Les bandes de fréquences de l'IoT Wireless

L'IoT (Internet des objets) est un réseau croissant d'objets, d'appareils et de machines capables de communiquer les uns avec les autres à l'aide d'un réseau sans fil pour accéder à Internet.  Les appareils IoT disposent d'une gamme flexible d'options de connectivité filaires et sans fil.  Les protocoles IoT utilisent principalement les fréquences de la bande ISM de 4,33 GHz, 915 MHz, 2,4 GHz à 5 GHz.

Caractéristiques des différentes bandes de fréquences

• Fréquences inférieures (par exemple, 433 MHz, 868 MHz): portée plus longue, meilleure pénétration, débit de données plus faible.
• Fréquences plus élevées (par exemple, 2,4 GHz, 5 GHz): Portée plus courte, débits de données plus élevés, moins de pénétration.
• Fréquences mmWave (utilisées dans la 5G): Débits de données très élevés, portée et pénétration extrêmement limitées.

Technologies sans fil IoT courantes et leurs bandes de fréquences

• Wi-Fi: Utilise principalement les bandes 2,4 GHz et 5 GHz.
• Bluetooth: Fonctionne dans la bande ISM 2,4 GHz.
• Zigbee: Utilise également la bande ISM 2,4 GHz.
• LoRa: Fonctionne dans diverses bandes, notamment 433 MHz, 868 MHz (Europe) et 915 MHz (Amérique du Nord).
• NB-IoT: Fonctionne dans les bandes de fréquences LTE.
• IoT 5G: Utilise une gamme allant de fréquences inférieures à 1 GHz à des fréquences mmWave.

Appareils sans fil IoT à courte portée

• Utilisez principalement Bluetooth et ZigBee. La connectivité à courte portée est la plus courante dans les applications IoT.
• Les antennes Bluetooth fonctionnent sur les fréquences 2.400 à 2.485 GHz. Utilise la radio à ultra haute fréquence pour échanger des données entre les appareils IoT sur de courtes distances.
• La portée du Bluetooth peut être considérablement améliorée par des antennes.
• Nos antennes ZigBee sont les mêmes que celles que nous désignons comme « antennes Bluetooth », car ZigBee utilise la même gamme de fréquences : 2.400 à 2.484GHz. ZigBee utilise également la bande 915 MHz aux États-Unis. ZigBee présente certaines similitudes avec Bluetooth, mais il est plus simple et moins cher à utiliser. Une antenne ZigBee peut être obtenue en tant qu'antenne de carte de circuit imprimé (PCB) ou  d'antenne externe omnidirectionnelle avec. ZigBee est un réseau personnel sans fil (WPAN) qui se caractérise par une faible consommation, un faible débit de données et un fonctionnement à proximité. Il ne nécessite pas de ligne de vue. Les distances de transmission sont généralement comprises entre 10 et 100 m. ZigBee doit son nom aux mouvements distinctifs des abeilles.
• Les appareils IoT câblés utilisent  des câbles de communication Ethernet, coaxiaux ou d'alimentation.

IoT sans fil de moyenne portée:

• Pour la portée moyenne, le réseau LTE Advanced est presque exclusivement préféré pour sa faible latence, ses débits de données élevés et sa portée étendue. Des variantes de milieu de gamme du WiFi telles que HaLow sont également utilisées.
• 2G, 3G / GSM, 4G / LTE et 5G sans fil, WiFi.

Sans fil IoT longue portée : LPWAN (Low-power wide-area networking) transmet à de faibles débits de données : LPWAN est idéal pour les transmissions IoT longue distance en raison de sa consommation d'énergie économique et de son coût de transmission. Des satellites à longue portée tels que VSAT transmettant à bande étroite et à large bande sont également utilisés.

Tous les protocoles LPWAN, en commençant par les trois plus populaires :

