- Caractéristiques de LoRa
- LoRaWAN
- L'architecture réseau LoRaWAN
- 1. Appareils terminaux
- 2. Passerelles
- 3. Serveur réseau
- 4. Serveur d'applications
- Sécurité et confidentialité LoRaWAN
- Principales caractéristiques de LoRAWAN
- Avantages de LoRa
La communication est l'une des parties les plus importantes de tout projet IoT. La capacité d'une chose à communiquer avec d'autres «choses» (un cloud / serveur d'appareil) est ce qui donne à la «chose» le droit d'attacher «Internet» à son nom. Alors que des tonnes de protocoles de communication existent, chacun d'entre eux manque d'une chose ou d'une autre qui les rend «pas totalement adaptés» aux applications IoT. Les principaux problèmes étant la consommation d'énergie, la portée / couverture et la bande passante.
La plupart des radios de communication comme Zigbee, BLE, WiFi entre autres sont de courte portée et d'autres comme, 3G et LTE, sont gourmandes en énergie et l'étendue de leurs zones de couverture ne peut être garantie, en particulier dans les pays en développement. Bien que ces protocoles et modes de communication fonctionnent pour certains projets, cela apporte une limitation étendue comme; difficultés de déploiement des solutions IoT dans les zones sans couverture cellulaire (GPRS, EDGE, 3G, LTE / 4G) et réduction brutale de l'autonomie des appareils. Ainsi, en envisageant l'avenir de l'IoT et la connexion de toutes sortes de «choses», situées dans toutes sortes d'endroits, il y avait un besoin d'un support de communication sur mesure pour l'IoT qui supporte ses exigences de faible puissance spécifiquement, significativement longue portée, bon marché, sécurisé et facile à déployer. C'est là qu'intervient LoRa.
LoRa (qui signifie Long Range) est une technologie de communication sans fil brevetée qui combine une consommation d'énergie ultra-faible avec une longue portée efficace. Alors que la portée dépend fortement de l'environnement et des obstructions possibles (LOS ou N-LOS), LoRa a généralement une portée comprise entre 13 et 15 km, ce qui signifie qu'une seule passerelle LoRa peut couvrir une ville entière, et avec quelques autres, un tout pays. La technologie a été développée par Cycleo en France et s'est imposée lors de l'acquisition de la société par Semtech en 2012. Nous avons utilisé des modules LoRa avec Arduino et avec Raspberry Pi et ils ont fonctionné comme prévu.
Caractéristiques de LoRa
Une radio LoRa comprend quelques fonctionnalités qui l'aident à obtenir une puissance efficace à longue portée et à faible coût. Certaines de ces caractéristiques comprennent:
- Technique de modulation
- La fréquence
- Débits de données adaptatifs
- Niveaux de puissance adaptatifs
Modulation
Les radios Lora utilisent la technique de modulation à spectre étalé chirp pour obtenir une plage de communication considérablement élevée tout en conservant des caractéristiques de faible puissance similaires aux radios basées sur la couche physique de modulation FSK. Alors que la modulation à spectre étalé chirp existe depuis un certain temps avec des applications dans les communications militaires et spatiales, LoRa présente la première application commerciale à faible coût de la technique de modulation.
La fréquence
Alors que la technologie LoRa est indépendante de la fréquence, la communication entre les radios LoRa se fait via l'utilisation de bandes de fréquences radio sub-GHz sans licence disponibles dans le monde entier. Ces fréquences varient d'une région à l'autre et souvent aussi d'un pays à l'autre. Par exemple, le 868 MHz est couramment utilisé pour les communications LoRa en Europe, tandis que le 915 MHz est utilisé en Amérique du Nord. Quelle que soit la fréquence, LoRa peut être utilisé sans aucune variation majeure de la technologie.
Bandes de fréquences pour LoRa dans différents pays
L'utilisation de fréquences plus basses que celles des modules de communication comme le WiFi basé sur les bandes ISM 2,4 ou 5,8 GHz permet une zone de couverture beaucoup plus grande, en particulier pour les situations NLOS.
Il est important de noter que des autorisations sont encore requises dans certains pays avant que les bandes sans licence puissent être utilisées.
