5.6. Quelle technologie de télécommunications pour un DATI ?

Pour répondre correctement à cette question, il est indispensable de commencer par faire un point sur les technologies disponibles aujourd’hui pour transmettre une alerte à distance et en temps réel.

Commençons par rappeler que les technologies de “télécommunications sans fils” d’aujourd’hui utilisent absolument toutes une même technologie : les Radiofréquences, c’est à dire une fréquence d’onde électromagnétique exprimée en Hertz (Hz). Une technologie issue d’une œuvre collective que l’on peut notamment attribuer aux pionniers tels que Samuel Morse qui inventa le premier télégraphe en 1840 et Heinrich Rudolf Hertz qui mis en évidence les ondes radio en 1884, depuis appelées “ondes hertziennes” en son honneur !

Donc qu’il s’agisse de radio FM, de Télévision TNT, de Talkie-Walkie VHF/UHF, de Wi-Fi , de Bluetooth, Sigfox, LoRa, téléphonie mobile GSM, 2G, GPRS, 3G, 4G, 5G etc. => on parle toujours du même principe physique => les Radiofréquences (ou “RF”).

Ces technologies ne se différencient que par la modulation du signal, les fréquences utilisées, les bandes de fréquences autorisées et le déploiement d’antennes plus ou moins important sur le territoire géographique selon la technologie.  Chaque technologie est ainsi plus ou moins efficiente selon les objectifs recherchés avec : une distance de communication plus ou moins longue, une vitesse et un débit de transmission de données plus ou moins importants, une quantité d’énergie nécessaire en émission et en réception, la complexité des émetteurs et des récepteurs, et des coûts d’utilisation qui varient.

Par ailleurs, l’utilisation des radiofréquences est soumise à une réglementation qui, en France, est sous le contrôle de l’ARCEP : les usages et les puissances sont limitées en fonction des radiofréquences utilisées et peuvent être soumises à l’obtention d’une licence. 

Dans ce qui suit, nous allons regarder plus en détails quelques-unes de ces technologies afin de comprendre comment les professionnels des DATI aboutissent à certains choix plus ou moins judicieux.

Lors du développement d’un DATI, se pose la question de choisir la technologie RF la plus adaptée à l’utilisation prévue. Parmi les technologies actuellement disponibles sur le marché on trouvera essentiellement :

● UHF/VHF (type talkie-walkie) ?

Utilisant un principe de transmission-réception de fréquences “embarquées” qui leur permet de communiquer entre eux dès lors qu’ils sont réglés sur la même fréquence, sans dépendre d’un réseau d’antennes tiers (tel que Sigfox, LoRa ou GSM-GPRS), ils peuvent en théorie fonctionner partout. Ils utilisent des bandes de fréquences (VHF : 136-174 MHz ou UHF : 403-527 MHz) dont la puissance d’émission autorisée est si faible qu’ils ne peuvent communiquer qu’à une très courte distance.  Certains constructeurs promettent une distance de 10 km sans préciser qu’il s’agit d’une distance en situation idéale : terrain parfaitement plat, sans aucun obstacle direct ou indirect. Dans la réalité, la moindre colline qui séparera 2 talkies-walkies mettra en péril toute possibilité de communication. 

Ainsi l’utilité des talkies-walkies pour un dispositif DATI n’est que limitée car ils ne permettent de transmettre une alerte uniquement qu’à des personnes de trouvant proximité.

En effet un DATI performant doit être capable :

– de fonctionner quelle que soit la distance et ainsi pouvoir communiquer vers un superviseur ou une téléassistance qui peut être à des dizaines de kilomètres, voire même à l’autre bout de la France.

– de fonctionner quels que soient les obstacles physiques (collines, montagnes, forêts etc.)

● LoRa et Sigfox ?

LoRa et Sigfox sont deux systèmes assez similaires ayant pour objectif d’être efficients pour l’IoT, c.à.d. les objets connectés, que l’on appelle en anglais « Internet of Things ».

