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Articles - Étudiants SUPINFO

Machine to machine

Par Joseph IACOPETTA Publié le 30/09/2016 à 14:36:59 Noter cet article:
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Introduction

Tout au long de cette article, je vais vous faire part de l'ensemble de mes analyses et observations réalisées dans le domaine des technologies dites « M2M » (machine to machine). Cette article résulte de l'exercice de veille technologique réalisé tout au long de ma quatrième année de préparation du diplôme de Master of Science à SUPINFO Strasbourg. Avant d'aller plus en avant dans le sujet du machine to machine, je vous propose de débuter par une définition générale du domaine qui devrait vous permettre d'aborder plus aisément l’article. Pour cela, je me permet d’emprunter la définition offerte par le site Wikipédia que je juge très explicite.

Définition du M2M

Le concept de machine to machine, abrégé par le signe M2M, utilise les télécommunications et l'informatique pour permettre des communications entre machines, et ceci sans intervention humaine. En français, le M2M se traduit par « la communication de machine à machine », « la communication entre machines » ou encore « la communication inter-machines ». Une définition plus générale de « la communication machine à machine » est l'association des technologies de l'information et de la communication (abréviation TIC), avec des objets dits intelligents et communicants et cela dans le but de fournir à ces derniers les moyens d'interagir sans intervention humaine avec le système d'information. Ce dernier peut appartenir indifféremment à une organisation ou à une entreprise. Comme toutes les technologies qui émergent, sa définition continue d'évoluer mais elle se réfère généralement à la télémétrie ou à la télématique. Cette technologie fonctionne en utilisant des réseaux et plus particulièrement les réseaux mobiles publics (comme le GPRS ou l'UMTS), ou des liaisons sans fil à courte distance, comme le Wi-Fi, le Bluetooth le RFID. Apparaît alors la notion d'appareils connectés sur une boucle locale, cette dernière étant connectée à un concentrateur de données qui fait office de passerelle vers les bases de données des gros serveurs centraux ou vers le cloud.

Source : Wikipédia

Naissance du marché

Il est difficile de définir précisément l’étendu du marché du machine to machine. Difficile par exemple de faire la distinction avec d'autres types d'applications embarquées dédiées à la communication, qui peuvent être considérées comme des automatismes ou de la télématique, par exemple. D'autant plus que la limite entre un système M2M et une simple passerelle réseau est bien réelle. Ces différents points rendent difficile la datation de la naissance du marché mais nous pouvons noter une généralisation de l'emploi du terme « M2M » et une augmentation du nombre de connections liées à cette technologie approximativement entre 2008 et 2009. Le marché potentiel est énorme, mais le M2M n'en est encore qu'à ses débuts. Pour preuve, en France, en 2010, on estimait à moins d'un million le nombre total de machines utilisant des fonctions M2M. Alors que selon l'ARCEP en 2014 le nombre de carte SIM M2M à effectuer un bond de 50% en une seul année pour dépasser la barre des 6.5 millions d'unités. Cela démontre le potentiel de ce marché en pleine expansion et l'ampleur de ce phénomène en constante évolution qui ne se limite bien évidemment pas au marché français. Le marché mondial suit le même chemin de la montée en puissance des technologies M2M. Le graphique ci-dessous représente, au niveau mondial, le nombre de connexions présentes sur le réseau cellulaire.

Estimation future selon la GSMA (GSM Association) :

La GSMA est une association qui représente 850 opérateurs de téléphonie mobile à travers 218 pays du monde. De plus, elle compte parmi ses membres 200 fabricants et autres industriels du secteur travaillant sur la famille des standards de réseau mobile GSM et dérivés (UMTS et LTE).

En 2020, pas moins de 974 millions de connexions mobiles M2M auront été mises en service, selon l'association mondiale des opérateurs mobiles. Soit 10% du total des 10 milliards de lignes mobiles attendues à la fin de la décennie.

Domaines d'applications

Aujourd'hui, dans le domaine de l'interconnexion entre machines, nombres de cas d'utilisations restent envisageables. Longtemps cantonnés à l'état de fantasme pour geek, les objets intelligents et communicants entre eux commencent à être des technologies de plus en plus tangibles. La mise en application des concepts du machine to machine nous offre la possibilité d'imaginer un grand nombre de projets, objets ou services qui pourraient être tout simplement crées ou intégrés à des solutions déjà existantes.

