L’IoT massif désigne les déploiements dans lesquels un très grand nombre d’appareils petits, bon marché et alimentés sur batterie se connectent dans une même zone, chacun envoyant quelques octets de données de temps à autre. Pensez à tous les compteurs d’eau d’une commune, à toutes les places de stationnement d’un quartier ou à tous les conteneurs à déchets d’une tournée de collecte. Le terme vient de la planification de la 5G par l’industrie mobile, où il désigne des réseaux conçus pour prendre en charge un million d’appareils par kilomètre carré.

Pour les distributeurs d’eau et d’énergie et pour les urbanistes, l’échelle change ce qu’il faut planifier. Un capteur, c’est facile. Quarante mille capteurs posent des questions de capacité radio, d’autonomie des batteries, de savoir qui exploite le réseau, et de la manière dont une petite équipe peut suivre les appareils qui communiquent encore.

L’essentiel

  • L’IoT massif, ce sont des quantités énormes d’appareils basse consommation qui envoient chacun des messages courts et peu fréquents, généralement sur des batteries censées durer de nombreuses années.
  • Les options cellulaires sont le NB-IoT et le LTE-M, exploités par les opérateurs mobiles dans des fréquences sous licence, et c’est aussi par eux que la 5G couvre l’IoT massif aujourd’hui.
  • Les technologies LPWAN comme LoRaWAN et mioty utilisent des bandes libres inférieures au GHz, sur des réseaux que vous pouvez exploiter vous-même.
  • La radio détermine la capacité et l’autonomie des batteries, tandis que l’exploitation de la flotte détermine si le projet fonctionne encore la cinquième année.

Quels sont les appareils de l’IoT massif ?

Les appareils de l’IoT massif ont en commun un profil plus qu’une finalité. Ils sont fixes ou se déplacent lentement. Ils transmettent à intervalles fixes : toutes les 15 minutes, toutes les heures ou une fois par jour. Chaque envoi est minuscule, souvent de 10 à 50 octets : un relevé de compteur, un niveau de remplissage, une température, un état ouvert ou fermé. Ils tolèrent les délais, car personne n’a besoin de l’état d’une place de stationnement en moins de 10 millisecondes. Et ils fonctionnent sur des batteries censées durer des années, car envoyer quelqu’un changer 40 000 batteries est un projet à part entière.

Exemples typiques : compteurs d’eau, de gaz et de chaleur, capteurs de places de stationnement, capteurs de niveau de remplissage dans les conteneurs à déchets, sondes d’humidité du sol, détecteurs de fuite dans les bâtiments, nœuds de mesure de la qualité de l’air et étiquettes simples de suivi d’actifs. Une sonnette vidéo ou une caméra de sécurité n’appartient pas à ce groupe. L’une comme l’autre demandent bien plus de bande passante et d’énergie qu’un réseau d’IoT massif n’est conçu pour en fournir.

Les chiffres montrent pourquoi le problème tient au nombre de transmissions plutôt qu’au volume de données. Prenons un distributeur d’eau avec 40 000 compteurs, chacun envoyant un relevé de 20 octets toutes les heures :

  • 40 000 compteurs × 24 relevés = 960 000 messages par jour
  • 960 000 messages × 20 octets ≈ 19 Mo par jour, moins qu’une courte vidéo filmée au téléphone

Le volume de données est dérisoire. Ce qui est difficile, c’est que près d’un million de courtes transmissions radio doivent atteindre un récepteur sans entrer en collision, que chaque compteur doit se réveiller, émettre et se rendormir avec un budget énergétique serré, et que le back-office doit distinguer un compteur silencieux d’un compteur en panne.

Faire la différence entre les deux relève de l’exploitation de la flotte. À cette échelle, on enregistre les appareils par lots, on conserve leurs clés de sécurité dans un endroit plus sûr qu’un tableur, et on surveille les appareils qui cessent d’émettre, car vu d’un bureau, une batterie à plat et une radio défaillante se ressemblent trait pour trait.

Quiconque compare les meilleurs logiciels de mise à jour OTA pour des flottes d’IoT massif se heurte à une question radio avant une question logicielle. Une mise à jour du firmware à distance (over-the-air) implique d’envoyer des dizaines ou des centaines de kilooctets vers chaque appareil, alors que les réseaux basse consommation sont surtout conçus pour le trafic montant. LoRaWAN, par exemple, dispose de spécifications de la LoRa Alliance pour la diffusion multicast et la livraison fragmentée de firmware, mais sur des bandes libres soumises à des limites de rapport cyclique (duty cycle), mettre à jour des milliers d’appareils peut prendre des heures, voire des jours. Le LTE-M gère plus confortablement les téléchargements volumineux. Beaucoup de fabricants conçoivent tout simplement leur matériel d’IoT massif pour qu’il n’ait que rarement besoin d’une mise à jour.

Quels réseaux cellulaires prennent en charge l’IoT massif ?

