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Ville intelligente et LoRaWAN, l’exemple de Calgary

Au cœur d’une stratégie de ville intelligente, il y a les objets connectés qui récoltent et transmettent des données. Ces objets serviront par exemple à surveiller la pollution, à relever le niveau d’une rivière, à mesurer le bruit, à optimiser le ramassage des ordures, à vérifier le bon fonctionnement d’équipements, etc. Pour que tous ces objets puissent être connectés, il leur faut un réseau basse-consommation qui est la fondation d’une ville intelligente. La ville de Calgary a décidé de construire son propre réseau longue-portée à basse consommation et opté pour la technologie LoRa.

Les réseaux LPWAN (Low-Power Wide-Area Network) sont idéaux pour obtenir une large couverture géographique tout en minimisant la consommation énergétique, ce qui permet d’avoir des capteurs alimentés par des batteries pouvant durer plusieurs années (de 2 à 5 ans). L’avantage est de diminuer la maintenance et d’ouvrir la porte à des applications nouvelles. Bien sûr, contrairement à d’autres technologies plus énergivores comme les réseaux téléphoniques cellulaires, les débits sur un LPWAN sont faibles, mais la plupart des applications M2M/IoT n’ont pas besoin de plus. Grâce à l’utilisation de bandes de fréquences inférieures au gigahertz, une passerelle de LPWAN stratégiquement placée peut couvrir un large périmètre, parfois plusieurs dizaines de kilomètres en terrain découvert.

Calgary, la métropole de l’Alberta, a pour ambition d’être à la pointe des technologies de la ville intelligente. Pour son réseau longue-portée, deux choix d’offraient à elle : louer les services d’un opérateur privé ou bâtir son propre réseau. La ville a estimé que même si les coûts initiaux étaient bien plus élevés, avoir son propre réseau serait plus économique sur le long terme, permettrait un plus grand contrôle et offrirait de meilleures garanties en matière de sécurité. Une fois le réseau développé, il ne coûte en effet plus que des frais de maintenance qui restent modestes pourvu qu’on ait des équipes compétentes à même d’en assurer la gestion.

La ville a ensuite opté pour LoRaWAN, un standard de réseau longue-portée à basse consommation qui est développé par la LoRa Alliance, une organisation à but non lucratif qui garantit l’interopérabilité de tous les produits LoRaWAN. Ce standard ouvert est largement adopté à travers le monde et bénéficie d’un vaste écosystème de fournisseurs de services et d’équipements. En outre, il s’agit du standard disponible sur le marché le plus sécurisé avec un cryptage 128AES sur plusieurs niveaux des échanges de données entre le capteur et le serveur.

L’architecture réseau LoRaWAN est déployée selon une topologie en étoile dans laquelle des passerelles relaient les messages entre les équipements finaux et un serveur réseau central. Les passerelles sont connectées au serveur réseau via des connexions IP standard (sur Ethernet, 3 G ou Wifi sécurisé) et convertissent simplement les paquets RF en paquets IP et vice versa. Les vitesses de transmission LoRaWAN vont de 0,3 kb/s à 50 kb/s. Elles sont variables : le serveur réseau gère individuellement le réglage du débit et la puissance de sortie RF pour chaque équipement final afin de maximiser à la fois la durée de vie des batteries et la capacité globale du réseau.

En 2016, Calgary a lancé un projet collaboratif pour construire son LoRaWAN municipal, impliquant des chercheurs et des étudiants de l’Université de Calgary et des développeurs locaux d’IdO. Achevé en septembre 2017, le réseau offre une vaste zone de couverture, incluant bien sûr le centre-ville. Grâce à l’investissement de la ville dans les infrastructures de communication depuis 2000 (notamment le réseau de fibre optique), Calgary été en mesure de construire son réseau avec des coûts additionnels minimaux.

Calgary LoRaWAN Network.

Couverture du réseau LoRaWAN à Calgary. © Université de Calgary.

Une équipe de chercheurs du département des sciences informatiques de l’Université de Calgary a été mise à contribution pour définir la topologie du réseau. Grâce à des outils de mesure qu’elle a conçus à partir de cartes Arduino (UNO, M0 Pro, avec modules RFM95W), elle a pu réaliser différents essais sur le terrain et déterminer qu’il suffisait de trois passerelles montées sur des mâts radio pour couvrir une zone urbaine dense dans un rayon d’environ 15 km. Les passerelles fonctionnent dans la bande ISM 915 MHz et chaque passerelle supporte 64 canaux de liaison montante de 125 kHz chacun. L’équipe a aussi établi qu’un débit allant jusqu’à 5,5 kb/s peut être atteint sur un seul canal de 125 kHz au niveau de la couche physique, mais que le débit atteint au niveau de la couche application est nettement inférieur, moins de 1 kb/s, en raison de la surcharge des protocoles réseau.

⇨ Asif M. Yousuf, Edward M. Rochester, Behnam Ousat and Majid Ghaderi, “Throughput, Coverage and Scalability of LoRa LPWAN for Internet of Things (PDF),” in Proc. IEEE/ACM International Symposium on Quality of Service (IWQoS), Banff, Canada, June 2018.

Calgary.

Calgary. © iStock.

Il s’agit du premier réseau LoRaWAN de grande ampleur développé par une municipalité canadienne. Depuis, la ville est en mesure de s’engager dans des projets d’IdO innovants pour les différentes unités opérationnelles de la ville. Elle envisage ainsi de monitorer l’état des sols pour gérer l’arrosage, de surveiller en temps réel la qualité de l’air dans toute la ville, de placer des capteurs de niveau d’eau pour mieux anticiper les crues de ses deux rivières, Bow et Elbow, etc.

Le rythme rapide des changements dans le monde pose de nouveaux défis à la capacité d’adaptation des villes. L’augmentation de la taille et de la densité de la population, notamment à Calgary qui connaît une croissance soutenue, ont un impact sur le logement, l’approvisionnement alimentaire, les transports, l’éducation et la santé. La Ville, épaulée par les entreprises technologiques locales et les universitaires, s’est engagée résolument dans les nouvelles technologies afin d’apporter des réponses nouvelles aux défis de ce siècle. Discrètement, elle est devenue un chef de file canadien de la ville intelligente et demeure un écosystème technologique de premier plan au Canada avec plus de 1 300 entreprises de développement logiciel.

En savoir plus :

Semtech, important fabricant de puces radio LoRa, propose sur son site d’intéressants exemples d’utilisations de LoRaWAN au service des villes intelligentes.

Cette entrée a été publiée dans IoT, M2M & systèmes embarqués
par Laurent Gloaguen.
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