Le machine to machine intéresse tout particulièrement le monde de l'industrie car il peut répondre à bon nombre de contraintes propres aux entreprises. Ces dernières y trouveront un intérêt sur le plan de la télémétrie, de la sécurité, de l'automatisation de processus, ou encore sur le monitoring d'activités. Vous l'aurez bien compris les cas sont divers et variés.

Pour citer quelques exemples, nous pouvons nous référer au nouveau compteur communicant Linky™ proposé par EDF. Ce dernier assurera la collecte à distance d'informations concernant notre consommation électrique et la facturation ne nécessitera plus de relevés. Le machine to machine s'avère également très pratique pour les industries relevant d'une activé dangereuse ou opérant dans des lieux très distant. Cela est le cas des plate-formes pétrolières ou de l'industrie chimique par exemple. La sécurité est un point important dans le monde de l'entreprise, les capteurs contrôlant l'atmosphère de travail des salariés ou encore ceux qui veillent aux bonnes conditions de stockage dans le secteur industriel agro-alimentaire sont encore des exemples concret que l'interopérabilité entre machine permet de disposer d'un haut niveau qualitatif de service.

Au niveau du grand public, et dans notre quotidien, nous trouvons déjà des objets capable de communiquer entre eux. Des équipements sportifs comme des raquettes de tennis ou des club de golf sont capable d'enregistrer et d'envoyer des donnés afin d'analyser nos performances. Une filière en plein essor et qui nous concerne tous est celle de la domotique. En effet l'habitat est un des lieux ou se concentre le plus d'objet communiquant. L'interaction entre ces dernières vas permettre de réaliser des économies d'énergie ou plus simplement améliorer la réalisation de certaines tâches. Par exemple un capteur de luminosité va détecter une augmentation de l'ensoleillement et envoyer l'information à une centrale qui va ordonner la fermeture des volets roulants électriques afin d'éviter que la température de la pièce augmente de trop. Cette température étant elle même contrôlée par un autre capteur qui pourrait quand à lui envoyer des informations pouvant déclencher le démarrage de la climatisation. Un des secteurs faisant également parti des domaines d'application du machine to machine est celui du médicale. En effet, des capteurs présent directement sur le patient ou à son domicile permettent par exemple un suivi médical à distance, voir même un maintien à domicile pour certains patients. De plus, ce type de dispositif permet d'avertir automatiquement et d'intervenir plus rapidement en cas d'urgence.

La mise en place de système machine to machine dans les différents secteurs cités précédemment implique nécessairement un certain coût. Le marché du M2M étant encore en construction l'évolution des prix et des technologies reste encore en mouvance. Malgré cela, nous pouvons noter des changements significatifs parmi les offres et les différents acteurs du marché.

Évolution des coûts

Le marché du M2M intéresse de plus en plus d'entreprises grâce à la baisse des coûts. Le prix du matériel a été divisé par trois depuis environ trois ans. Mais surtout, dans le même temps, les coûts des communications ont diminués de près de 40 %, avec le lancement par les opérateurs de forfaits spécialement étudiés pour le marché machine to machine et l'arrivée de Free Mobile sur le secteur des communications. L'arrivée d'offres et de forfaits dédiés pour tous les constructeurs et utilisateurs de solutions M2M a été ressentie comme une véritable révolution.

En effet, pour qu'un équipement puisse envoyer des informations à un centre de traitement, la solution la plus courante consiste à utiliser les réseaux cellulaires proposés par les opérateurs de téléphonie mobile. Auparavant, le recours à une carte SIM et à un abonnement auprès d'un opérateur était nécessaire. Autant dire que les coûts des forfaits étaient rédhibitoires pour la plupart des applications. Comment justifier un abonnement mensuel de près de 30€ pour relever un compteur une fois par mois ? D'autant plus que les volumes de données échangées en M2M sont très faibles. Sur une application de géolocalisation par exemple, envoyer la position en coordonnées deux fois par jour ne dépasse pas quelques centaines de kilo-octets en fin de mois. Fort heureusement, les forfaits spécialement conçus pour le M2M présentent désormais un prix mensuel fixe, de l'ordre de 5€ à 2€ par mois, voire moins en s'engageant sur une longue durée. Mieux encore car il est maintenant possible de se débarrasser du paiement mensuel, en optant pour un forfait pluriannuel ou en payant uniquement la consommation réalisée. Une avancée non négligeable pour les constructeurs de machines, car le prix d'achat du produit peut désormais intégrer celui des communications. Grâce aux efforts des opérateurs télécoms, de plus en plus de projets M2M deviennent donc viables. Encore faut-il pouvoir estimer précisément le retour sur investissement.

