Les systèmes de communication sans fil
Introduction
Les systèmes embarqués sont très souvent des systèmes communicants, la plupart du temps de machine à machine. Il est donc nécessaire de mettre en œuvre une technologie de communication correspondant aux besoins du système embarqué. Très souvent, en particulier dans le domaine de l’Internet des Objets, ces technologies sont des technologies de communication sans fil. Dans certains cas, des systèmes de communication filaires sont bien sûr applicables et plus appropriés. Dans le cadre de ce cours, nous nous concentrerons toutefois sur les technologies de communication sans fil.
Il existe un grand nombre de technologies sans fil et le choix d’une technologie demande de connaître précisément les contraintes du système et les caractéristiques des technologies pouvant répondre aux besoins spécifiques. Il est tout d’abord important de comprendre que les transmissions radio sont régulées dans chaque pays par leur agence nationale, par exemple :
- L’Office Fédéral des Communications en Suisse (OFCOM)
- La Conférence Européenne des Administrations des Postes et Télécommunications en Europe (CEPT)
- La Commission Fédérale des Communications aux États-Unis (FCC)
Ces agences sont responsables de définir les régulations permettant l’utilisation des transmissions radio et également de définir l’allocation des bandes de fréquences. Certaines bandes de fréquences font l’objet de licences (par exemple pour les communications par réseau cellulaire), alors que d’autres bandes de fréquences peuvent être utilisées sans devoir obtenir une licence pour le faire. Les bandes sans licence sont en particulier les bandes ISM (Industrial, Scientific and Medical) qui couvrent notamment les bandes de fréquences 433 MHz, 868 MHz, 915 MHz et 2.4 GHz (en fonction des pays). Le diagramme ci-dessous 1 illustre la disponibilité de ces bandes de fréquence sur chaque continent :
Avant de détailler les critères permettant de différencier les technologies de communication sans fil, il est intéressant de rappeler les principes suivants qui restent valables pour toutes les technologies sans fil :
- Une bande de fréquence plus haute signifie plus de canaux de communication à disposition et plus de bande passante.
- Une bande de fréquence plus basse signifie une meilleure propagation et une plus longue portée radio, y compris à l’intérieur des bâtiments.
Ces principes s’appliquent par exemple au Wi-Fi, qui est disponible dans plusieurs bandes de fréquences. La bande de fréquence 5 GHz offre une plus grande bande passante au prix d’une portée plus réduite et du besoin d’installer un plus grand nombre de points d’accès pour la même couverture.
Technologies de communication basées sur IP ?
Un point important dans le choix d’une technologie de communication de l’Internet est le fait que cette technologie soit basée sur IP ou non. Une technologie basée sur IP réalisera le protocole selon le stack TCP/IP avec pour rappel les couches suivantes (selon le modèle OSI) :
Les avantages d’une réalisation selon ce modèle sont principalement :
- Une plus grande flexibilité.
- La possibilité de développer des réseaux qui s’intègrent facilement dans l’infrastructure Internet.
Par contre, une telle réalisation implique en principe :
- Une plus grande complexité.
- Des besoins en mémoire et en taille mémoire des applications accrus.
- Un overhead relativement important dans la quantité de données transmises sur le réseau sans fil.
Ces désavantages ont poussé au développement de technologies qui ne sont pas basées sur IP et peuvent être réalisées sur des appareils disposant de peu de ressources (donc très économes en énergie). L’utilisation de telles technologies nécessite toutefois la mise en place de passerelles de communication qui communiquent avec les systèmes embarqués ou objets de l’Internet et qui assurent la connectivité de ces appareils à l’Internet. Des exemples de telles technologies sont le Bluetooth Low Energy (BLE) ou LoRa, qui seront traités plus tard dans ce chapitre.
