Dans le domaine de l’IoT, le suivi international implique deux choses,  être capable de relever la localisation d’un objet de manière plus ou moins précise et ensuite, quelque soit cette localisation, de la transmettre au serveur applicatif afin de pouvoir la valoriser d’un point de vue métier.

La partie localisation peut se faire soit directement depuis l’objet, dans ce cas il s’agit exclusivement de positionnement par satellites (GNSS pour Global Navigation Satellite System) basé sur les système tel que GPS, GLONASS ou encore Galileo.
Soit par traitement logiciel en exploitant des informations remontées par l’objet au serveur applicatif qui va les utiliser pour fournir des coordonnées. Pour se faire l’objet va relever et transmettre des informations de son environnements direct, scan des adresses MAC WIFI, Cell-ID d’antenne cellulaire, liste des ID et RSSI associés de stations de base LPWAN (ie : Sigfox), décalage de fréquence entre signal émis et reçu (Doppler), …

La transmission elle, doit se baser sur un réseau de communication ayant la plus basse consommation possible.
Terrestre ou satellite, ce réseau doit offrir la plus grande couverture possible d’un point de vue matériel, avec un réseau d’antenne physique étendus, mais également d’un point de vue technique et économique, en offrant un mécanisme d’itinérance éprouvé, généralisé à l’ensemble du réseau et fiable.

Les nombreux choix de systèmes de localisation et de transmissions offrent de multiples combinaisons présentants chacunes des avantages et des inconvénients.
Les curseurs de sélections sont tout aussi nombreux, on peut citer entre autre : la précision de géolocalisation, la consommation engendrés, le coût de l’abonnement incluant l’itinérance, la couverture itinérante proposée, le coût des composants électroniques associés …

Comme vu dans un précédent article (Comment estimer l’autonomie d’un produit IOT avant son développement ?) l’autonomie reste l’un des critères clés de la pertinence du produit vis à vis de son marché.
Il faut donc absolument tenir compte de l’impact sur l’autonomie dans le choix à faire parmi les différentes technologie disponibles.

 

Nous présenterons dans cet article la démarche qui a permis aux équipes R&D de NEXT4 de choisir les bonnes technologies pour son tracker de containers maritimes.

1.    Comment géolocaliser notre objet ?

Dans le cas d’un suivi de marchandise à l’international, ce que nous appelons chez NEXT4 le “Mega Tracking”, le besoin de précision est assez faible.
En effet, sur un trajet qui va durer en moyenne entre 3 à 8 semaines, sur une distance de plusieurs milliers voir dizaines de milliers de kilomètres, il n’est pas nécessaire d’avoir une précision en dessous du kilomètre.
Partant de ce constat, l’usage du GNSS nous semble facultatif, compte tenu de sa consommation importante surtout en démarrage “à froid” et des exigences liés à son usage, composants supplémentaires et dédiés, antenne également efficace sur la bande de fréquence correspondante …

L’usage d’un système de géolocalisation lié à l’exploitation de données contextuelles est plus adéquate pour notre besoin.

2.    L’itinérance obligatoire !

Comme expliqué en introduction, l’itinérance est indispensable au bon fonctionnement d’un module de suivi de marchandise à l’international.

Aujourd’hui lorsqu’on parle de réseau basse consommation dans le domaine de l’IoT, les offres LPWAN (Low Power Wide Area Network) sont nombreuses.
Coté LPWAN licencié, c’est à dire se basant sur l’infrastructure cellulaire classique et des bandes de fréquences dédiées , on trouve le NB-Iot (Narrow-Band IoT) et le LTE-M (Long Term Evolution, category M1).
Coté LPWAN non licencié, c’est à dire utilisant une infrastructure réseau dédiés et des bandes de fréquences libre partagées, on trouve plusieurs acteurs dont deux se détachent, Sigfox avec sa technologie UBN (Ultra Narrow Band) et LoRa (Long Range).

Même si d’un point de vue purement technique toutes ces technologies gèrent le nécessaire pour fonctionner en itinérance, à ce jour, seul le LTE-M est proposé par certains opérateurs virtuels en itinérance dans de multiple pays cibles ; ce qui n’est pas encore le cas pour le NB-IoT : malgré sa couverture mondiale qui est proche de celle du LTE-M les accords semblent plus complexes à mettre en place.
Coté LPWAN non licencié, Sigfox inclut dans son offre une itinérance opérationnelle dans tous les pays couverts, ce qui n’est pas le cas de LoRa.

Nous avons donc deux technologies qui se détachent par leur gestion effective de l’itinérance, le LTE-M et Sigfox.
Comparons maintenant ces deux réseaux d’un point de vue plus fonctionnel et dans le contexte qui nous intéresse.