Opérateurs et contraintes du marché

Il est possible de réaliser des systèmes machine to machine communiquant par le biais des réseaux de téléphonie mobile (GSM). De ce fait, il est naturel de retrouver sur le marché les principaux opérateurs français. Effectivement, Orange, Bouygues Telecom et SFR proposent d'ores et déjà des forfaits spécifiques M2M. SFR étant en légère avance sur ces concurrents, il est en position dominante sur le marché et dispose d'offres commerciales bien spécifiques. Ce type d'offre nécessite des appareils équipés de module GSM et l'utilisation d'une carte SIM de l'opérateur. Comme décrit au début de l'analyse, le M2M se répand, et avec lui, le nombre de connexions croît irrémédiablement. Ces millions de connexions à venir auront pour impact de saturer les réseaux de téléphonie et plus globalement celui de l'internet mondial déjà en proie à la problématique du manque d'adressage du protocole IPV4. Cette contrainte technique est très rapidement devenue une évidence face à l'ampleur et aux proportions que réserve le marché du M2M. Les différents protagonistes du marché l'ont très bien compris, et fort de ce constat, de nouvelles offres et technologies sont apparues sur le marché.

Évolution des offres et technologies

Pour faire face aux exigences de ce nouveau marché mondial, la technologie devait donc évoluer. Aujourd'hui, nous disposons de réseaux extrêmement rapides, permettant de faire circuler de grandes quantités d'informations (Vidéo HD, Internet…). Cependant, le réseau M2M, est plus généralement celui des objets connectés, a pour vocation de ne transmettre que de petites quantités d'informations et d'être nettement moins énergivore.

De nombreux objets connectés ne sont pas continuellement alimentés en énergie et nécessitent par conséquent d'être économes en énergie. Par exemple, les montres connectées ou les bracelets connectés disposent d'une batterie dont l'autonomie est limitée et cela impact grandement l'utilisateur final. L'action de recevoir et transmettre des données doit donc consommer le moins d'énergie possible. Tel est le leitmotiv de ces nouvelles technologies scindées en trois groupes distincts.

Les trois types de solution de communication :

Communication courte-portée

Certaines technologies de communication sont à courte portée (faible distance entre émetteur et récepteur). L'échange de données doit se faire par contact physique entre l'émetteur et le récepteur (par exemple grâce à un port Ethernet ou à un port USB), par la technologie NFC ou par RFID.

Communication via un Hub moyenne portée connecté à internet

Pour connecter les objets à internet dans le cas d'une distance de communication modérée, une solution consiste à utiliser un Hub qui fera office d'interface entre l'internet virtuel et les objets connectés. Les objets communiqueront au Hub (lui-même directement connecté à internet) via les technologies Bluetooth, Wi-Fi, Zigbee ou Z-wave. Cette solution est adaptée pour les objets destinés à rester proche du smartphone ou dans la maison connectée (une box domotique ou internet pouvant alors faire office de Hub).

Communication via une solution longue portée

Dans le cas d'objets qui ont besoin de pouvoir communiquer de longue distance, la solution de la communication courte portée et la solution de la communication par Hub sont inefficientes. Il est donc dans ce cas nécessaire de s'appuyer sur un réseau qui permet une connexion en tout lieu couvert par les antennes. Les objets connectés peuvent s'appuyer sur les réseaux cellulaires couverts par les opérateurs de téléphonie traditionnels (2G ,3G, 4G, LTE) pour transmettre leurs données mais ils sont conçus pour de très haut débit et consomment en contrepartie beaucoup d'énergie.

