Six principales technologies sans fil pour l'IoT et l'IIoT comparées

L'expansion rapide de l'Internet des objets industriel (IIoT) crée de nouvelles opportunités pour la surveillance en temps réel, la maintenance prédicative, l'automatisation, la sécurité et l'amélioration de la productivité. Au cœur de cette transformation se trouve la connectivité sans fil, qui permet aux capteurs, machines, passerelles, véhicules et systèmes de contrôle de communiquer sans câblage physique étendu.

Aucune technologie sans fil n'est idéale pour toutes les applications industrielles. Le bon choix dépend de la portée, du débit, de la latence, de la mobilité, de la consommation d'énergie, de l'infrastructure, de la sécurité, de l'environnement d'exploitation et du coût total. Cet article compare six technologies sans fil importantes et explique comment les antennes, câbles, connecteurs et décisions d'installation influencent les performances réelles.

Ce sont des comparaisons générales. La portée réelle, le débit et l'autonomie de la batterie dépendent du module radio, du système d'antenne, de l'environnement d'installation, de la conception du réseau et des réglementations régionales.

1. Wi-Fi

Le Wi-Fi est largement disponible et fournit les débits de données élevés nécessaires pour les caméras industrielles, les interfaces machines, les terminaux portables, les mises à jour du firmware, les scanners et le transfert local de données. Le Wi-Fi 6 améliore l'efficacité dans les environnements avec de nombreux appareils connectés, tandis que le Wi-Fi 6E et le Wi-Fi 7 ajoutent un accès à la bande 6 GHz lorsque la réglementation le permet. Wi-Fi HaLow, basé sur IEEE 802.11ah, fonctionne en dessous de 1 GHz et est conçu pour une communication IoT à plus longue portée et à faible consommation.

Avantages

Ubiquiti : l'infrastructure Wi-Fi et les appareils compatibles sont facilement disponibles.

Haut débit : Le Wi-Fi prend en charge nettement plus de données que la plupart des technologies LPWAN et de capteurs à faible consommation.

Contrôle du réseau local : Les organisations peuvent exploiter le Wi-Fi sans payer de frais récurrents de service cellulaire.

Inconvénients

Portée et obstruction : La couverture varie selon la fréquence, le gain de l'antenne, le placement du point d'accès, les matériaux de construction, les machines, les interférences et les limites de puissance d'émission. La portée de 100 mètres souvent citée ne doit pas être considérée comme une garantie.

Consommation d'énergie : Le Wi-Fi conventionnel consomme généralement plus d'énergie que le Bluetooth LE, Zigbee ou LoRaWAN, ce qui le rend moins adapté aux petits capteurs à batterie.

Congestion : La bande 2,4 GHz est partagée avec le Bluetooth, Zigbee et d'autres appareils. Les bandes 5 et 6 GHz offrent une plus grande capacité mais ont généralement moins de pénétration à travers les murs et les obstacles.

2. Zigbee

Zigbee est une technologie sans fil à faible consommation fréquemment utilisée pour les capteurs industriels, l'éclairage, l'automatisation des bâtiments et les systèmes de contrôle. Elle fonctionne couramment à 2,4 GHz, bien que des implémentations régionales de sous-GHz existent également.

Avantages

Faible consommation : Zigbee prend en charge les appareils qui doivent fonctionner longtemps sur batterie.

Réseau maillé : Des appareils alimentés correctement configurés peuvent relayer des messages pour d'autres appareils, améliorant la couverture et offrant des voies de communication alternatives.

Évolutivité : Un réseau Zigbee peut supporter de nombreux appareils à débit de données relativement faible.

Inconvénients

Débit limité : Zigbee n'est pas conçu pour la vidéo, les gros fichiers ou les applications industrielles à large bande passante.

Interférences : À 2,4 GHz, Zigbee partage le spectre avec le Wi-Fi, le Bluetooth et d'autres équipements.

Complexité du maillage : La performance fiable du maillage dépend de l'emplacement des appareils, de la disponibilité du routeur, de la configuration du réseau et de l'environnement RF environnant.

Thread et Matter peuvent également apparaître dans les discussions sur les appareils connectés. Thread est un protocole réseau maillé basé sur IP, tandis que Matter est une norme d'interopérabilité au niveau applicatif plutôt qu'une technologie radio.