Débit de données adaptatif
LoRa utilise une combinaison de bande passante variable et de facteurs d'étalement (SF7-SF12) pour adapter le débit de données dans un compromis avec la plage de transmission. Un facteur d'étalement plus élevé permet une portée plus longue au détriment d'un débit de données inférieur, et vice versa. La combinaison de bande passante et de facteur d'étalement peut être choisie en fonction des conditions de liaison et du niveau de données à transmettre. Ainsi, un facteur d'étalement plus élevé améliore les performances de transmission et la sensibilité pour une bande passante donnée, mais il augmente également le temps de transmission en raison de débits de données inférieurs. Ceux-ci peuvent varier d'aussi peu que 18 bps à 40 kbp
Niveau de puissance adaptatif
Le niveau de puissance utilisé par les radios LoRa est adaptatif. Cela dépend de facteurs tels que le débit de données et les conditions de liaison, entre autres. Lorsqu'une transmission rapide est requise, la puissance émise est poussée plus près du maximum et vice versa. Ainsi, la durée de vie de la batterie est maximisée et la capacité du réseau maintenue. La consommation d'énergie dépend également de la classe d'appareils parmi plusieurs autres facteurs.
LoRaWAN
LoRaWAN est une norme de réseau étendu (LPWAN) de grande capacité, longue portée, ouverte et à faible consommation conçue pour les solutions IoT alimentées par LoRa par la LoRa Alliance. Il s'agit d'un protocole bidirectionnel qui tire pleinement parti de toutes les fonctionnalités de la technologie LoRa pour fournir des services, notamment la livraison de messages fiables, la sécurité de bout en bout, la localisation et les capacités de multidiffusion. La norme garantit l'interopérabilité des différents réseaux LoRaWAN dans le monde.
Il y a généralement une confusion lorsque les gens essaient de définir LoRa et LoRaWAN, ce qui est probablement mieux résolu en examinant le modèle de pile de référence OSI.
En termes simples, sur la base du modèle de pile OSI, LoRaWAN correspond au protocole Media Access pour le réseau de communication tandis que LoRa correspond à la couche physique. Ainsi LoRaWAN définit le protocole de communication et l'architecture du système pour le réseau, tandis que l'architecture LoRa permet la liaison de communication longue portée. Les deux ont fusionné pour fournir la fonctionnalité qui détermine la durée de vie de la batterie d'un nœud, la capacité du réseau, la qualité de service, la sécurité et d'autres applications servies par le réseau. Alors que LoRaWAN est la couche MAC la plus populaire pour LoRa, d'autres couches propriétaires qui sont également basées sur la technologie LoRa existent. Un bon exemple est Symphony Link de Link Labs, spécialement développé pour les applications industrielles.
L'architecture réseau LoRaWAN
Opposé à la topologie de réseau maillé adoptée par la plupart des réseaux, LoRaWAN utilise l'architecture de réseau en étoile, donc, plutôt que d'avoir chaque périphérique dans un état presque toujours allumé, répétant la transmission d'autres périphériques pour augmenter la portée, les périphériques finaux dans le réseau LoRaWAN communiquent directement avec les passerelles et ne sont activées que lorsqu'elles ont besoin de communiquer avec la passerelle, car la portée n'est pas un problème. Ceci est un facteur contribuant aux fonctionnalités de faible consommation et à la durée de vie de la batterie élevée obtenues dans les appareils d'extrémité LoRa
L'architecture de réseau LoRa comprend quatre parties principales;
1. Appareils terminaux
2. Passerelles
3. Serveur réseau
4. Serveur d'applications
1. Appareils terminaux
Ce sont des capteurs ou des actionneurs à la périphérie du réseau. Les appareils finaux servent différentes applications et ont des exigences différentes. Afin d’optimiser une variété de profils d’applications finales, LoRaWAN ™ utilise trois classes de périphériques différentes pour lesquelles les périphériques peuvent être configurés. Les classes proposent des compromis entre la latence de la communication descendante et la durée de vie de la batterie de l'appareil.Les trois classes principales sont;
1. Dispositifs terminaux bidirectionnels (classe A)
2. Terminaux bidirectionnels avec créneaux de réception programmés (classe B)
3. Dispositifs d'extrémité bidirectionnels avec des fentes de réception maximales (classe C)
je. Appareils terminaux de classe A
Ce sont des appareils qui ne nécessitent qu'une communication descendante du serveur immédiatement après une liaison montante. Par exemple, ce sont des périphériques qui doivent recevoir une confirmation de remise des messages du serveur après une liaison montante. Pour cette classe de périphériques, ils doivent attendre qu'une liaison montante soit envoyée au serveur avant qu'une liaison descendante puisse être reçue. En conséquence, la communication est maintenue au minimum et ils ont ainsi la puissance la plus basse et la plus grande autonomie. Un bon exemple d'appareils de classe A est un compteur d'énergie intelligent basé sur LoRa
ii. Appareils terminaux de classe B
Ces dispositifs se voient attribuer des fenêtres de liaison descendante supplémentaires à intervalles planifiés en plus de la liaison descendante reçue lorsqu'une liaison montante est envoyée (classe A + une liaison descendante supplémentaire programmée). La nature planifiée de cette liaison descendante garantit que le fonctionnement est toujours à faible consommation car la communication n'est active qu'à des intervalles planifiés, mais la puissance supplémentaire consommée pendant la liaison descendante planifiée augmente la consommation d'énergie au-delà de celle des appareils de classe A, en tant que tels, ils ont une batterie inférieure durée de vie par rapport aux terminaux de classe A.
iii. Appareils d'extrémité de classe C
Ces classes d'appareils n'ont pas de limitation sur la liaison descendante. Ils sont conçus pour être presque toujours ouverts aux communications du serveur. Ils consomment plus d'énergie que les autres classes et ont la plus faible autonomie. De bons exemples d'appareils de classe C sont les terminaux utilisés dans la gestion de flotte ou la surveillance réelle du trafic.
