Sigfox versus LoRaWAN : quel réseau IoT choisir ?

Sigfox et LoRaWAN sont deux technologies très prometteuses pour le développement de l’Internet des objets. Basées sur le modèle de communication des réseaux étendus à faible puissance (LPWAN pour Low Power Wide Area Network), ces protocoles réseau permettent un déploiement à grande échelle (wide area) et une couverture réseau étendue, pour une faible consommation énergétique et un coût économique très avantageux. Mais lequel des deux choisir, Sigfox ou LoRaWAN ?

Système fermé propriétaire (Sigfox) contre solution collaborative ouverte (LoRaWAN)

Entre Sigfox et LoRaWAN, quelle technologie choisir ?

Sigfox : un opérateur de télécommunications pour un réseau propriétaire

D’origine française, l’entreprise Sigfox, née à Toulouse en 2009, est un opérateur de télécommunications français spécialisé dans l’Internet des objets. Sigfox ne désigne donc pas seulement un protocole réseau, c’est avant tout un réseau propriétaire. En 2020, Sigfox était déployé dans 72 pays auxquels s'ajouteront 12 nouveaux pays via un partenariat en date de juin 2021, avec l'opérateur iWire. Le réseau et le transport d’informations sont entièrement gérés par Sigfox ou ses partenaires. En France, le réseau Sigfox couvre déjà près de 98 % du territoire. En tant que réseau propriétaire, l’utilisation de Sigfox est donc soumise à la souscription d’un abonnement, qui varie en fonction du nombre d’objets connectés et de la quantité de données transmises. Abonnement auquel il faut ajouter l’achat de modems radio Sigfox et de modules de connexion radio.

LoRaWAN : une solution ouverte et collaborative promue par LoRa Alliance

LoRaWAN est un protocole de communication basé sur la technologie de modulation LoRa, brevetée en 2009 par l’entreprise grenobloise Cycleo, et rachetée par Semtech en 2012. Depuis 2015, la promotion et le développement du protocole LoRaWAN sont assurés par une association à but non lucratif : LoRa Alliance. Les quelque 500 membres de LoRa Alliance coopèrent et partagent leurs expériences afin de promouvoir et d’améliorer ce protocole de communication. En 2020, LoRaWAN était déployé dans 162 pays et par 148 opérateurs réseau, (selon le rapport annuel 2020 de LoRa Alliance). Les principaux opérateurs LoRaWan sont :

• Senet et SemTech aux Etats-Unis ;
• Proximus et Wireless Belgie, en Belgique ;
• Swisscom en Suisse ;
• Fasnet en Afrique du Sud ;
• Bouygues Telecom et Orange en France.

LoRaWAN peut aussi être déployé en privé sans l’intermédiaire d’opérateurs, et c’est là toute sa flexibilité. Ce protocole permet de créer une infrastructure radio privée, économiquement et écologiquement performante, sans faire appel à des solutions propriétaires, ce qui permet une maîtrise totale et autonome des données collectées. Solution ouverte et produit d’un travail collaboratif, LoRaWAN se distingue par son étonnante capacité d’adaptation à des environnements et des applications IoT très différents. De nombreux paramètres peuvent faire l’objet d’une configuration sur mesure, LoRaWAN étant basé sur un code source ouvert. Sa technologie de débit adaptable ADR (Adaptive Data Rate) lui permet par exemple de proposer une configuration optimale en termes d’économie d’énergie, puisqu’elle optimise le débit de façon dynamique en fonction des conditions radio.

Sigfox et LoRaWAN ou le choix de l’utilisation de fréquences libres

Les technologies LPWANs utilisent soit des fréquences libres, soit des fréquences sous licence. Les bandes de fréquences sous licence garantissent l’absence de brouillage mais nécessitent une demande d’autorisation individuelle préalable et le paiement d’une redevance d’utilisation. Or l’IoT suppose des coûts unitaires de connexion extrêmement bas du fait du très grand nombre d’objets connectés. Dans de nombreux domaines, le modèle économique de l’IoT n’est donc pas adapté à l’utilisation de bandes de fréquence sous licence. Sigfox et LoRaWAN ont donc fait le choix d’utiliser des bandes de fréquences sans licence (ou spectre non licencié). Ces deux protocoles utilisent les bandes de fréquences ISM (Industrial, Scientific, and Medical), et principalement la bande des 868 MHz en Europe. Ce choix de fréquences libres induit deux contraintes majeures mais surmontées par Sigfox et LoRaWAN :

• des interférences presque imprévisibles,
• une limitation de la portée et du temps d’utilisation de la bande pour éviter les brouillages mutuels des différents utilisateurs.
La réglementation impose ainsi que l’utilisation de ces fréquences libres par un certain objet ne dépasse pas 1 % du temps, c’est-à-dire 36 secondes par heure.

Ce qui fait l’expertise de LoRaWAN et Sigfox, c’est justement leur résistance au brouillage des signaux grâce à des modulations novatrices en termes d’émission du signal, et un traitement très performant en ce qui concerne sa réception.