Critères de sélection d’une technologie sans fil
Les critères permettant d’évaluer les différentes technologies sans fil et d’effectuer un choix approprié en fonction du scénario de mise en œuvre sont nombreux. Parmi ceux-ci, nous pouvons citer :
- la portée du signal radio qui est définie comme la distance possible entre l’émetteur et le récepteur permettant un transfert d’informations.
- la topologie du réseau qui définit la manière dont les nœuds du réseau sont connectés entre eux.
- la taille possible du réseau qui définit le nombre de nœuds qui peuvent être connectés simultanément au réseau.
- la standardisation possible du réseau par un organisme réunissant des acteurs publics ou privés comme l’IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) ou l’IETF (Internet Engineering Task Force).
- l’interopérabilité du réseau permettant aux appareils de différents fabricants de fonctionner dans une même infrastructure et d’opérer dans les infrastructures existantes.
La portée
La portée des différentes technologies sans fil dépend de nombreux facteurs et il est difficile de définir une portée de manière simple pour une technologie donnée. La portée dépend en particulier des conditions environnementales, qui sont très différentes dans un environnement urbain ou rural. La portée se mesure bien sûr en mètres, mais de manière générale, les technologies sont classifiées selon la terminologie représentée dans le diagramme1 ci-dessous. Il faut noter que la terminologie utilisée ci-dessous peut varier et qu’au-delà des termes utilisés, il est important de comprendre les concepts.
Les classes représentées dans ce diagramme sont :
- PAN (ou Personal Area Network) : d’une portée limitée à 10 mètres, avec une puissance de transmission faible. Un capteur connecté porté par une personne (montre, capteur corporel) est un exemple. Les technologies utilisées peuvent être le Bluetooth Low Energy ou ANT (qui est une technologie propriétaire).
- LAN (ou Local Area Network) : d’une portée limitée à 100 mètres. L’exemple le plus représentatif de cette catégorie est bien sûr le Wi-Fi.
- NAN (ou Neighborhood Area Network) : permet de connecter des LAN ou des dispositifs isolés sur des distances de plusieurs kilomètres. En principe, lorsqu’ils sont appliqués à l’Internet des Objets, ces réseaux émettent à des puissances supérieures et véhiculent une faible quantité de données. Un exemple d’applications est un réseau de compteurs et de capteurs permettant d’opérer un réseau électrique.
- WAN (ou Wide Area Network) : permet d’interconnecter tous les dispositifs et les réseaux entre eux, au niveau mondial. C’est l’Internet, réalisé aussi bien avec des technologies sans fil que des technologies filaires.
La topologie
Les deux topologies les plus utilisées dans le cadre des technologies sans fil sont les topologies en étoile et en maille, illustrées dans les diagrammes ci-dessous.
Les topologies en étoile utilisent un nœud central qui agit souvent comme une passerelle. Le Wi-Fi est un réseau en étoile pour lequel le point d’accès est le nœud central. La technologie BLE est à la base aussi une technologie en étoile pour laquelle un téléphone joue souvent le rôle de nœud central. Il faut noter que BLE permet également de déployer des réseaux en maille.
Les topologies en maille permettent à chaque nœud du réseau de communiquer avec plusieurs autres nœuds. Avec une telle topologie, un nœud peut ainsi communiquer avec un autre nœud du réseau même si celui-ci est hors de portée radio. Des exemples de réseaux fonctionnant avec une topologie en maille sont ZigBee, Thread ou BLE mesh.
Les standards
La mise en place de standards est souvent nécessaire afin de garantir que les appareils de différents fabricants puissent correctement communiquer entre eux, ce qui est requis pour les technologies de communications. Les standards existants définissent soit une couche particulière d’un stack de communication, soit l’entier des spécifications pour une communication fonctionnelle entre différents nœuds.
