VT2019 LPGAN

Low-Power Global Area Network (LPGAN) ou Réseau Global à Faible Consommation Énergétique en français est une connexion sans fil utilisé afin de connecter des équipements entre eux, optimisé afin de réduire au maximum la consommation énergétique. Ceci permet à ces équipements une plus grande autonomie, ce qui permet leur déploiement dans des lieux difficile d'accès ou l'utilisation d'équipements difficilement rechargeables. De plus ce réseau dit global utilise une connexion avec des satellites dédiés afin de couvrir le monde entier.

Abstract

Wireless connexions are more and more used all over the world. It’s easier, economical and can be used to remove certain physical constraints like in places difficult to access.

But it consumes more energy because of supply equipment and data transmission. And because of miniaturisation we need to find solutions to reduce energetic cost of data transmission. That’s why Low-Power Global Area Network is more and more used. It used specific protocol to reduce this and transmit data to little satellites called cubesats. Then data are transmitted to ground stations and finally the messages are relayed automatically from the ground station to a cloud platform.

Synthèse

Introduction

Une connexion sans fil est préférée à une connexion filaire pour plusieurs raisons :

• par commodité puisque la présence d'une connexion physique rend toute utilisation de l'équipement moins pratique (câbles qui prennent de la place, qui peuvent s’abîmer facilement et ainsi rendre la communication impossible...)
• par économie (le coût du lien physique et du maintien de celui-ci est supprimé, plus le lien physique devrait être long, plus l’économie réalisée est importante)
• pour supprimer certaines contraintes physiques (implantation dans des lieux à risques, dans le corps humain ou encore dans des lieux difficiles d'accès)

Cependant les connexions sans fils consomment une plus grande quantité d'énergie car il faut non seulement alimenter l'équipement mais aussi transmettre l'information. A cause de la miniaturisation des équipements qui réduit la taille disponible pour le stockage de l'énergie et/ou la difficulté, voir l'impossibilité de recharger certains équipements (capteurs dans le corps humain, sonde dans l'espace...), il est devenu nécessaire de réduire le coût énergétique de la transmission de l'information. Cela permettrait aussi de réduire l'empreinte écologique de ces équipements. En effet les technologies de l’information et de la communication représentent plus de 10% de la consommation électrique mondiale. C'est pour répondre à cette problématique que les réseaux à faible consommation énergétique sont de plus en plus utilisés.

Fonctionnement

On déploie des capteurs à faible coût, alimentés par des batteries afin d'effectuer des mesures telles que la température, l'ensoleillement, le niveau de l'eau, les précipitations, la qualité des sols... Ces capteurs envoient leurs informations à de petits satellites dédies. Pour envoyer ces informations, le capteur attend qu'un satellite soit à portée avant d'envoyer un signal directement au satellite.

Le capteur envoie un signal au satellite lorsque celui-ci est à portée

Les petits satellites en question sont des cubsats. Ce sont de petits satellites de forme cubique (d'où leur nom) de la taille d'une boite à chaussure et pesant de 1 à 10 kg permettant à de petites structures, telles que des université ou même des start-up, d'envoyer leur propre satellite dans l'espace. La forme cubique du satellite permet à celui-ci d'être alimenté en énergie par des panneaux solaire qu'elle que soit l'orientation du satellite (qui bien souvent n'est pas contrôlé), puisque les différents panneaux sont installés sur chaque face du cube. Ce genre de satellite ne peut pas effectuer des opérations trop complexes et dans notre cas ils se contentent de servir de relais. Ces satellites font le tour de la planète 14 fois par jour, en allant d'un pôle à l'autre, et sont déployés en orbite basse ce qui permet de facilement communiquer avec eux et de les déployer à un coup moindre puisqu'ils nécessitent moins d'énergie pour être mis sur ces orbites que sur les autres orbites terrestres.

Un cubesat tenu dans une main pour se rendre compte de la taille de celui-ci

Un cubesat déployé dans l'espace

Une fois que le cubesat reçoit l'information du capteur, il la stocke en mémoire jusqu'à ce qu'il passe au dessus d'une des stations de collectes disséminées sur Terre. Lorsqu'il est à portée de l'une d'elle, le satellite transmet alors les informations en mémoire à la station terrestre, et cette dernière les envoie sur le cloud afin que n'importe quelle application puisse y accéder. Évidemment cela créé un temps de latence assez importante entre l'envoi des données par le capteur et la mise dans le cloud de celles-ci. Ce temps de latence peut être réduit en augmentant le nombre de satellite, lorsque on a atteint un nombre critique de satellite on parle alors de constellation de satellite.