Les opérateurs mobiles servent l’IoT massif avec deux normes du 3GPP, l’organisme qui rédige les spécifications cellulaires. Toutes deux sont arrivées avec la Release 13 du 3GPP, finalisée en 2016.

Le NB-IoT (Narrowband IoT) utilise un canal large de seulement 180 kHz. Il est lent et conçu pour de très petites charges utiles, mais il pénètre loin à l’intérieur des bâtiments et en sous-sol, ce qui en fait un choix courant pour les compteurs. Le LTE-M, aussi appelé LTE Cat-M1, utilise 1,4 MHz, offre des débits plus élevés, continue de fonctionner quand un appareil passe d’une cellule à l’autre, et peut même transporter la voix. Les deux disposent de deux fonctions d’économie d’énergie, le PSM (power saving mode) et l’eDRX (extended discontinuous reception), qui permettent à un appareil de dormir longtemps tout en restant enregistré sur le réseau.

La voie cellulaire a des atouts évidents. L’opérateur construit et entretient le réseau, la couverture existe souvent déjà, et les fréquences sont sous licence : personne d’autre n’a le droit d’y émettre. Les contreparties sont tout aussi évidentes. Chaque appareil a besoin de son propre abonnement, la couverture dépend de l’activation ou non du NB-IoT ou du LTE-M par votre opérateur là où vos appareils seront installés, et la prise en charge de l’itinérance entre pays varie.

L’autre famille, ce sont les technologies LPWAN (low-power wide-area network, réseau étendu basse consommation) en bandes libres, principalement LoRaWAN et mioty. Ici, c’est vous, ou un prestataire de votre choix, qui installez des passerelles ou des stations de base, et les appareils n’ont besoin d’aucun abonnement individuel. Côte à côte, les quatre se présentent ainsi :

NB-IoT LTE-M LoRaWAN mioty
Fréquences Sous licence, opérateur Sous licence, opérateur Libres, sous le GHz Libres, sous le GHz
Qui exploite le réseau Opérateur mobile Opérateur mobile Vous ou un prestataire Vous ou un prestataire
Abonnement par appareil Oui Oui Non Non
Point fort Portée en intérieur profond Mobilité, charges utiles plus grandes Vaste écosystème d’appareils Capacité, tolérance aux interférences
Organisme de normalisation 3GPP 3GPP LoRa Alliance ETSI

Aucune des deux familles ne l’emporte partout. Un distributeur qui paie déjà un opérateur pour des milliers de connexions ne pèse pas le choix de la même façon qu’une ville qui veut posséder son infrastructure radio pendant des décennies.

Qu’est-ce que l’IoT massif en 5G ?

Quand l’UIT, l’agence des Nations unies pour les télécommunications, a fixé les exigences de la 5G sous le nom d’IMT-2020, elle a défini trois scénarios d’usage. Le haut débit mobile amélioré couvre les téléphones et les données rapides. Les communications ultra-fiables à faible latence couvrent des usages comme le contrôle industriel. Les communications massives de type machine, abrégées en mMTC, couvrent des quantités énormes d’appareils simples, et ce troisième scénario, c’est l’IoT massif. L’exigence minimale de l’UIT pour ce scénario est une densité de connexion de 1 000 000 d’appareils par kilomètre carré.

Ce qui surprend beaucoup de gens, c’est qu’aujourd’hui l’IoT massif en 5G, c’est surtout le NB-IoT et le LTE-M. Le 3GPP les a inclus tous les deux dans sa soumission 5G parce qu’ils satisfont aux exigences mMTC, et les opérateurs peuvent les exploiter aux côtés de la 5G New Radio. Il n’existe pas de radio 5G plus récente pour les capteurs les moins chers. La 5G RedCap (reduced capability), introduite dans la Release 17, vise un segment intermédiaire, comme les objets portables et les caméras industrielles, qui ont besoin de plus de bande passante que le NB-IoT n’en offre. La Release 19 a lancé des travaux sur l’ambient IoT, destiné à de minuscules étiquettes qui récupèrent l’énergie de leur environnement au lieu d’embarquer une batterie, mais ces travaux n’en sont qu’à leurs débuts.

Alors, quand un fournisseur parle d’IoT massif en 5G, les questions utiles à poser ensuite sont concrètes. Quelle radio les appareils utilisent-ils réellement ? Votre opérateur la prend-il en charge aux endroits où les appareils seront installés, y compris dans les sous-sols et les armoires de comptage ? Combien coûte un abonnement par appareil et par an, multiplié par le nombre d’années pendant lesquelles vous comptez faire fonctionner les appareils ?

Comment mioty gère-t-il l’IoT massif ?

mioty a été conçu dès le départ pour les cas denses et basse consommation. C’est une technologie LPWAN développée au Fraunhofer IIS et normalisée par l’ETSI sous la référence TS 103 357, une spécification aussi appelée TS-UNB (telegram splitting ultra-narrowband). En Europe, elle émet dans la bande libre des 868 MHz.