Nous pouvons mentionner les différents organismes contribuant à l’établissement de standards :
- IEEE qui a par exemple défini les standards IEEE 802.x définissant les
couches de liaison du stack IP, et qui comprennent
- 802.3 : Ethernet
- 802.11 : Wi-Fi
- 802.15.4 : Wireless PAN (ZigBee, 6LowPan, WirelessHart)
- IETF qui a établi un grand nombre de standards sous la forme de Request for
comments (RPC), par exemple :
- RFC 791 : protocole IPv4
- RFC 793 : protocole TCP
- RFC 2616 : protocole HTTP
Il est important de noter qu’aucun des deux organismes ci-dessus n’a mis en place de programme de certification. La certification est toutefois importante afin de garantir la bonne interopérabilité des appareils et d’autres organismes ont mis en place des programmes de certification, comme :
- Wi-Fi alliance
- Bluetooth Special Interest Group (SIG)
- Zigbee alliance
La technologie Wi-Fi
La technologie Wi-Fi est définie par le standard IEEE 802.11. Ce standard définit uniquement la couche de liaison d’un réseau local (WLAN), mais le standard est bien sûr complètement intégré avec le stack TCP/IP. Aujourd’hui, une majorité des appareils connectés sont équipés de cette technologie, qui fonctionne selon une topologie en étoile, avec le point d’accès agissant comme nœud central et comme passerelle Internet. La technologie est en continuelle évolution comme illustré dans le diagramme ci-dessous :
Il faut noter que la réalisation de la technologie Wi-Fi et du stack TCP/IP est relativement complexe à réaliser, ce qui peut poser un problème sur des dispositifs dotés de très peu de mémoire et d’une capacité de calcul très réduite. La technologie est aussi relativement gourmande en énergie et il est difficile de l’utiliser lorsque la source d’énergie est limitée (par exemple sur une batterie devant fonctionner sur une très longue durée ou avec un système de récupération d’énergie). Le Wi-Fi est surtout optimisé pour transférer de grandes quantités de données et non pour des scénarios impliquant très peu de données.
La technologie Bluetooth
La technologie Bluetooth est une technologie sans fil dont l’objectif premier est de permettre l’échange de données entre dispositifs mobiles sur une courte distance. Son nom a pour origine le roi scandinave Harald “Bluetooth” Gormsson qui a unifié le Danemark et la Norvège en l’an 958 et qui avait une dent morte de couleur bleue ! La première version de la technologie a été standardisée en 1996 par Intel, Ericsson et Nokia, afin de favoriser l’établissement d’une technologie permettant de réaliser un transfert de données sans fil. La technologie opère exclusivement dans la bande de fréquence 2.4 GHz. La technologie est aujourd’hui très populaire, en particulier dans le monde des smartphones.
Les cas d’utilisation typiques de la technologie sont par exemple :
- les appels téléphoniques mains libres dans les voitures
- le streaming de musique
- le transfert de données d’accessoires de fitness ou de santé.
La technologie est donc une technologie PAN permettant de réaliser un transfert de données entre dispositifs en remplacement d’un câble. La bande passante permet un transfert de données de 2 Mbps.
La technologie Bluetooth Low Energy
La technologie BLE a été ajoutée aux spécifications de la technologie Bluetooth en 2010, comme une partie des spécifications de Bluetooth 4.0. Le but de la technologie est de transférer de petites quantités de données d’un appareil pouvant fonctionner pendant plusieurs années en utilisant une batterie bouton. La technologie est aujourd’hui supportée sur tous les smartphones, tablettes et ordinateurs.
BLE comme Bluetooth définit des profils d’application qui décrivent, avec tous les détails requis, la manière dont les données sont échangées entre différents appareils réalisant différents rôles d’une application. Le standard définit par exemple un profil Audio/Video Remote Control qui définit comment une télécommande BLE doit s’interfacer avec un équipement audio/vidéo. La spécification définit le processus de reconnaissance et de connexion entre les deux appareils, comme les informations qui pourront être échangées.