• LoRaWAN: est l'abréviation de Long Range, et est un réseau LPWAN (Low Power Wide Area Network) qui permet des transmissions à longue portée de plus de 10 km avec une faible consommation d'énergie. LoRa fonctionne à des fréquences légèrement inférieures à 1 GHz. Les antennes directionnelles sont les plus adaptées aux antennes LoRa, bien que des antennes omnidirectionnelles soient souvent utilisées.  LoRaWAN a été développé en France et dérivé de CSS comme première implémentation commerciale. LoRa exploite les bandes RF sub-GHz telles que 433 MHz, 868 MHz et 915 MHz pour faciliter la transmission à longue portée de plus de 10 km avec une faible consommation d'énergie, idéale pour la connectivité IoT.
• LTE-M: L'évolution à long terme pour les machines permet à la fois le transfert de voix et de données avec mobilité, faible bande passante et consommation d'énergie.
• NB-IoT: Narrow Band-Internet of Things (NB-IoT) est un LPWAN développé par 3GPP qui permet le transfert de données à faible coût et à faible consommation d'énergie à une fréquence de 200kHz.
• DASH7: Un protocole réseau de capteurs et d'actionneurs développé par l'Alliance DASH7 (D7A). Il est open source et sans fil. DASH7 est capable d'utiliser une gamme de technologies LPWAN pour fonctionner dans les fréquences sub GHz sans licence, en s'appuyant principalement sur 433 MHz. 
• Sigfox: Le  protocole Sigfox a été développé en 2009 à Toulouse, en France, et fonctionne de la même manière que le NB-IOT, en tant que LPWAN à bande étroite. Il utilise des bandes ISM (industrielles, scientifiques et médicales) non autorisées pour fonctionner.
• Wize: Wize est un standard ouvert développé et publié par la Wize Alliance en 2017. Il exploite la fréquence 169 MHz remise à neuf, précédemment utilisée pour les téléavertisseurs, mais maintenant réutilisée pour les compteurs intelligents et les applications IoT.
• Chirp Spread Spectrum (CSS): Cette forme de communication numérique utilise des impulsions de modulation de fréquence appelées chirps pour coder les informations à transmettre. Les chirps sont des impulsions de modulation de fréquence. Le signal transmis est étalé pour occuper le spectre de fréquences disponible.
• En apesanteur (Weightless): Cette forme de communication utilise une technologie sans fil open source qui permet l'échange de données entre les stations de base et plusieurs machines ou appareils à proximité. La norme de connectivité Weightless-P a eu du succès en tant que réseau bidirectionnel à bande étroite qui peut fonctionner à des fréquences sous licence et sans licence.
• Fractionnement des télégrammes (Telegram Splitting): Cette technologie LPWAN standardisée et sans licence divise un paquet de données transmis en de nombreuses petites portions de données et transmet ces sous-paquets à différents moments et fréquences sub-GHz. Comme moins d'informations sont transmises à la fois, le transfert de données est rapide, évolutif et sécurisé contre les interférences, avec une consommation de bande passante ultra-faible. Le protocole MIOTY exploite cette technologie pour des déploiements IoT industriels et commerciaux à grande échelle.
• Protocole NB-Fi: Ce protocole est sans licence et fonctionne dans la bande ISM. Développée par WAVoT, il s'agit d'une technologie à bande ultra étroite (UNB) qui peut atteindre des distances de transmission allant jusqu'à 30 km dans les zones rurales et même sous terre et une faible consommation de batterie pouvant durer jusqu'à 10 ans.
• Random Phase Multiple Access (RPMA): Cette technologie sans fil, anciennement connue sous le nom d'On-Ramp Wireless, a été développée par Ingenu pour les applications IoT et M2M. Il fonctionne en utilisant la bande 2,4 GHz avec un canal de diffusion autonome et peut être déployé dans le monde entier.
• Ultra Narrow Band (UNB): Ces LPWAN, délivrés, se caractérisent par leurs bandes passantes extrêmement étroites et sélectives. Des transmissions courtes et peu fréquentes peuvent être diffusées sur des fréquences VHF ou UHF pour des communications longue distance et à faible consommation d'énergie par IoT et d'autres appareils. 
• Taggle Byron: Cette entreprise australienne a développé cette technologie radio pour fournir une solution de communication à faible coût, à faible consommation et à longue portée. 
• WAVIoT: Ce LPWAN a été développé spécifiquement pour la communication bidirectionnelle IoT et M2M. WAVIoT exploite les bandes ISM à l'aide du protocole NB-Fi pour des applications telles que le comptage des services publics.