2. Passerelles
Les passerelles (également appelées concentrateurs) sont des périphériques connectés au serveur de réseau via des connexions IP standard qui relaient les messages entre le serveur principal de réseau central et les périphériques finaux à l'aide d'un protocole de communication sans fil à un seul saut. Ils sont conçus pour prendre en charge la communication bidirectionnelle et sont équipés d'une multidiffusion permettant au logiciel d'envoyer des messages de distribution de masse tels que des mises à jour en direct.
Au cœur de chaque passerelle LoRa se trouve un démodulateur LoRa multicanal capable de décoder toutes les variantes de modulation LoRa sur plusieurs fréquences en parallèle.
Pour un opérateur de réseau à grande échelle, les principaux facteurs de distinction doivent être les performances radio (sensibilité, puissance d'émission), la connexion de la puce SX1301 à la passerelle MCU (USB vers SPI ou SPI vers SPI) et le support et la distribution de PPS signal dont la disponibilité permet une synchronisation précise de l'heure sur l'ensemble de la population de passerelles d'un réseau
LoRa répartit la communication entre les terminaux et les passerelles sur plusieurs canaux de fréquence et débits de données. La technologie à spectre étalé utilise des débits de données allant de 0,3 kbps à 50 kbps pour empêcher les communications d'interférer les unes avec les autres et crée un ensemble de canaux «virtuels» qui augmentent la capacité de la passerelle.
Pour maximiser à la fois la durée de vie de la batterie des appareils terminaux et la capacité globale du réseau, le serveur de réseau LoRa gère le débit de données et la sortie RF pour chaque appareil terminal individuellement via un schéma ADR (Adaptive Data Rate).
3. Serveur réseau
Le serveur Lora Network est l'interface entre le serveur d'applications et les passerelles. Il relaie les commandes du serveur d'applications vers la passerelle tout en acheminant les données des passerelles vers le serveur d'applications. Il exécute des fonctions telles que la garantie qu'il n'y a pas de paquets en double, la planification des accusés de réception et la gestion du débit de données et de la sortie RF pour chaque appareil terminal individuellement à l'aide d'un schéma de débit de données adaptatif (ADR).
4. Serveur d'applications
Le serveur d'applications détermine à quoi servent les données des périphériques finaux. La visualisation des données, etc. est probablement effectuée ici.
Sécurité et confidentialité LoRaWAN
L'importance de la sécurité et de la confidentialité dans toute solution IoT ne peut être surestimée. Le protocole LoRaWAN spécifie le cryptage pour garantir la sécurité de vos données, concrètement
* Clés AES128 par appareil
* Régénération / révocation instantanée des clés de l'appareil
* Chiffrement de la charge utile par paquet pour la confidentialité des données
* Protection contre les attaques de relecture
* Protection contre les attaques man-in-the-middle
LoRa utilise deux clés; Les clés de session réseau et de session d'application fournissent toutes deux une communication chiffrée et fractionnée pour la gestion du réseau et la communication des applications.
La clé de session réseau, partagée entre l'appareil et le réseau, est responsable de l'authentification des données du nœud d'extrémité tandis que la clé de session d'application, partagée entre l'application et le nœud d'extrémité, est chargée de garantir la confidentialité des données de l'appareil.
Principales caractéristiques de LoRAWAN
* Budget de liaison> 160 dB
* Puissance TX +20 dBm
* Exceptionnel IIP3
* Amélioration de la sélectivité de 10 dB par rapport à FSK
* Tolérant aux interférences en rafale dans le canal
* Courant RX le plus bas - 10mA
* Courant de sommeil le plus bas
* Réveil ultra-rapide (veillez à RX / TX)
Avantages de LoRa
Voici quelques-uns des avantages associés à LoRa;
1. Longue portée et couverture: Avec jusqu'à 15 km de portée LOS, sa portée ne peut être comparée à celle d'aucun autre protocole de communication.
2. Faible puissance: LoRa propose des radios hyper faible puissance, ce qui les rend idéales pour les appareils qui durent 10 ans ou