Le Bluetooth SIG a également mis en place un programme de certification des dispositifs Bluetooth qui assure une bonne interopérabilité entre appareils de différents fabricants. Aujourd’hui, la technologie BLE est souvent un des meilleurs candidats parmi les technologies de communication permettant de connecter un capteur ou un dispositif basse consommation à un smartphone ou un ordinateur.
La technologie Zigbee
La technologie Zigbee a été conçue en 1998 et standardisée en 2003 et 2006. Son nom est une référence à la danse que les abeilles effectuent lorsqu’elles retournent à leur ruche pour indiquer la direction d’une source de nourriture. L’analogie est faite en rapport aux données qui transite d’un nœud à un autre dans des directions multiples au travers d’un réseau en maille.
La technologie permet en effet la mise en œuvre d’un réseau en maille. Elle est basée sur le standard de la couche de liaison IEEE 802.15.4 et a pour but la réalisation d’un réseau basse consommation et bas coût pour le transfert d’une faible quantité de données. La technologie opère également dans la bande de fréquence 2.4 GHz, mais elle peut également être opérée dans les bandes de fréquence 868 MHz et 915 MHz. La technologie délivre un débit de 250 Kbps dans la bande de fréquence 2.4 GHz et de 20-40 Kbps dans les bandes de fréquence 868 MHz et 915 MHz. Comme la technologie BLE, la technologie Zigbee permet aux dispositifs radio de maintenir de très longs intervalles en mode sleep et ainsi de réaliser des dispositifs alimentés par une batterie bouton fonctionnant plusieurs années.
L’alliance Zigbee a également mis en place un programme de certification qui permet d’assurer une bonne interopérabilité entre appareils. Les spécifications incluent également des profils d’application qui permettent une interopérabilité au niveau d’un système ou d’une application. Aujourd’hui, la technologie est principalement utilisée dans les applications liées au contrôle de l’énergie, des éclairages et des maisons.
La technologie Zigbee est basée sur une topologie de réseau en maille. Dans un réseau Zigbee, les nœuds du réseau peuvent jouer des rôles différents, allant du coordinateur au nœud final, en passant par le rôle routeur. Dans un tel réseau, seuls les nœuds finaux peuvent être alimentés par une batterie.
Les technologies LPWAN
Les technologies Low Power Wide Area Network sont des technologies permettant une faible consommation de courant en transmettant des faibles quantités de données sur une très longue distance. En principe, ces technologies utilisent une bande de fréquence Sub-1GHz, comme les bandes de fréquence 433 MHz ou 868 MHz. Les portées radio de ces technologies peuvent atteindre plusieurs kilomètres et même plusieurs dizaines de kilomètres en fonction des conditions environnementales. Les applications pouvant bénéficier de ces technologies sont par exemple :
- le comptage (metering) permettant de relever les valeurs d’un compteur de courant ou d’eau par exemple.
- la sécurité.
- le contrôle industriel.
La plupart du temps, ces technologies nécessitent l’utilisation d’une passerelle permettant de connecter les dispositifs à l’Internet. Ces passerelles doivent être positionnées de façon à optimiser la transmission radio, souvent sur un mât et un endroit élevé (tour, montagne). Des exemples de ces applications sont les technologies cellulaires IoT (LTE-M, NB-IoT), LoRa et Sigfox.
La comparaison des technologies selon différents critères
Il est utile de pouvoir comparer les technologies présentées ci-dessus selon les critères également présentés. Ces comparaisons peuvent se lire aisément sous la forme de diagrammes.
Le premier critère présenté est la portée radio, présentée dans le diagramme ci-dessous :
Un deuxième critère important présenté dans la figure ci-dessous est le débit possible :
Un troisième critère permettant de comparer les technologies est la source de courant (batterie) possible pour une technologie. Cette source dépend bien sûr de la capacité de la batterie, mais également du courant maximum que chaque batterie peut délivrer.
