Technologie LoRaWAN
Qu'est-ce que LoRaWAN ?
Toutes les informations de cette page sont tirées de ce document hébergé sur le site web de la LoRa Alliance.
SOMMAIRE :
- Introduction
- Où s’inscrit le LPWAN ?
- Qu’est-ce que LoRaWAN™
- Résumé régional LoRaWAN™
- Comparaison des options technologiques LPWAN
- Coût LPWAN vs systèmes hérités
1. Introduction
L’objectif de ce document est de fournir une vue d’ensemble technique introductive de LoRa® et LoRaWAN™. Les réseaux Low–Power, Wide-Area (LPWAN) devraient prendre en charge une part importante des milliards d’appareils prévus pour l’Internet des objets (IoT). LoRaWAN™ est conçu dès l’origine pour optimiser les LPWAN en termes de durée de vie des batteries, de capacité, de portée et de coût. Un résumé de la spécification LoRaWAN™ pour les différentes régions sera présenté, ainsi qu’une comparaison de haut niveau des différentes technologies en concurrence dans l’espace LPWAN.
A. Qu’est-ce que LoRa®
LoRa® est la couche physique ou la modulation sans fil utilisée pour créer le lien de communication longue portée. De nombreux systèmes sans fil hérités utilisent la modulation par déplacement de fréquence (FSK) comme couche physique, car c’est une modulation très efficace pour atteindre une faible consommation d’énergie. LoRa® repose sur la modulation par étalement de spectre à balayage de fréquence (chirp spread spectrum), qui conserve les mêmes caractéristiques de faible consommation que la modulation FSK mais augmente considérablement la portée de communication. L’étalement de spectre à balayage de fréquence est utilisé depuis des décennies dans les communications militaires et spatiales en raison des longues distances de communication réalisables et de sa robustesse face aux interférences, mais LoRa® est la première implémentation à faible coût à usage commercial.
B. Longue portée (LoRa®)
L’avantage de LoRa® réside dans la capacité longue portée de la technologie. Une seule passerelle ou station de base peut couvrir des villes entières ou des centaines de kilomètres carrés. La portée dépend fortement de l’environnement ou des obstacles sur un site donné, mais LoRa® et LoRaWAN™ offrent un budget de liaison supérieur à celui de toute autre technologie de communication normalisée. Le budget de liaison, généralement exprimé en décibels (dB), est le facteur principal pour déterminer la portée dans un environnement donné. Ci-dessous figurent les cartes de couverture du réseau Proximus déployé en Belgique. Avec une quantité minimale d’infrastructure, des pays entiers peuvent facilement être couverts.
2. Où s’inscrit le LPWAN ?
Une seule technologie ne peut pas couvrir toutes les applications et volumes prévus pour l’IoT. Le WiFi et le BTLE sont des normes largement adoptées et conviennent très bien aux applications liées à la communication entre appareils personnels. La technologie cellulaire est idéale pour les applications nécessitant un débit de données élevé et disposant d’une source d’alimentation. Le LPWAN offre une autonomie de batterie de plusieurs années et est conçu pour les capteurs et les applications qui doivent envoyer de petites quantités de données sur de longues distances quelques fois par heure depuis des environnements variés.
A. Facteurs importants du LPWAN
Les facteurs les plus critiques d’un LPWAN sont : • Architecture réseau • Portée de communication • Durée de vie de la batterie ou faible consommation • Robustesse face aux interférences • Capacité réseau (nombre maximal de nœuds dans un réseau) • Sécurité réseau • Communication unidirectionnelle vs bidirectionnelle • Variété des applications prises en charge
3. Qu’est-ce que LoRaWAN™
LoRaWAN™ définit le protocole de communication et l’architecture système du réseau, tandis que la couche physique LoRa® permet le lien de communication longue portée. Le protocole et l’architecture réseau ont la plus grande influence sur la durée de vie des batteries d’un nœud, la capacité réseau, la qualité de service, la sécurité et la variété des applications prises en charge par le réseau.