3. LoRa et LoRaWAN

LoRa est une technique de modulation radio longue portée, tandis que LoRaWAN est un protocole réseau utilisant des radios LoRa. Ensemble, ils conviennent parfaitement aux capteurs à distance, à la surveillance des réservoirs, à l'agriculture, aux services publics, à la surveillance environnementale et aux applications de suivi des actifs qui transmettent de petites quantités de données.

Avantages

Longue portée : LoRaWAN peut couvrir plusieurs kilomètres dans des conditions favorables. La portée réelle dépend du terrain, de la hauteur de l'antenne, des obstacles, de la puissance de sortie, de la sensibilité de la passerelle, des interférences et des performances de l'antenne.

Faible consommation : Les appareils qui transmettent de petits messages peu fréquents peuvent fonctionner pendant des années sur piles.

Déploiement privé ou public : Une organisation peut installer des passerelles LoRaWAN privées ou utiliser un réseau public compatible lorsque disponible.

Inconvénients

Faible débit de données : LoRaWAN n'est pas adapté à la vidéo, à la voix, aux fichiers volumineux ou aux données continues à haute vitesse.

Latence et limitations du cycle de service : Il est généralement préférable pour la surveillance et les rapports périodiques que le contrôle machine en temps réel.

Exigences régionales : LoRaWAN utilise normalement un spectre ISM exempté de licence, mais les utilisateurs doivent se conformer aux règles régionales de fréquence, de canal, de cycle de service et de puissance d'émission. Les systèmes nord-américains utilisent couramment 902–928 MHz, tandis que les systèmes européens utilisent généralement 863–870 MHz.

Les antennes doivent être sélectionnées pour la bande régionale applicable. Une antenne destinée à 868 MHz n'est pas nécessairement le meilleur choix pour une installation nord-américaine à 915 MHz.

4. Cellulaire : 4G LTE et 5G

La connectivité cellulaire est précieuse pour les équipements, véhicules, passerelles industrielles, installations éloignées, sites temporaires et applications qui ne peuvent pas dépendre d'un réseau local. Les options disponibles incluent LTE, LTE-M, NB-IoT, 5G publique et LTE ou 5G privée.

Avantages

Couverture large zone : Les réseaux cellulaires permettent aux appareils de communiquer sur des zones bien plus vastes que les systèmes sans fil locaux classiques.

Mobilité : Le cellulaire convient parfaitement aux véhicules, machines mobiles, équipements de service sur le terrain et actifs mobiles.

Débits de données plus élevés : LTE et 5G peuvent prendre en charge des applications allant de la télémétrie à un volume élevé de données et de vidéo. Les performances réelles de la 5G dépendent de la bande de fréquence, de l'opérateur, de la configuration réseau, de la congestion et de la qualité du signal.

Inconvénients

Consommation d'énergie : Les radios LTE et 5G complètes consomment généralement plus d'énergie que Zigbee, Bluetooth LE, LoRaWAN, NB-IoT ou LTE-M.

Coûts récurrents : Le service public de téléphonie mobile nécessite généralement un forfait de données, une gestion de SIM ou d'eSIM, ainsi qu'une administration par l'opérateur.

Variations de couverture : La performance dépend de la disponibilité des opérateurs, des bandes supportées, de la pénétration des bâtiments, de la localisation des tours, du trafic réseau et de l'installation de l'antenne.

De nombreuses passerelles LTE et 5G utilisent deux antennes ou plus pour la diversité ou MIMO. Un appareil peut également nécessiter des antennes GNSS et Wi-Fi/Bluetooth séparées. Tous les ports d'antenne spécifiés par le fabricant de l'équipement doivent généralement être connectés à des antennes compatibles.

5. NB-IoT et LTE-M

NB-IoT et LTE-M sont des technologies LPWAN cellulaires optimisées pour les capteurs, compteurs, alarmes, traceurs et autres appareils connectés qui ne nécessitent pas un débit complet LTE ou 5G.

Avantages

Faible consommation : Les deux technologies sont conçues pour prolonger la durée de vie de la batterie lorsque les appareils transmettent des quantités limitées de données.

Connectivité étendue : Ils utilisent une infrastructure mobile plutôt que d'exiger que l'organisation installe des passerelles sur toute la zone de couverture.

Meilleure pénétration : NB-IoT peut fonctionner efficacement dans des lieux complexes tels que les salles utilitaires, les sous-sols et les bâtiments, bien qu'aucune connexion souterraine ne doive être supposée sans test.