Les points importants à considérer pour l’analyse et le choix d’une technologie sont présentés dans la table ci-dessous:
| Critère | Wi-Fi | Bluetooth | BLE | Zigbee | Thread | LoRa | NB-IoT | LTE-M |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Débit | < 72 Mbps | < 3 Mbps | < 2 Mbps | < 250 kbps | < 250 kbps | < 22 kbps | < 127 kbps | < 4 Mbps |
| Portée | < 100 m | < 10 m | < 750 m | < 150 m < 1 km | < 100 m | < 20 km | < 20 km | < 20 km |
| Courant moyen | < 1 an (batterie AA) |
< 1 an (batterie AAA) |
> 1 an (batterie bouton) |
> 1 an (batterie bouton) |
> 1 an (batterie bouton) |
> 1 an (batterie) |
> 1 an (batterie) |
> 1 an (batterie) |
| Courant maximum | < 300 mA | < 30 mA | < 15 mA | < 15 mA | < 15 mA | < 100 mA | < 500 mA | < 500 mA |
| Topologie | Étoile | Point-à-point | Étoile Maille |
Étoile Maille |
Étoile Maille |
Étoile | Étoile (cellulaire) |
Étoile (cellulaire) |
| IP réalisé sur le nœud | Oui | Non | Non | Non | Oui | Non | Oui | Oui |
| Support sur smartphone | Oui | Oui | Oui | Non | Non | Non | Non | Non |
| Infrastructures existantes | Oui (Points d’accès) |
Oui (smartphones) |
Oui (smartphones) |
Non | Non | Oui (réseau citoyen) (opérateurs) |
Oui (opérateurs) |
Oui (opérateurs) |
Conclusion
Il existe un grand nombre de technologies sans fil, disponibles dans le monde entier ou dans certaines géographies. Chaque technologie présente des avantages et souffre de certains inconvénients. Aucune n’est parfaite et chacune est limitée par les lois de la physique. La question à laquelle chacun doit répondre lorsqu’une telle technologie doit être utilisée est : quelle est la meilleure technologie ou la meilleure combinaison de technologies pour mon application ? La table présentée ci-dessus donne des éléments de réponse permettant un tel choix. D’autres considérations entrent bien sûr en ligne de compte, comme le prix, la facilité de développement et d’intégration ainsi que la sécurité. La tendance actuelle est vers une amélioration générale des possibilités, dans un environnement très compétitif où chaque technologie bénéficie d’améliorations régulières et importantes.
Les technologies que nous étudierons plus en détail dans le cadre de ce cours ne sont pas nécessairement les meilleures pour chaque type d’application. Elles sont par contre des technologies largement utilisées et elles doivent permettre de comprendre certains aspects importants de tout développement d’applications de l’Internet des Objets ou plus généralement des systèmes embarqués communicants.
Exercice Les systèmes de communication sans fil/1
Situez les technologies BLE, Wi-Fi et Zigbee dans le diagramme ci-dessous. Indiquez également à quelles technologies peuvent correspondre le point jaune et le point bleu ?
Solution
Exercice Les systèmes de communication sans fil/2
Complétez le tableau suivant afin de spécifier quelle technologie est
adaptée à différents cas d’utilisation. Indiquez par un 
un scénario parfaitement adapté,
par un 
les scénarios totalement inadaptés et par un 
les scénarios partiellement adaptés.
| Cas d’utilisation | BLE | ZigBee | Wi-Fi | NFC |
|---|---|---|---|---|
| Contrôle à distance | ||||
| Paiements sécurisés | ||||
| Localisation | ||||
| Verrouillage | ||||
| Santé et fitness |
Solution
| Cas d’utilisation | BLE | ZigBee | Wi-Fi | NFC |
|---|---|---|---|---|
| Contrôle à distance | |
|
|
|
| Paiements sécurisées | |
|
|
|
| Localisation | |
|
|
|
| Verrouillage | |
|
|
|
| Santé et fitness | |
|
|
|