Ces réseaux partent du principe que certains objets connectés n’ont à transmettre que très peu de données et que cela peut se faire à bas débit – de 250 à 11000 bits par seconde pour LoRa, et 100 à 600 bits par seconde pour Sigfox.  Notons que plus le débit est élevé, plus la distance de communication possible est réduite.  A la plus petite vitesse, LoRa atteint 15km en milieu rural, et 3km en milieu urbain, du côté de Sigfox on annonce 15km.

Les objets connectés fonctionnant généralement sur batterie pour être autonomes, limiter la consommation est cruciale.  La technique choisie par ces réseaux est appelée l’UNB ou le « Ultra Narrow Band ».  Attention, cela ne désigne pas la méthode de modulation : LoRa utilise des « Chirp spread spectrum » et Sigfox utilise du « BPSK (Binary phase-shift keying).  L’UNB fait référence à la largeur de bande de fréquences nécessaires à une communication : pour LoRa c’est 125kHz ou 250kHz, et sous Sigfox 200kHz.

Tous deux fonctionnent en Europe sur la bande dite « 868MHz », dite « libre ».  Elle est libre sous contrainte d’une puissance et un rapport cyclique d’émission maximum selon les fréquences précises qui sont pour LoRa et Sigfox 25mW et 1%.  Ceci signifie qu’après une émission de 1 seconde, il faut attendre 99 secondes pour émettre le message suivant.  Sigfox autorise 140 messages de 12 octets utiles chacune par jour, soit seulement 1680 octets en tout !  C’est simplement parce qu’il faut environ 6 secondes pour transmettre un tel message Sigfox.  Ce qui permet un envoi toutes les 600 secondes, ou toutes les 10 minutes.  Comme une journée compte 1440 minutes. La limitation de 140 n’est pas une limitation commerciale, mais bien une limitation réglementaire !

C’est donc en grande partie du fait de ces limitations que Sigfox et LoRa se font en UNB.   C’est une méthode qui permet d’augmenter la portée du signal.  Nous ne nous lançons pas ici sur une explication du théorème de Shannon-Hartley qui nous donne la vitesse de communication maximum dans une bande passante donnée pour un rapport signal/bruit, et sa relation avec l’intérêt de diminuer la bande passante pour augmenter la portée à débit constant dans ce cas d’usage à débit et puissance faible. 

Malgré toutes les promesses de couverture, notre expérience montre que la couverture réelle (dans la pratique) du territoire géographique par ces réseaux reste assez limitée, probablement du fait que l’émission des objets ne se fait que rarement en situation « idéale ».

De plus, nos expériences indiquent également que ces technologies fonctionnent moins bien lorsque l’objet communicant est en mouvement – les effets doppler variables ne facilitant pas la réception d’un signal qui dure plusieurs secondes.

L’utilisation de Sigfox et de LoRa est donc – en fonction de sa couverture effective – adaptée à une utilisation à bas débit et faible fréquence (petits messages espacés de plusieurs minutes) bénéficiant d’une consommation énergétique faible et donc une autonomie de fonctionnement potentiellement longue.

Etant donné que dans le cas d’un DATI, on ne peut pas attendre 5 minutes avant d’envoyer un message d’alerte SOS, ni ne se permettre qu’il ne parte pas du tout si la couverture locale est faible ou inexistante, ces réseaux UNB ne sont pas adaptés à un tel usage.  Ils peuvent éventuellement venir en complément à une solution mais nous n’avons pas trouvé d’avantages suffisamment convaincants pour cela.

● GSM-GPRS et LTE-M multi-opérateurs ? Zones GSM Blanches ?

L’ARCEP indique une couverture GSM de 97,5% du territoire géographique (et 99,5% de la population). Les 2,5% du territoire géographique non couverts sont principalement situés en haute montagne ou dans quelques zones qui tendent chaque jour à se raréfier.

Le GSM est aujourd’hui la technologie RF de loin la plus adaptée pour un DATI pour équiper un travailleur isolé nomade, la plus fiable et la plus déployée en termes de maillage d’antennes en France (et dans le monde). C’est la technologie actuellement disponible qui donne les meilleures garanties de délivrance d’un message d’alerte dans un temps très court, quelle que soit la distance et quel que soient les obstacles physiques/géographiques.