Son idée centrale est le telegram splitting. Au lieu d’envoyer un message en une seule salve, un appareil mioty le découpe en de nombreux sous-paquets très courts et les envoie à des moments différents sur des fréquences différentes. Un code correcteur d’erreurs permet à la station de base de reconstituer le message même quand jusqu’à la moitié de ces salves sont perdues. Dans une bande encombrée, c’est important : si un autre émetteur efface quelques salves, le message passe quand même, et comme chaque salve est très courte, les collisions entre des milliers d’appareils deviennent d’emblée moins probables.

Les chiffres de capacité publiés par le Fraunhofer IIS et la mioty Alliance vont jusqu’à 110 000 terminaux par station de base, pour une portée d’environ 2,5 km, et jusqu’à 3,5 millions de messages par jour et par station de base pour de petites charges utiles envoyées environ toutes les heures. Ce sont des chiffres du protocole, et les résultats réels dépendent du terrain, des bâtiments et des intervalles d’envoi. Rapporté à l’exemple des 40 000 compteurs ci-dessus, le budget de messages d’une seule station de base laisse de la marge, ce qui signifie que la planification d’un réseau mioty est surtout dictée par la couverture.

Une station de base seule ne fait que recevoir la radio. Il lui faut encore un service center, le nom que mioty donne au serveur réseau qui gère les terminaux et transmet leurs mesures aux applications. Sur Kilo, vous pouvez faire tourner cet élément de trois façons : héberger vous-même le Kilo mioty Service Center open source ; utiliser mioty avec le serveur réseau intégré à Kilo Cloud, où vous ajoutez un connecteur mioty, y dirigez vos stations de base et n’avez aucune infrastructure mioty à exploiter ; ou, sur demande, faire installer par Kilo l’édition Enterprise sous licence dans vos propres locaux.

À partir de là, les mesures mioty se retrouvent dans les mêmes tableaux de bord et les mêmes règles que les appareils LoRaWAN de la même organisation. Pour des flottes à l’échelle d’un quartier, un seul déclencheur de règle peut surveiller jusqu’à 500 appareils sélectionnés et évalue chacun d’eux séparément.

FAQ sur l’IoT massif

Quelle est la différence entre IoT massif et IoT critique ?

L’IoT massif privilégie des quantités énormes d’appareils, un faible coût et une longue autonomie, et il accepte des délais de quelques secondes, voire davantage. L’IoT critique se situe à l’autre extrémité : chirurgie à distance, messages de sécurité entre véhicules ou robots étroitement synchronisés, où un message doit arriver en quelques millisecondes et n’échouer pratiquement jamais. Les deux reposent sur des matériels différents, des fonctions réseau différentes et des budgets très différents.

LoRaWAN fait-il partie de l’IoT massif ?

LoRaWAN ne fait pas partie de la définition 5G de l’UIT, qui couvre les normes cellulaires, mais il sert la même catégorie d’appareils et il est largement utilisé pour le comptage, les bâtiments et l’agriculture. La plupart des capteurs LoRaWAN sont des appareils de classe A, qui n’écoutent que pendant une courte fenêtre juste après avoir émis. Ce fonctionnement explique en grande partie pourquoi ils peuvent fonctionner des années sur batterie.

Combien de temps durent les batteries des appareils de l’IoT massif ?

L’objectif de conception du 3GPP pour le NB-IoT et les options d’IoT cellulaire étudiées en parallèle était une autonomie pouvant atteindre dix ans avec une batterie de 5 Wh. L’autonomie réelle dépend de la fréquence d’envoi de l’appareil, de sa distance à la cellule ou à la station de base la plus proche, et de la température de son environnement. Un capteur qui émet toutes les 15 minutes depuis un sous-sol profond consomme bien plus d’énergie par jour qu’un capteur qui émet une fois par jour depuis un toit.

L’IoT massif a-t-il besoin de la 5G ?

Non. De nombreux opérateurs ont lancé le NB-IoT et le LTE-M sur leurs réseaux 4G des années avant la 5G, et les LPWAN n’ont besoin d’aucun réseau mobile. Pour de nombreux distributeurs, l’échéance la plus pressante est l’arrêt des réseaux 2G et 3G, qui oblige les anciens compteurs connectés à passer à une technologie plus récente.

Cinq compteurs émulés, créés à partir de préréglages de modèles de capteurs réels, vous permettent de roder l’exploitation avant d’acheter une station de base. Affichez leurs mesures sur un tableau de bord et définissez une règle qui déclenche une alarme quand la consommation dépasse une limite de votre choix ; l’offre gratuite de Kilo suffit précisément pour cela. « Envoyer une fois » pousse une seule mesure hors plage, pour que vous puissiez voir l’alarme arriver. Quand le vrai matériel mioty ou LoRaWAN arrive, vous dirigez les mêmes appareils vers le vrai connecteur et vous conservez le tableau de bord et la règle déjà créés.