Protocole radio : UNB pour Sigfox et CSS pour LoRa

Le protocole radio de Sigfox (3D-UNB), utilise une technique d’émission appelée bande ultra-étroite (UNB pour Ultra Narrow Band en anglais), ce qui réduit significativement le bruit tout en permettant des communications longue distance. La modulation aléatoire de la fréquence du message permet d’économiser de l’énergie en évitant la synchronisation des dispositifs avec le réseau. Deux répliques sont ensuite envoyées successivement sur d’autres fréquences, c’est ce qu’on appelle « la diversité temporelle et fréquentielle. » Le protocole réseau LoRaWan (Long Range Radio Wide Area Network), longue portée et bas débit, s’appuie sur la technologie radio LoRa qui utilise une modulation à étalement de spectre de type Chirp Spread Spectrum (CSS). Cette modulation par étalement du spectre consiste à utiliser une bande passante plus large que nécessaire pour un débit donné. Dans la modulation LoRa, l'étalement du spectre du signal est obtenu en générant un signal chirp dont la fréquence varie en continu.

« Un avantage de cette méthode est que les décalages de synchronisation et de fréquence entre l'émetteur et le récepteur sont équivalents, ce qui réduit considérablement la complexité de la conception du récepteur. »

Cette technique d’étalement du spectre, permet en outre aux réseaux LoRaWAN de très bien résister au brouillage et d’être à la fois fiables et robustes :

« La modulation par étalement de spectre est utilisée dans les communications militaires et spatiales depuis des décennies en raison des longues distances de communication permise et de la robustesse aux interférences, mais LoRa® est la première mise en œuvre à faible coût pour un usage commercial. »

Comparaison de performances : portée, débit et communications bidirectionnelles

Le protocole de Sigfox est spécialement conçu pour la transmission de petits messages, d’une taille comprise entre 0 et 12 octets. Chaque message est transféré à un débit de 100 bits par seconde en Europe et de 600 bits par seconde dans d’autres régions du monde. La portée des antennes Sigfox varient entre 3 et 10 km en zones denses de type urbain, mais peut couvrir jusqu’à 50 km dans des zones plutôt rurales et présentant peu d’obstacles. Le réseau Sigfox couvre ainsi la quasi-totalité de la France avec seulement 2000 antennes déployées. LoRaWAN offre un débit beaucoup plus élevé avec un maximum de 22 kbits par seconde. Le protocole LoRaWAN permet par exemple d’émettre jusqu’à 500 messages de 51 octets par jour. Sa portée est légèrement moindre que celle de Sigfox, puisqu’elle peut aller jusqu’à 5 km en zones urbaines et 15 km en zones rurales. Sigfox comme LoRaWAN, supporte des communications bidirectionnelles : depuis le cloud vers l’objet et depuis l’objet vers le cloud. Au départ, la technologie Sigfox n’a pas été conçue pour être bidirectionnelle. Ainsi, le protocole Sifox permet d’envoyer jusqu’à 140 messages par jour en lien montant mais seulement 4 messages par jour en lien descendant (du cloud vers l’objet connecté). LoRaWAN, de son côté, peut revendiquer une bidirectionnalité complètement symétrique, ce qui lui permet par exemple de réveiller un objet en veille à n’importe quel moment, ce qui n’est pas le cas pour Sigfox. Enfin, en ce qui concerne la connectivité Indoor, c’est-à-dire à l’intérieur des bâtiments, il est difficile de trancher entre Sigfox ou LoRaWAN. Il semble que les deux technologies offrent des solutions très efficaces. On peut toutefois citer Frank Moine, le responsable M2M de Bouygues Telecom qui affirme avoir testé la technologie Sigfox avant d’opter pour LoRaWAN :

« Nous avons choisi la technologie LoRa plutôt que celle de Sigfox car lors des tests nous avons constaté que la technologie Long Range avait l'avantage de porter mieux à l'intérieur des bâtiments et d'être bidirectionnelle, nativement, sans compromis sur l'autonomie, pour actionner des dispositifs ou effectuer des mises à jour. LoRa fonctionne aussi pour des objets en déplacement et permet de localiser ces derniers sans GPS, lequel consomme plus d'énergie et ne fonctionne pas en intérieur »

Conclusion : l’avantage à LoRaWAN

LoRaWAN et Sigfox permettent tous les deux une couverture réseau étendue, pour une faible consommation d’énergie et un coût économique très avantageux. Mais pour son code source ouvert, ses options de déploiement privé sans l’intermédiaire d’un opérateur et sans abonnement, pour sa grande couverture à un débit adaptable pouvant être jusqu’à 200 fois supérieur à celui de Sigfox, Requea a choisi de donner l’avantage à LoRaWAN. Opter pour LoRaWAN c’est rester maître des Big Data qui seront générées par l’environnement smart que vous souhaitez concevoir.