A. Architecture réseau
De nombreux réseaux déployés utilisent une architecture en maillage. Dans un réseau maillé, les nœuds finaux individuels retransmettent les informations d’autres nœuds pour augmenter la portée de communication et la taille des cellules du réseau. Bien que cela augmente la portée, cela ajoute aussi de la complexité, réduit la capacité réseau et diminue la durée de vie des batteries, car les nœuds reçoivent et retransmettent des informations d’autres nœuds qui leur sont probablement sans intérêt. L’architecture en étoile longue portée est la plus adaptée pour préserver la durée de vie des batteries lorsqu’une connectivité longue portée peut être obtenue.
Dans un réseau LoRaWAN™, les nœuds ne sont pas associés à une passerelle spécifique. Au lieu de cela, les données transmises par un nœud sont généralement reçues par plusieurs passerelles. Chaque passerelle transmet le paquet reçu du nœud final vers le serveur réseau dans le cloud via une liaison de retour (cellulaire, Ethernet, satellite ou Wi-Fi). L’intelligence et la complexité sont déportées vers le serveur réseau, qui gère le réseau, filtre les paquets reçus en double, effectue les contrôles de sécurité, planifie les acquittements via la passerelle optimale et applique le débit de données adaptatif, etc. Si un nœud est mobile ou en déplacement, aucun transfert n’est nécessaire d’une passerelle à l’autre, ce qui est une fonctionnalité essentielle pour les applications de suivi d’actifs — un secteur d’application majeur de l’IoT.
B. Durée de vie de la batterie
Les nœuds d’un réseau LoRaWAN™ sont asynchrones et communiquent lorsqu’ils ont des données prêtes à envoyer, que ce soit de manière événementielle ou planifiée. Ce type de protocole est généralement appelé méthode Aloha. Dans un réseau maillé ou avec un réseau synchrone, comme le cellulaire, les nœuds doivent fréquemment se « réveiller » pour se synchroniser avec le réseau et vérifier les messages. Cette synchronisation consomme beaucoup d’énergie et est le principal facteur de réduction de la durée de vie des batteries. Dans une récente étude et comparaison réalisée par la GSMA des différentes technologies adressant l’espace LPWAN, LoRaWAN™ a montré un avantage de 3 à 5 fois par rapport à toutes les autres options technologiques.
C. Capacité réseau
Pour rendre viable un réseau en étoile longue portée, la passerelle doit avoir une très grande capacité ou la capacité de recevoir des messages d’un très grand volume de nœuds. Une forte capacité réseau dans un réseau LoRaWAN™ est obtenue grâce au débit de données adaptatif et à l’utilisation d’un émetteur-récepteur multicanal multi-modem dans la passerelle afin que des messages simultanés sur plusieurs canaux puissent être reçus. Les facteurs critiques affectant la capacité sont le nombre de canaux simultanés, le débit de données (temps d’émission), la longueur de la charge utile et la fréquence d’émission des nœuds. Étant donné que LoRa® est une modulation basée sur l’étalement de spectre, les signaux sont pratiquement orthogonaux les uns aux autres lorsque différents facteurs d’étalement sont utilisés. Lorsque le facteur d’étalement change, le débit de données effectif change également. La passerelle tire parti de cette propriété en pouvant recevoir plusieurs débits de données différents sur le même canal en même temps. Si un nœud a un bon lien et est proche d’une passerelle, il n’a aucune raison d’utiliser toujours le débit de données le plus bas et d’occuper le spectre disponible plus longtemps que nécessaire. En augmentant le débit de données, le temps d’émission est réduit, libérant plus d’espace potentiel pour que d’autres nœuds transmettent. Le débit de données adaptatif optimise également la durée de vie des batteries d’un nœud. Pour que le débit de données adaptatif fonctionne, une liaison montante et descendante symétrique est requise avec une capacité descendante suffisante. Ces fonctionnalités permettent à un réseau LoRaWAN™ d’avoir une très haute capacité et de le rendre évolutif. Un réseau peut être déployé avec une quantité minimale d’infrastructure, et au fur et à mesure que la capacité est nécessaire, davantage de passerelles peuvent être ajoutées, augmentant les débits de données, réduisant l’écoute croisée vers d’autres passerelles et augmentant la capacité d’un facteur 6 à 8. Les autres alternatives LPWAN n’ont pas l’évolutivité de LoRaWAN™ en raison de compromis technologiques qui limitent la capacité descendante ou rendent la portée descendante asymétrique par rapport à la portée montante.
