Technique de transmission UNB de SigFox - Principes et performances

Pourquoi la technologie UNB ?

L’Internet des Objets (IoT : Internet of Things) est une composante récente des systèmes de communication. L’objectif est de connecter à Internet des dispositifs physiques, des véhicules, des bâtiments et même des animaux sans intervention humaine directe pour les piloter. Pour cela, il faut généraliser la connectivité déjà présente dans les ordinateurs et les téléphones à pratiquement tout objet en le dotant d’une puce et d’une interface radio.

À l’origine, les services offerts par l’IoT se limitaient à la domotique, pour connecter des appareils tels que les thermostats, les compteurs d’énergie, les systèmes de contrôle de l’éclairage, les systèmes de diffusion et de contrôle de la musique, les boîtiers de diffusion vidéo à distance…

Progressivement, les applications visées se sont élargies à tous les objets et même aux êtres vivants, comme la surveillance de la santé, les réseaux intelligents, les villes intelligentes, la logistique, la surveillance et le suivi de la faune, la domotique et la sécurité. Toutes ces applications nécessitent des stations de base dédiées pour établir une passerelle entre les objets communicants de la cellule, et la bulle Internet qui prend en charge la collecte et le traitement des données recueillies. Il est important de noter que l’IoT est caractérisé par la faible taille des données à transmettre (souvent réduite à quelques octets), comparativement aux communications « humaines ».

Pour limiter le coût opérationnel des opérateurs (et conserver un tarif raisonnable relativement à la quantité de données transmise), leur infrastructure doit être la plus réduite possible. Pour cela, ils ont besoin de stations de base (BS Base Station) couvrant une zone la plus étendue possible. Cette exigence est obtenue, pour la vision la plus partagée, par une topologie en étoile avec une très longue portée (les appareils communiquent directement avec la BS). Il existe plusieurs stratégies permettant d’étendre la portée d’une transmission sans-fil :

• augmenter la puissance de transmission. Cette solution est difficilement acceptable en raison de la consommation électrique induite. En effet, il faut maintenir une consommation d’énergie faible pour les nœuds (qui sont généralement sur batterie) afin de préserver leur durée de vie. De plus, il faut aussi tenir compte de l’impact potentiel sur la santé de l’exposition accrue aux ondes  ;

• concevoir des récepteurs extrêmement sensibles. Néanmoins, le coût de ces récepteurs serait plus important. Ils pourraient être déployés sur les quelques stations de base, mais pas en masse sur tous les nœuds, ce qui ne permettrait pas d’avoir une liaison descendante ;

• concevoir de nouvelles technologies de transmission. C’est cette dernière possibilité qui a été adoptée par les opérateurs et la communauté scientifique. Cette nouvelle approche a conduit à la définition du concept des LPWAN (Low Power Wide Area Network), faisant référence à un réseau très étendu (jusqu’à plusieurs dizaines de kilomètres de portée dans les zones rurales), tout en visant une consommation énergétique minimale pour les objets. En outre, les réseaux LPWAN doivent permettre de traiter de petits paquets de données (les données échangées sont généralement de petite taille), et transmis sporadiquement (les applications visées ne nécessitent pas un flux continu de remontée de données, mais plutôt un paquet lorsque cela est pertinent).

D’autre part, les réseaux LPWAN se caractérisent par le fait que les bandes ISM sont généralement utilisées pour les transmissions car elles sont exemptes de licence, ce qui permet de réduire davantage le coût du réseau, et de permettre à ces nouvelles applications d’être mises en œuvre.

Les réseaux LPWAN ouvrent la voie à de nouveaux marchés et à de nouveaux opérateurs commerciaux. En effet, grâce à un coût d’infrastructure très faible, de nouveaux entrants ont pu se positionner en lançant leur propre technologie de transmission et rejoindre les opérateurs télécoms historiques sur ce marché. Ces derniers ont tout d’abord concentré leurs efforts sur NB-IoT (Narrow Band IoT). Parmi les nouveaux opérateurs, on peut citer SemTech et LoRa Alliance avec la technologie LoRa (Long Range), SigFox avec UNB (Ultra Narrow Band), et Ingenu avec RPMA (Random Phase Multiple Access). Plus récemment, le protocole Mioty basé sur le découpage de paquets a été proposé.

En pratique, deux directions principales (étonnamment diamétralement opposées) ont été prises par les nouveaux opérateurs pour la définition de nouvelles technologies de transmission :

• étalement du spectre (LoRa avec CSS (Chirp Spread Spectrum), ou Ingenu avec RPMA) : les données sont envoyées sur une bande de fréquence beaucoup plus large que celle de leur occupation en bande de base. Pour cela, un code d’étalement spécifique est envoyé pour coder un symbole. La diversité obtenue sur les fréquences permet de récupérer un signal même si sa DSP (Densité Spectrale de Puissance) est inférieure au plancher de bruit, car un motif spécifique est recherché et permet des gains de décodage intéressants. En outre, les différents codes qui présentent de bonnes propriétés de corrélation peuvent être affectés à différents dispositifs d’émission simultanée, à des fins d’accès multiple au canal de transmission ;

• réduction de l’occupation spectrale du signal (SigFox avec UNB) : les données sont envoyées à un débit très faible avec un schéma de modulation simple, de façon à assurer une occupation minimale du spectre. L’avantage de cette technique est que le bruit perçu (après filtrage du signal) est réduit car il dépend linéairement de la largeur de bande du signal.

Pour les deux techniques, la puissance reçue requise pour une qualité de service donnée est considérablement réduite. Ainsi, pour une même puissance d’émission que les systèmes classiques, une plus grande portée peut être atteinte sans dégrader les performances.