Les objets connectés peuvent également s'appuyer sur des réseaux longue portée, qui ont la particularité de se baser sur une transmission basse fréquence, basse consommation d'énergie mais bas débit. Ce sont les caractéristiques de ces réseaux que nous allons spécifiquement suivre dans la suite de notre rapport de veille.

Les nouveaux réseaux se basant sur ces solutions de communication longue portée sont actuellement en pleine effervescence. Nous pouvons les regrouper sous les dénominations suivantes « LPWAN » pour Low-Power Wide Area Networks (Réseau longue portée basse consommation) ou encore « UNB » pour Ultra narrow band. Le point fort des réseaux LPWAN et UNB est justement le fait que les antennes et relais positionnée sur une fréquence basse permet d'atteindre de grande distance de couverture en terrain favorable. Cet avantage offre la possibilité de couvrir rapidement un territoire ou une zone géographique donnée. De nouvelles entreprises ont donc vu le jour avec comme idée de créer des connectivités entre objet issue de stations indépendantes des réseaux historiques existants. Ce marché reste donc en pleine définition et chaque acteur qui le compose tente encore de s'imposer face aux autres avec son propre standard.

Les nouveaux acteurs

Une des sociétés françaises pionnière du domaine et qui domine actuellement le marché est l'entreprise Sigfox.

Cette start-up basée à Toulouse et fondée par Ludovic Le Moan, se donne les moyens de son ambitieux projet et a déjà réaliser une levée de fond de 100 millions de dollars avec notamment l'entrée d'Intel à son capital et de nombreux associés comme GDF SUEZ, Air Liquide, EutelSat, SK Telecom, Telefonica, NTT Docomo…

Sigfox déploie son propre réseau national sur une bande de fréquences libre (868 MHz) adaptée aux transmissions de données bas débit (100 bits/s) et aux applications de communications machine to machine. La technologie combine une faible puissance d'émission (pour l'antenne émettrice) avec une portée de 30 à 40 kilomètres en moyenne. C'est la conséquence d'une bonne sensibilité permettant la communication avec de petits modems à faible coût, alimentée par de petites piles longue durée. Cette technologie fonctionne aussi dans d'autres bandes de fréquences (169 MHz). Son autre particularité est d'utiliser une bande de fréquences étroite (100 Hz) qui, couplée à un traitement du signal sophistiqué, évite au signal d'être perturbé par des interférences. Ces caractéristiques de propagation lui assurent une bonne pénétration en sous-sol, notamment.

Le faible nombre d'antennes (1000 fois moins qu'un réseau GSM) et l'utilisation de bandes de fréquences libres donc gratuites (contrairement au GSM) permettent de proposer des prix plus adaptés. Actuellement la société dispose de 1500 antennes et couvre toute la France.

Table 1. Comparaison avec un réseau GSM classique

Sigfox GSM
Nombre d'antennes zone urbaines 3 pour 1 millions d'habitants 60 pour 1 millions d'habitants
Nombre d'antennes zone rurale 1 à 3 pour 1000km² 10 à 20 pour 1000km²
Consommation du modem 50 microWatt 50000 microWatt
Pollution électromagnétique faible Moyenne à élevée
Autonomie moyenne 20 ans 0.2 ans
Coût moyen par an 3$ 30$

Source : Sigfox

Une autre grande entreprise internationale présente sur le secteur du M2M est la société californienne Semtech. Elle est spécialisée dans la fourniture de semi-conducteurs pour les circuits analogiques et mixtes depuis 1960.

Semtech est à l'origine du protocole LoRa (pour Long Range), un procédé de communication bas-débit que beaucoup considèrent comme la seule alternative au réseau M2M basse fréquences de Sigfox

En janvier 2015, Semtech et les représentants de plusieurs opérateurs télécoms européens ont annoncé la création de la LoRa Alliance.

De grands acteurs internationaux rejoindront la LoRa Alliance, dont des fournisseurs et des opérateurs, parmi lesquels IBM, Sagemcom, Cisco, Kerlink, Actility, IMST, Eolane, Microchip et MultiTech. Du côté des opérateurs télécom, on recense désormais officiellement Proximus, mais aussi Bouygues Telecom, KPN, SingTel, Swisscom ou encore Fastnet.

