Quelle technologie radio pour les objets connectés? Deuxième Partie

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Quelle technologie radio pour les objets connectés? Deuxième Partie

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La semaine dernière nous avons vu qu’il y a quelques critères importants pour le choix de la technologie radio. Nous allons, cette semaine, les détailler et comparer les performances des différentes normes de communication sans-fil pour chacun de ces critères.

Portée

La distance maximale entre les objets est assez fortement déterminée par le type de technologie radio.
Cette portée maximale est liée à la puissance de sortie, la sensibilité du récepteur et la fréquence.

La norme NFC, comme son nom l’indique (l’acronyme signifie « Near Field Communication », « communication en champ proche »), est une technologie dédiée aux courtes distances,  avec une portée typique d’environ 5cm. Le Zigbee (dans sa version de protocole améliorée Zigbee PRO), grâce à une puissance de sortie élevée (jusqu’à 18dBm) et une bonne immunité aux interférences, réalise la meilleure portée ( jusqu’à 1,5 km en plein air et en visée directe). Ce chiffre reste théorique, d’autant plus qu’en France la norme limite les émissions à une puissance de 10dBm, ce qui réduit la portée maximale à environ 750m.

portéeSi on classe les différentes technologies en fonction de leur portée maximale, aujourd’hui:

NFC < ANT + < Bluetooth < Z-Wave < Wi- Fi < Zigbee.

Dans un futur proche, la norme Wi- Fi 802.11y permettra d’atteindre une portée de 5 km, comme illustré ci-dessous. Cependant, cette évolution est réservée à la bande 3.7GHz qui ne sera utilisée qu’aux États-Unis. De plus c’est une norme qui n’est pas dédiée aux objets communicants eux-mêmes, mais plutôt à l’interconnexion de réseau locaux (par exemple des réseaux locaux Wi-Fi « classique » reliés entre eux par Wi-Fi 802.11y).

Bon à savoir

Avec la même puissance de sortie, la même sensibilité du récepteur et pour un même signal, plus la fréquence est élevée, plus petite est la portée. Ainsi, en règle générale, si on double la fréquence, la portée est divisée par deux.

Les performances de l’antenne et de l’environnement auront également un effet déterminant: la portée en visée directe peut être plus de dix fois supérieure à celle à l’intérieur d’un bâtiment!

Débit

Le débit est la quantité de données qui peuvent être transmises par la liaison sans fil par unité de temps. La vitesse maximale de données est un maximum théorique. La valeur réelle est inférieure à celle théorique, principalement en raison de l’encapsulation des données utiles dans chaque protocole.

Si on les compare en fonction du débit maximum théorique, on peut classer les standards comme suit:

ANT+ < Z-Wave < Zigbee < NFC < Bluetooth < Wi-Fi.

Si nous devons envoyer une grande quantité de données, il nous faut choisir une technologie aux débits élevés, et ce afin de réduire le temps de transmission de ces données et ainsi gagner en consommation d’énergie.

Le graphique ci-dessous présente les caractéristiques des différentes technologies radiofréquences, en termes de portée et de débit:

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Portées comparées (en mètres) des principaux standards de communication sans fil

Topologie du réseau

Si un réseau doit utiliser des objets connectés, sa taille (en nombre de ces objets) et sa typologie excluent certaines technologies radio. Les différents types de réseau sont représentés ci-dessous.
La norme NFC ne peut être utilisée en réseau (on est plutôt dans un modèle client-serveur), la norme Zigbee, quant à elle, est plutôt conçue pour de grands réseaux de capteurs. Les normes Wi-Fi et Bluetooth ne supportent que des réseaux en étoile (« Star » network). Bluetoothv4.1 (la toute récente norme Bluetooth, qui date de début Décembre, mais n’est pas encore implémentée) devrait supporter également les réseaux maillés (« Mesh » network).

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Autonomie

L’autonomie maximale sera fortement déterminée par la technologie de communication radio choisie. L’autonomie de l’objet dépend de sa consommation de courant (l’énergie qu’il dépense pour transmettre et recevoir des données), mais aussi de sa capacité à ne rien consommer quand il n’y a rien à transmettre ou à recevoir. C’est la notion d’endormissement.

Pour évaluer la consommation, on tiendra donc compte du type d’utilisation, et on calculera une consommation moyenne dans le temps (je consomme I mA pendant X% du temps et i µA (microampères) le reste du temps, quand je suis endormi).

Lorsque la consommation moyenne de courant augmente, soit l’autonomie se dégrade, soit il faut augmenter la taille de la batterie.

autonomieLe débit maximum va aussi impacter la consommation. En effet, si on a beaucoup de données à transmettre, il faut pourvoir les transmettre rapidement pour pouvoir s’endormir ensuite plus longtemps. Ainsi il vaut mieux consommer un peu d’énergie de temps en temps et ne rien consommer le reste du temps que consommer moins d’énergie, mais tout le temps.

Table de comparaison des principaux standards de communication radio

Un tableau comparatif des différentes technologies radio peut être construit en se basant sur l’étude de leurs spécifications et de leurs impacts au niveau système.

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