Exemple de constellation

Rappel du fonctionnement global des LPGAN

Avantages et Inconvénients

Avantages

• Commode (pas besoin d'une connexion physique)
• Economique (suppression du coût de la connexion physique et allongement des durées de vie ce qui diminue le besoin en maintenance et donc le coût de celles-ci)
• Suppression des contraintes physiques (permet d'implanter des équipements dans le corps humain ou au milieu de l'océan par l'exemple par exemple)
• Économe en énergie
• Plus grande durée de vie des équipements
• Impact écologique réduit
• Longue portée
• Coût réduit de l'équipement

Inconvénients

• Latence des transmissions
• Peu de débit

Les domaines d'applications

Exemple de domaine d'application

Activités militaire

Le domaine militaire s'intéresse de plus en plus à ce type de réseau afin de surveiller la position des soldats sur le terrain, le déploiement des troupes ou encore de suivre leurs fonctions vitales. Cette technologie est particulièrement intéressante pour eux car les soldats peuvent être amenés à se trouver dans des zones dangereuses et/ou reculées pendant des durées indéterminées.

Agriculture

Tout un tas de capteurs sont utilisés afin de mettre en place l'agriculture intelligente en recueillant des données telles que la température, l'ensoleillement, la qualité des sols, le taux d'engrais... Cela augmente la qualité des récoltes, permet des économies puisque on est alors capable de déterminer avec précision les zones qui ont besoin d'engrais et/ou de pesticide et réduit donc l'impact écologique des cultures. Mais des capteurs peuvent aussi être utilisés au service du consommateur afin de connaitre le chemin emprunté par notre nourriture de la récolte jusqu'à son assiette ou bien même de s'assurer de la qualité de la nourriture en s'assurant de son lieu d’exploitation (par exemple pour s'assurer qu'un produit affichant fièrement son origine ne soit en fait pas originaire d'un autre pays).

Environnement

De nombreux capteurs sont utilisés afin de récolter des données météorologiques sur toute la surface du globe afin de prédire la météo, les températures, l'ensoleillement ou encore la vitesse du vent et sa direction. On peut aussi utiliser des capteurs dans des milieux ruraux afin de s'assurer de la qualité de l'air et de l'eau. Des capteurs sont aussi utilisés dans le cadre de la surveillance des catastrophes naturelles tel que les séismes, les éruptions volcaniques, les sécheresses, les feux de forêt ou encore la montée des eaux. Ces capteurs sont placés dans des zones dangereuses et bien souvent difficiles d'accès ce qui rend leur durée de vie particulièrement importante.

Médical

Le domaine médical utilise une quantité importante de capteurs connectés que ce soit pour surveiller les données vitales des patients, la propreté de l'air ou encore les stocks d'équipement médicaux. L'augmentation de la durée de vie des personnes, l'augmentation des coûts de la santé publique et la diminution des budgets des hôpitaux ont conduit à rendre le domaine de la santé dépendante de l'utilisation des liaisons sans fil à faible consommation énergétique.

Sport

Les réseaux sans fil à faible consommation d'énergie sont utilisés de façon semblable au domaine militaire, c'est à dire afin de mesurer les données vitales de la personne tel que la température, la respiration, la fréquence cardiaque, ou les mouvements. Ils peuvent aussi être utilisés afin de localiser géographiquement la personne même dans des endroits reculés.

Sécurité

En effet de nombreux équipements de notre vie de tout les jours bénéficient de cette technologie afin d'allonger la durée de vie de ceux-ci. On peut citer par exemple les détecteurs de fumée, les détecteurs de présence, la télésurveillance, les balises de sauvetage, les alarmes, l'éclairage automatique...

Infrastructure publique

L'utilisation de nouveaux capteurs est en constante hausse dans le domaine publique, que ce soit pour mesurer la qualité de l'air et de l'eau dans les différents quartiers d'une ville, le volume d'eau et le débit des rivières pour anticiper les sécheresses et les inondations mais surtout pour mesurer l'usure des différentes infrastructures telles que les ponts, les rails de train ou de tram, les routes, les tunnels, les bâtiments, la gestion des places de parking, l’éclairage urbain...

Sources

• https://www.synox.io/nb-iot-lte-m-nouvelle-norme-internet-des-objets/
• https://www.journaldunet.fr/web-tech/dictionnaire-de-l-iot/1197635-lora-comment-fonctionne-le-reseau-quelles-differences-avec-sigfox/
• https://www.linkedin.com/pulse/welcome-small-sat-iot-express-hub-urlings/
• https://www.linkedin.com/pulse/iot-applications-markets-opportunities-hub-urlings/
• http://www.efort.com/r_tutoriels/LPWAN_EFORT.pdf
• https://hiber.global/hiberband-direct/#how-it-works
• https://www.astrocast.com/
• https://www.keplercommunications.com/
• https://www.fleet.space/portal
• https://www.lacuna.space/

Veille technologique 2019

• Année : VT2019
• Sujet: Low-Power Global Area Network (LPGAN)
• Auteurs : Paul ZARCOS, Jérémy MASSON