Inconvénients

Bande passante limitée : NB-IoT est destiné aux transmissions petites et intermittentes plutôt qu'aux applications à large bande passante.

Disponibilité dépendante de l'opérateur : Les technologies, bandes, arrangements d'itinérance et couverture pris en charge varient selon l'opérateur et le pays.

Exigences de déploiement : Les appareils peuvent nécessiter une certification opératrice, des modules compatibles, une provisionnement de SIM et une gestion continue du service.

NB-IoT est particulièrement adapté aux appareils stationnaires envoyant de petits messages. LTE-M offre généralement un débit plus élevé, une latence plus faible, une meilleure mobilité et un support plus large pour des applications telles que le suivi des actifs mobiles.

6. Bluetooth et Bluetooth LE

Le Bluetooth est largement pris en charge par les téléphones, tablettes, ordinateurs, outils industriels, passerelles et appareils embarqués. Bluetooth LE est optimisé pour les capteurs, balises, mise en service, suivi d'actifs à courte portée et autres applications à faible consommation.

Avantages

Faible consommation : Les appareils Bluetooth LE bien conçus peuvent fonctionner longtemps avec de petites batteries.

Compatibilité des appareils : Le support Bluetooth est déjà intégré dans de nombreuses plateformes grand public et industrielles.

Fonctionnement flexible : Bluetooth LE prend en compte les balises, la communication point à point et le réseau maillé.

Inconvénients

Plage variable : Le Bluetooth n'a pas une portée maximale fixe. Les performances dépendent du mode PHY, de la puissance de transmission, de la sensibilité du récepteur, de l'antenne, des obstacles, des interférences et de l'environnement d'installation.

Débit modéré : Le Bluetooth est suffisant pour les données des capteurs et la configuration des appareils, mais n'est pas comparable au Wi-Fi ou aux connexions cellulaires à haut débit.

Interférences 2,4 GHz : Le Bluetooth partage la bande avec le Wi-Fi, le Zigbee et d'autres appareils, bien que les techniques de saut de fréquence aident à gérer la congestion.

Sélection des antennes et des composants RF pour l'IIoT

Choisir une technologie sans fil n'est que la première étape. Le chemin RF complet — y compris l'antenne, le câble coaxial, les connecteurs, les adaptateurs, l'emplacement de montage et l'enceinte — affecte la puissance du signal et la fiabilité du réseau.

Compatibilité en fréquence

Sélectionnez une antenne conçue pour toutes les bandes utilisées par la radio. Une passerelle cellulaire peut nécessiter la prise en charge de plusieurs bandes LTE et 5G, tandis qu'une installation LoRaWAN nord-américaine nécessite normalement une antenne optimisée pour la région 902–928 MHz.

Gain d'antenne et diagramme de rayonnement

Un gain plus élevé ne signifie pas automatiquement de meilleures performances. Une antenne omnidirectionnelle à gain plus élevé concentre l'énergie plus près de l'horizon et peut être appropriée pour des liaisons longues et relativement plates. Les antennes à gain plus faible peuvent offrir une couverture verticale plus large pour les équipements mobiles, les terrains irréguliers ou les installations impliquant des altitudes différentes.

Les antennes directionnelles, y compris les conceptions Yagi et de panneaux, peuvent améliorer la puissance du signal et rejeter les interférences lorsque la direction du point d'accès, de la passerelle ou de la tour est connue.

MIMO et diversité d'antenne

De nombreux appareils Wi-Fi, LTE et 5G nécessitent deux antennes ou plus pour la diversité MIMO ou de réception. Tous les ports d'antenne spécifiés par le fabricant de l'appareil doivent généralement être connectés à des antennes espacées et polarisées de manière appropriée.

Antennes internes versus externes

Les antennes internes offrent une installation compacte mais peuvent être affectées par des boîtiers métalliques, des batteries, des circuits imprimés et des composants à proximité. Les antennes externes peuvent souvent être positionnées au-dessus ou à l'extérieur d'une enceinte, réduisant ainsi les blocages du signal et offrant des options d'antennes de meilleure performance.