La LoRa Alliance aura comme mission de favoriser l'interopérabilité des différents réseaux télécoms et de standardiser les radio-technologies à longue distance (LPWAN). L'objectif de la LoRa Alliance sera dès lors de veiller à ce que les objets connectés et les applications machine to machine puissent faire preuve d'interopérabilité.

La technologie Lora reprend les mêmes principes que pour tous les LPWAN.

Ce schéma est un exemple de mise en place d'un réseau LoRa. Nous pouvons constater que différents types de réseaux, aux caractéristiques hétérogènes peuvent communiquer entre eux et remonter de l'information vers un serveur central ou un cloud à partir duquel il sera possible d'exploiter les informations ainsi récoltées à partir des différents objets connectés.

Les critères de consommation d'énergie, de coût et de miniaturisation des composants restent semblables à ce que Sigfox met en place. En revanche la LoRa Alliance cherche à mettre en avant une compatibilité matérielle et multi opérateur à toutes les couches du réseau de façon à en garantir sa stabilité et sa qualité.

Conscient des enjeux du marché, la société chinoise Huawei à acquis en fin 2014, l'entreprise anglaise Neul située à Cambridge. Neul est également un pionnier des technologies M2M et des réseaux de communication LPWAN.

L'essor du M2M est tel que d'autres concurrents plus modestes se lancent également dans la course.

La société Qowisio a levé 10 millions d'euros pour ouvrir son premier réseau public bas-débit dédié aux objets connectés en France. Basée à Angers depuis 2009, elle a effectué sa levée de fond auprès de Ouest Croissance, Go Capital, BNP Paribas et Pays de la Loire Développement.

Conclusion

L'internet des objets, et son petit frère le M2M ne sont plus de la pure science-fiction. Le réseau Internet ne relie plus simplement aujourd'hui des humains à des humains (le Web). Il sert aussi à connecter des machines à des serveurs et des machines à des machines.

Pour beaucoup d'analystes, le M2M est, et sera, une source de transformations aussi importante que les innovations technologiques nées avec le début d'Internet dans les années 90. Certains, chez Alcatel-Lucent Enterprise, parlent même d'une «nouvelle révolution industrielle». Il faut dire que tous les facteurs semblent converger vers ce réseau d'utilisateurs et de choses que Marissa Mayer (présidente de Yahoo!) décrit comme « un système nerveux de la planète en train de se constituer ».

Tous les opérateurs, et leurs technologies qui gravitent autour des réseaux basse consommation, oeuvrent tous à faire accepter leur technologie par des groupes de travail qui réfléchissent au futur standard de la 5G. En effet, la 5G ne sera pas seulement centrée sur plus de débit et plus mobilité par rapport à la 4G, mais également sur l'aspect très bas débit. Aujourd'hui les entreprises comme Sigfox ou le consortium LoRa Alliance tentent de marquer leur empreinte et cherche à s'implanter rapidement dans divers pays de façon à peser le plus lourd possible dans les négociations et les discutions qui vont aboutir à un standard 5G dans les années à venir (estimé à 2020).

Aucun doute que l'avenir nous obligera à composer avec les technologies d'interopérabilité liées à l'internet des objets. L'inter-connectivité des objets va élargir le champ des possibilités de développements et ouvrir la porte à de nouveaux projets. Une veille régulière des évolutions techniques et des transformations du marché nous permettra d'éviter d'être en décalage, voir même en retard dans ce secteur en pleine expansion. La prise en compte de tous les futurs objets connectés qui vont nous entourer, va nous permettre, en tant que développeur, d'imaginer et de fournir des services et applications de plus en plus complexes et évolués. Les perspectives professionnelles découlant de l'expansion des technologies M2M semblent de plus en plus importantes et laisse entrevoir de bonnes perspectives d'avenir au sein des métiers liées au développement d'applications mobiles.

Liste des sources et liens utiles

L'encyclopédie libre Wikipedia : http://fr.wikipedia.org

L'excellent blog spécialisé sur l'objet connecté : https://www.aruco.com

Le site business SFR team : http://www.sfrbusinessteam.fr

Le site d'informations pour développeurs : http://www.developpez.com

Le site spécialisé IT : http://www.silicon.fr

Le site spécialisé High Tech : http://www.zdnet.fr

Les sites des différents fabricants de matériel et technologie :

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