D. Classes d’appareils — tous les nœuds ne se valent pas
Les appareils finaux servent différentes applications et ont des exigences différentes. Afin d’optimiser une variété de profils d’applications finales, LoRaWAN™ utilise différentes classes d’appareils. Les classes d’appareils font un compromis entre la latence de communication descendante du réseau et la durée de vie des batteries. Dans une application de type contrôle ou actionneur, la latence de communication descendante est un facteur important.
Appareils finaux bidirectionnels (Classe A) : les appareils finaux de Classe A permettent des communications bidirectionnelles dans lesquelles chaque transmission montante d’un appareil final est suivie de deux courtes fenêtres de réception descendante. Le créneau de transmission planifié par l’appareil final est basé sur ses propres besoins de communication avec une légère variation basée sur une base de temps aléatoire (protocole de type ALOHA). Ce fonctionnement de Classe A est le système d’appareil final le plus économe en énergie pour les applications qui ne nécessitent une communication descendante du serveur que peu de temps après qu’un appareil final a envoyé une transmission montante. Les communications descendantes du serveur à tout autre moment devront attendre la prochaine transmission montante planifiée. Appareils finaux bidirectionnels avec créneaux de réception planifiés (Classe B) : en plus des fenêtres de réception aléatoires de Classe A, les appareils de Classe B ouvrent des fenêtres de réception supplémentaires à des moments planifiés. Pour que l’appareil final ouvre sa fenêtre de réception à l’heure planifiée, il reçoit une balise synchronisée dans le temps de la passerelle. Cela permet au serveur de savoir quand l’appareil final écoute. Appareils finaux bidirectionnels avec créneaux de réception maximaux (Classe C) : les appareils finaux de Classe C ont des fenêtres de réception presque continuellement ouvertes, fermées uniquement lors de la transmission.
E. Sécurité
Il est extrêmement important pour tout LPWAN d’intégrer la sécurité. LoRaWAN™ utilise deux couches de sécurité : une pour le réseau et une pour l’application. La sécurité réseau garantit l’authenticité du nœud dans le réseau, tandis que la couche de sécurité applicative garantit que l’opérateur réseau n’a pas accès aux données applicatives de l’utilisateur final. Le chiffrement AES est utilisé avec l’échange de clés utilisant un identifiant IEEE EUI64. Il y a des compromis dans chaque choix technologique, mais les fonctionnalités LoRaWAN™ en matière d’architecture réseau, de classes d’appareils, de sécurité, d’évolutivité de capacité et d’optimisation pour la mobilité couvrent la plus large variété d’applications IoT potentielles.
4. Résumé régional LoRaWAN™
La spécification LoRaWAN™ varie légèrement d’une région à l’autre en fonction des différentes allocations spectrales régionales et des exigences réglementaires. La spécification LoRaWAN™ pour l’Europe et l’Amérique du Nord est définie, mais d’autres régions sont encore en cours de définition par le comité technique. Rejoindre la LoRa® Alliance en tant que membre contributeur et participer au comité technique peut avoir des avantages significatifs pour les entreprises ciblant des solutions pour le marché asiatique.