Si certaines zones sont considérées comme “zones GSM blanches”, celles-ci restent objectivement rares et assez bien connues et vérifiables comparées à toutes les autres technologies décrites précédemment et disponibles sur le marché du DATI.

La ceinture connectée GEOSECURE PTI utilise une carte SIM multi-opérateurs “active” qui module automatiquement sur les 3 opérateurs “ORANGE-SFR-BOUYGUES” pour une couverture optimale. Elle utilise par ailleurs le GPRS (2.5G) qui ne nécessite que peu de ressources GSM pour fonctionner : il est ainsi des endroits où vous ne pouvez pas passer d’appel vocal mais où vous captez pourtant le réseau GPRS. Les zones totalement blanches où aucun des 3 opérateurs n’est présent en GPRS existent mais restent rares.

Il est important de comprendre que toute zone GSM considérée comme “blanche” est en réalité bordée ou ponctuée de zones qui ne le sont pas. Ainsi, sauf cas particuliers, dans ces zones de réception GSM difficiles et erratiques, un travailleur “mobile” ne passera qu’une partie de sa journée hors couverture réseau… en tout cas beaucoup moins de temps qu’avec les technologies évoquées précédemment.  Dans ces « zones blanches » il est néanmoins recommandé, dans un souci de réellement protéger le travailleur en toute circonstance, d’étudier des solutions plus adaptées qui sont éventuellement plus onéreuses.  Cela peut passer par une solution multi-bandes, et notamment un dispositif proposant à la fois le GSM/GPRS, et une ou plusieurs des autres bandes de fréquences précitées – le VHF ou LoRa ou Sigfox – éventuellement lié à une borne locale connectée par un réseau internet câblé.

Ne pas s’équiper d’un DATI GSM/GPRS sous prétexte qu’il y aurait des cas de zones blanches sur le terrain du travailleur isolé (qui ne représentent donc, sauf cas particulier, qu’un pourcentage des cas de figure dans la journée d’un travailleur isolé) est une faute puisque cela signifierait :

soit de ne pas s’équiper du tout, impliquant que le travailleur isolé restera non protégé 100% de son temps.

soit de choisir une autre technologie de télécommunications moins performante.

Il peut toutefois exister des cas où les travailleurs isolés n’interviennent toute la journée exclusivement que sur des zones parfaitement blanches. Cela reste rare et les seules alternatives restent soit une technologie radio UHF/VHF du type Talkie-Walkie qui nécessitera un superviseur, lui aussi équipé, présent sur le terrain à très courte distance, ou l’installation d’un réseau basses fréquences privé (complexe, coûteux et réservé à de petites zones comme certains sites industriels).

Pour conclure, la meilleure technologie pour un DATI pour équiper un travailleur nomade est celle qui permet de transmettre une alerte dans les meilleurs délais et dans le plus grand nombre de cas de figure même s’il n’est pas possible de couvrir 100% des cas : c’est le GSM-GPRS (ou LTE-M) en multi-opérateurs !

– Le  LTE-M (pour Orange) et NBIOT (pour SFR) sont 2 technologies proches qui fonctionnent via la 4G et qui devraient progressivement remplacer le GPRS, la 2G et la 3G, dans les prochaines années, notamment pour la communication des objets connectés (IoT) mais également pour la VOIX en zones rurales actuellement déjà mal couvertes par la 2G. Ces technologies sont à considérer comme l’une des briques du déploiement de la 5G. Utilisant le vaste maillage des antennes relais GSM des opérateurs Orange et SFR, et utilisant des fréquences plus basses à 800 MHz (et dites « LPWA » pour Low Power Wide Area) elles permettront de communiquer sur des longues distances et donc de couvrir quasiment l’intégralité du territoire géographique français, de mieux couvrir des zones difficiles d’accès (indoor et sous-sols) et d’être peu gourmandes en énergie (autonomie accrue des objets connectés et/ou réduction de leur poids et de leur taille). Elles permettront en outre de porter la « VOIX » en plus de la data.

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