Facteurs affectant la sélection du protocole pour les applications IoT

Lors du choix de la technologie sans fil pour les applications de l'Internet des objets (IoT), les facteurs clés suivants doivent être pris en compte pour garantir des performances et une efficacité optimales:

1. Portée: La distance sur laquelle l'appareil IoT doit communiquer est cruciale. Les technologies à courte portée comme Bluetooth et Wi-Fi conviennent aux environnements domestiques ou professionnels, tandis que les technologies à longue portée comme LoRaWAN ou NB-IoT sont meilleures pour les applications industrielles ou agricoles où les appareils sont répartis sur de grandes surfaces.
2. Débit de données: différentes applications nécessitent un débit de données différent. Les technologies à haut débit de données comme le Wi-Fi conviennent à des applications telles que le streaming vidéo, tandis que les technologies à faible débit de données comme Zigbee ou LoRa sont suffisantes pour les capteurs transmettant de petites quantités de données.
3. Consommation d'énergie: Les appareils IoT fonctionnent souvent sur piles, l'efficacité énergétique est donc une considération importante. Des technologies telles que Bluetooth Low Energy (BLE) ou Zigbee sont conçues pour une faible consommation d'énergie, ce qui les rend idéales pour les appareils qui doivent fonctionner pendant de longues périodes sans être rechargés.
4. Topologie du réseau: la structure du réseau, qu'il s'agisse d'un point à point, d'une étoile, d'un maillage ou d'autre chose, affecte le choix de la technologie. Les réseaux maillés sont robustes et auto-réparateurs, idéaux pour les applications de maison intelligente et peuvent être mis en œuvre avec des technologies comme Zigbee.
5. Sécurité: Les besoins en matière de sécurité varient en fonction de l'application. Des technologies telles que le Wi-Fi offrent des protocoles de sécurité avancés, qui sont cruciaux pour les applications traitant des données sensibles.
6. Coût: Le coût de mise en œuvre et de maintenance de la technologie est toujours à prendre en compte. Certaines technologies nécessitent du matériel plus coûteux ou ont des coûts d'exploitation plus élevés en raison de la consommation d'énergie ou des frais de réseau.
7. Interférences et fiabilité: Dans les environnements avec de nombreux appareils sans fil ou de la machinerie lourde, les interférences peuvent être un problème important. Il peut être essentiel de choisir une technologie qui fonctionne sur une bande de fréquences moins encombrée ou qui dispose de techniques robustes d'atténuation des interférences.
8. Évolutivité: la capacité à faire évoluer le réseau à mesure que le nombre d'appareils connectés augmente est essentielle. Certaines technologies sont mieux adaptées aux petits réseaux, tandis que d'autres peuvent gérer des milliers, voire des millions d'appareils.
9. Conformité réglementaire: Les technologies sans fil doivent être conformes aux réglementations régionales concernant l'utilisation du spectre. Il est important de choisir une technologie légale et optimisée pour une utilisation dans la zone géographique visée.
10. Latence: le temps nécessaire aux données pour se déplacer de la source à la destination peut être critique dans des applications telles que l'automatisation industrielle où le traitement des données en temps réel est requis.
11. Facteurs environnementaux: L'environnement de fonctionnement (intérieur/extérieur, urbain/rural, températures extrêmes, etc.) peut grandement affecter les performances des technologies sans fil.
12. Exigences et expérience de l'utilisateur: La prise en compte de l'expérience de l'utilisateur final et des exigences spécifiques de l'application, telles que la facilité de configuration et d'utilisation, peut également guider le choix de la technologie.

À propos de l'IoT: appareils, antennes, histoire et avenir

• Les appareils (« Objets ») sont des appareils et des équipements courants de la vie quotidienne, notamment les smartphones, les appareils portables, les véhicules et les instruments.
• Chaque appareil du réseau est identifiable de manière unique et peut échanger des données avec d'autres appareils via IP. Les appareils sont équipés de logiciels et de fonctionnalités de connectivité pour permettre cette communication.

Les protocoles sans fil IoT se développent rapidement et, en tant que moyens pour une grande variété d'applications qui rendent les machines, les appareils et les communications plus efficaces, augmentent leurs fonctionnalités et leur permettent de « parler » les uns aux autres.

Le terme Internet des objets (IoT) a été inventé par un universitaire du MIT en 1999 et faisait initialement référence à la technologie RFID (Radio Frequency ID) pour les appareils.

Les systèmes IoT sans fil utilisent des antennes pour transmettre ou recevoir des informations et fonctionnent généralement en association avec des routeurs sans fil pour améliorer le signal vers et depuis l'appareil auquel ils sont connectés. Ils se connectent à un processeur qui peut ensuite, selon la façon dont il a été programmé, effectuer une action avec n'importe quelle intervention de l'utilisateur.