connectés btob.
A ce jour, l’offre matérielle supportant le réseau et le protocole de Sigfox comprend :
Dans la pratique, le petit test proposé par OVH permet donc de récupérer une courbe d’évolution de la température dans une pièce. Celle-ci est captée toutes les demi-heures. Les températures sont “bufferisés” et envoyées selon une périodicité configurable, de quelques minutes à la journée. Ca prouve au moins que Sigfox fonctionne en intérieur ! Et même en sous-sol où j’ai placé le capteur après l’avoir mis en étage.
A terme, Sigfox ambitionne de ne pas être le seul à utiliser sa technologie. Il fait son lobbying auprès du 3GPP pour qu’ils intègrent la spécification Sigfox dans celles de la 5G qui doivent être publiées d’ici 2020.
Quid des tarifs ? Ils ne sont pas faciles à comparer avec les informations publiques rares des uns et des autres. On sait cependant qu’un abonnement au réseau Sigfox est inférieur à 10€ par an et par objet et que ce tarif est évidemment dégressif en fonction de volume des objets connectés d’un client.
Bref, Sigfox a fait le choix de la course de vitesse pour le déploiement international couplé à une technologie “good enough” pour couvrir une bonne partie des besoins des objets connectés surtout dans la smart city, et avec une approche économique avantageuse. Son écosystème a l’air bien développé dans les couches basses des composants. Il est aussi bien concurrent que partenaire des opérateurs télécoms auprès de qui il peut commercialiser son réseau M2M en marque blanche.
On peut d’ailleurs se poser la question des synergies apportées par ce déploiement international. Comme l’offre est avant tout “btob”, cela intéressera les grandes entreprises internationales qui veulent suivre le fonctionnement d’infrastructures fixes ou mobiles à l’échelle de la planète. Quelle part du marché représentent-t-elles par rapport aux “utilities” locaux et aux villes (pour les applications de “smart city” qui scalent rarement au-delà d’une ville) ?
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Vous pourriez croire que le sujet des réseaux M2M a été épongé après avoir décrit dans le détail LoRA et Sigfox ? Loin s’en faut ! Dans la seconde partie, nous faisons le tour des nombreuses alternatives, qu’il s’agisse de standards ouverts comme Weightless-N, d’offres propriétaires comme chez le français Qowision ou l’américain Ingenu, des réseaux M2M mesh, des initiatives des opérateurs télécoms au sein de 3GPP ainsi que des déploiements déjà en cours de compteurs intelligents en France.
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