A. LoRaWAN™ pour l’Europe
LoRaWAN™ définit dix canaux, dont huit à débit de données multiple de 250 bps à 5,5 kbps, un canal LoRa® à haut débit unique à 11 kbps et un canal FSK unique à 50 kbps. La puissance de sortie maximale autorisée par l’ETSI en Europe est de +14 dBm, à l’exception de la bande G3 qui autorise +27 dBm. Il existe des restrictions de cycle de service sous l’ETSI mais aucune limitation de durée maximale de transmission ou d’occupation de canal.
B. LoRaWAN™ pour l’Amérique du Nord
La bande ISM pour l’Amérique du Nord va de 902 à 928 MHz. LoRaWAN™ définit 64 canaux montants de 125 kHz de 902,3 à 914,9 MHz par incréments de 200 kHz. Il y a huit canaux montants supplémentaires de 500 kHz par incréments de 1,6 MHz de 903 MHz à 914,9 MHz. Les huit canaux descendants sont de 500 kHz de large, de 923,3 MHz à 927,5 MHz. La puissance de sortie maximale dans la bande 902-928 MHz en Amérique du Nord est de +30 dBm, mais pour la plupart des appareils +20 dBm est suffisant. Sous la FCC, il n’y a pas de limitations de cycle de service, mais il y a une durée maximale d’occupation de 400 ms par canal.
C. Mode hybride LoRaWAN™ pour l’Amérique du Nord
La plupart des gens connaissent les exigences de saut de fréquence de la FCC, qui exigent que plus de 50 canaux soient utilisés de manière égale dans la bande ISM. LoRaWAN™ est défini avec plus de 50 canaux pour tirer parti du spectre disponible et permettre une puissance de sortie maximale. La modulation LoRa® est qualifiée de technique de modulation numérique, elle est donc exemptée de devoir se conformer à toutes les exigences de saut de fréquence spécifiées par la FCC en mode hybride de fonctionnement. En mode hybride, la puissance de sortie maximale est limitée à +21 dBm et seul un sous-ensemble de huit canaux sur les 64 canaux montants est utilisé en mode hybride.
Extrait de la FCC : « A hybrid system uses both digital modulation and frequency hopping techniques at the same time on the same carrier. As shown in Section 15.247(f), a hybrid system must comply with the power density standard of 8 dBm in any 3 kHz band when the frequency hopping function is turned off. The transmission also must comply with a 0.4 second / channel maximum dwell time when the hopping function is turned on. There is no requirement for this type of hybrid system to comply with the 500 kHz minimum bandwidth normally associated with a DTS transmission; and, there is no minimum number of hopping channels associated with this type of hybrid system. »
5. Comparaison des options technologiques LPWAN
Il y a beaucoup d’activité dans le secteur IoT comparant les options LPWAN tant d’un point de vue technique que du modèle économique. Les réseaux LPWAN sont déployés maintenant car il existe un solide argument commercial pour soutenir un déploiement immédiat, et le coût de déploiement du réseau dans les bandes non licenciées nécessite beaucoup moins de capital qu’une simple mise à niveau logicielle 3G. Les questions auxquelles il faut répondre pour comparer les différentes technologies LPWAN sont : • Flexibilité pour cibler une grande variété d’applications • Le protocole de communication est-il sécurisé ? • Aspects techniques — portée, capacité, communication bidirectionnelle, robustesse face aux interférences • Coût de déploiement du réseau, coût du BOM des nœuds finaux, coût de la batterie (principal contributeur au BOM) • Écosystème de fournisseurs de solutions pour des modèles économiques flexibles • Disponibilité de produits finaux pour assurer le ROI du déploiement réseau • Solidité de l’écosystème pour assurer la qualité et la longévité de la solution
6. Coût LPWAN vs systèmes hérités
LoRaWAN™ permet des économies significatives sur le déploiement et l’infrastructure requise par rapport aux systèmes existants. L’analyse ci-dessous est réalisée par Talkpool, qui possède une expérience significative dans le déploiement de solutions basées sur WMBus et LoRa®.
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