Perte par câble coaxial

Des câbles d'antenne longs ou sous-dimensionnés peuvent annuler l'avantage d'une antenne à gain élevé, en particulier à 5 GHz, 6 GHz et des fréquences cellulaires supérieures. Le type et la longueur du câble doivent donc être choisis en fonction de la fréquence de fonctionnement, de la perte d'insertion acceptable, de la flexibilité, de la taille du connecteur et des exigences d'installation.

Connecteurs et adaptateurs

Les équipements IIoT peuvent utiliser des interfaces SMA, RP-SMA, N-type, TNC, RP-TNC, FAKRA, U.FL, MHF4 ou d'autres interfaces RF. Le genre et la polarité du connecteur doivent être vérifiés avec soin. Par exemple, les composants SMA et RP-SMA peuvent sembler similaires mais ne pas être électriquement compatibles.

Protection de l'environnement

Les installations extérieures et industrielles doivent prendre en compte :

• Eau et poussière pénètrent
• Exposition aux UV
• Extrêmes de température
• Corrosion
• Vibrations et chocs
• Soulagement de la contrainte des câbles 
• Étanchéité des cloisons
• Protection contre la foudre et les surtensions 
• Exigences de mise à la terre 

La gamme de produits de Data Alliance comprend des antennes pour Wi-Fi, LTE, 4G, 5G, Bluetooth, LoRa, Zigbee et applications associées, ainsi que des câbles d'antenne et des composants d'interconnexion RF.  Catégories d'antennes de Data Alliance

Architectures IIoT associées

LPWAN est une catégorie large qui inclut LoRaWAN, NB-IoT, LTE-M et d'autres technologies conçues pour la communication longue distance et faible consommation. Il est particulièrement utile pour les capteurs distribués qui transmettent des messages relativement petits.

L'informatique en périphérie traite les données près des machines ou des capteurs plutôt que d'envoyer tout à un cloud distant. Cela réduit la latence et la consommation de bande passante et permet aux opérations locales de se poursuivre pendant une coupure d'internet.

Le réseau maillé est une topologie plutôt qu'une technologie sans fil individuelle. Zigbee, Bluetooth Mesh, Thread et certains systèmes propriétaires peuvent utiliser des dispositifs interconnectés pour relayer des données et créer des voies de communication alternatives.

Les réseaux LTE privés et 5G privés fournissent une couverture cellulaire dédiée à l'intérieur des usines, entrepôts, ports, campus et autres environnements contrôlés. Les systèmes hybrides sont également courants — par exemple, des capteurs Bluetooth ou Zigbee peuvent envoyer des données vers une passerelle utilisant Wi-Fi, Ethernet, LoRaWAN ou cellulaire pour le backhaul.

Avantages de la connectivité sans fil IIoT

Les systèmes IIoT sans fil peuvent améliorer l'efficacité opérationnelle, réduire les coûts d'installation, soutenir la maintenance prédictive, renforcer la sécurité au travail et fournir des informations en temps réel pour une meilleure prise de décision. Ils peuvent également simplifier le déplacement des équipements, connecter des machines mobiles ou inaccessibles, et permettre l'installation de capteurs supplémentaires sans câblage supplémentaire important.

Cependant, les organisations doivent s'occuper du chiffrement, de l'authentification, des mises à jour du firmware, de la segmentation réseau, de la sécurité physique, de l'interopérabilité, de la gestion des identifiants et de la planification du cycle de vie des appareils. Aucune technologie sans fil n'est automatiquement sécurisée ; la sécurité dépend de l'implémentation, de la configuration, de l'architecture réseau et des procédures opérationnelles.

Conclusion

Aucune technologie sans fil unique ne convient à toutes les applications IIoT. Le Wi-Fi offre un débit local élevé ; Zigbee et Bluetooth LE prennent en charge les appareils locaux à faible consommation ; LoRaWAN assure une communication longue portée pour les petits messages ; et les technologies cellulaires assurent une couverture large et une mobilité. NB-IoT et LTE-M comblent le fossé entre la détection à faible consommation et l'infrastructure cellulaire publique.

Le choix final doit prendre en compte le volume de données, la portée, la latence, la mobilité, la durée de vie de la batterie, la sécurité, l'infrastructure, l'environnement et le coût total de possession. Dans de nombreuses installations, un réseau hybride offre la solution la plus efficace. Quelle que soit la technologie choisie, une adéquation correcte de l'antenne, du câble, des connecteurs, du mode de montage et des bandes de fréquences est essentiel pour une communication IIoT fiable.