3.    Un usage industriel, donc un réseau déterministe !

Même si de nombreuses différences techniques existent entre ces deux réseaux, le point le plus différenciant est, ce que nous pouvons appeler, l’aspect déterministe de l’émission de message.
Comme votre téléphone mobile, un module basé sur le LTE-M va chercher à accrocher le réseau lorsqu’il va vouloir transmettre des informations ; c’est seulement lorsque la liaison bidirectionnelle est établie que les informations sont transférées. Le module à donc la certitude d’avoir correctement transmis ces informations.

A l’opposé le réseau Sigfox à un fonctionnement plus comparable à du “broadcast ethernet”, le message à transmettre est diffusé par le module et peut être reçu par une ou plusieurs antennes qui doivent pour cela écouter en permanence.
Grâce à de la redondance, chaque message fonctionnel est en réalité envoyé 3 fois par le protocole, et avec une densité d’antenne adéquate, les messages sont en grande majorité réceptionnés.
Cependant du point de vue du module, cela reste un envoi non déterministe ce qui pose de fortes contraintes métiers. 
Il convient d’ajouter qu’il est possible de mettre en place un système d’acquittement, en détournant le principe de fonctionnement du “downlink”, mais cela engendre une surconsommation et reste un usage détourné du protocole.

Typiquement, un module fonctionnant avec de l’envoi de message périodique par exemple toutes les 4 heures, peut effectuer un relevé de température à une période plus rapide, par exemple toutes les 15 min, pour en envoyer l’historique à chaque cycle.
Dans le cas du LTE-M, il est possible d’essayer de transférer, à chaque cycle d’émission, l’historique d’évolution de la température relevé depuis le dernier transfert réussi, dans la limite de l’espace mémoire bien entendu.
Avec Sigfox c’est impossible puisqu’on ne va pas savoir si le dernier envoi à correctement été reçu. Il faut donc soit renvoyer systématiquement un historique de longueur fixe au risque d’être redondant, soit accepter de pouvoir perdre de l’information.

Il faut également bien comprendre une chose, c’est que le besoin de suivi de marchandise est intimement lié à la valeur de ces dites marchandises : plus la valeur des marchandises est élevée et plus le besoin de suivi va être fort. Dans ce contexte, il est très difficile de faire admettre à un industriel que le signal nécessaire à ce suivi sera juste “peut-être” reçu.

En terme de consommation, en ramenant le sujet à une émission de message unique et sans intégrer les problématiques d’itinérance, nous sommes à un ratio de 10 en faveur de Sigfox. Cela peut paraître beaucoup mais on parle ici de consommations très basses, ce qui autorise tout de même une autonomie de plusieurs années en LTE-M.
Sans compter qu’en intégrant la problématique d’itinérance, coûteuse en autonomie coté Sigfox, et une dimension de messages supérieurs à 12 octets dans nos calculs, ce ratio diminue fortement.

4.    Oui mais combien cela coûte ?

Lorsqu’on parle de coût il faut distinguer deux choses, le coût matériel des composants électroniques nécessaires à l’usage d’une technologie et le coût d’utilisation, c’est à dire l’abonnement souscrit auprès du ou des opérateurs fournisseurs de cette technologie.

Concernant les coûts matériels, en tenant compte de tous les composants nécessaires, et pas uniquement des transceivers, on est aux alentours des 4 euros* pour la technologie Sigfox Monarch contre 12 euros* pour le LTE-M (avec fallback 2G = bascule vers le réseau GSM si pas de LTE-M).

Le sujet de l’abonnement est un peu plus complexe : coté Sigfox il faut compter au minimum 8 euros* par an ; coté opérateur LTE-M, cela va dépendre de la couverture souhaitée, en choisissant une couverture d’une quarantaine de pays afin de rendre la comparaison avec Sigfox plus simple, on arrive à un coût annuel de 15 euros*.
Attention toutefois, la couverture de ces quarante pays ne se fait pas encore entièrement en LTE-M, à l’heure actuelle seul une quinzaine de pays offre cette technologie en itinérance, l’émission dans les autres pays passe par le réseau 2G.

* ces prix sont donnés à titre indicatif, ils ne tiennent pas compte des volumes ou de négociations particulières ; l’idée ici est plus de fournir des ordres de grandeur permettant une comparaison.

Conclusion

Nous venons de voir ici les principales raisons qui nous ont amené à choisir le GSM et son évolution le LTE-M.
Bien sur en fonction des besoins spécifiques à un projet et surtout de l’évolution du marché ce choix pourra être remis en question.
Toutefois, nous savons que les déploiements du LTE-M, qui s’appuie physiquement sur l’infrastructure existante 4G, est en pleine croissance dans de nombreux pays et bénéficie immédiatement des accords d’itinérance existants dès son activation ; cela nous conforte dans notre choix.
De plus le NB-IoT, sur le papier plus économique que le LTE-M d’un point de vue consommation, reste exploitable dans l’avenir puisque le module que nous avons sélectionné gère les deux technologies et que les bandes de fréquences utilisées sont proches.

by Nicolas Séjourné