LoRa: Long Range Wireless pour l'Internet des objets

Sans fil longue portée (LoRa)

LoRa est une norme française de réseau sans fil actuellement détenue et développée par la société californienne Semtech et supervisée par l'Alliance LoRa. Le protocole décrit un réseau LP-WAN (Low Power Wide Area Network) caractérisé par sa capacité à prendre en charge des transmissions sur de longues distances et une faible consommation d'énergie. Ce protocole de couche physique spécifie des débits de données allant jusqu'à 253 kbit/s à l'aide de la modulation CSS (Chirp Spread Spectrum). Au fil du temps, la taille des chipsets propriétaires LoRa a diminué et amélioré l'autonomie de la batterie et la puissance de transmission, ce qui en fait une solution clé pour la technologie de l'Internet des objets.

Bandes de fréquences LoRa

LoRa utilise les bandes de fréquences sans licence suivantes:

• 915 MHz en Amérique du Nord: Ne nécessite pas de licence. Même bande que le GSM (3G).
• 868 MHz en Europe
• 433 MHz en Asie

La bande de fréquence 915

915 MHz est la fréquence centrale de ce que l'on appelle la bande des 33 centimètres, qui est nommée d'après la longueur d'onde à cette fréquence. Elle est également connue sous le nom de bande 900 MHz et s'étend de 902 MHz à 928 MHz. La bande de fréquences de 915 MHz est désignée par l'Union internationale des télécommunications (UIT) comme une bande de fréquences industrielle, scientifique et médicale (ISM) sans licence , ce qui signifie qu'elle peut être utilisée dans le monde entier pour les réseaux LoRa avec une restriction minimale. Sa capacité à prendre en charge efficacement les transmissions à longue portée est avantageuse. D'autres utilisations notables de cette bande de fréquences incluent la radio amateur, comme nous le verrons plus loin.

Pourquoi les antennes LoRa sont-elles importantes?

L'antenne 915 MHz utilisée pour la mise en réseau LoRa prend en charge une connectivité longue portée comparable aux fréquences plus basses comme la bande 433 MHz (bien que les antennes 915 MHz aient un gain plus élevé). Aux États-Unis, l'utilisation de la bande 433 MHz est limitée par les réglementations de la FCC, de sorte que cette bande de fréquence supérieure est la seule bande sub-gigahertz disponible pour prendre en charge la connectivité LoRa.

Propagation du signal à 915 MHz

La ligne de visée est le principal moyen de transmission du signal, ce qui signifie que les antennes et les répéteurs de 915 MHz sont souvent installés à une hauteur au-delà des obstacles tels que les bâtiments ou les collines. Avec une puissance d'émission équivalente, le signal d'une antenne LoRa de 915 MHz peut parcourir environ 75 % de la distance d'une antenne de 433 MHz. La pénétration des bâtiments et des fenêtres est efficace, surtout par rapport aux fréquences plus élevées comme 2,4 GHz.

Antennes 915 MHz pour les réseaux sans fil LoRa

L'utilisation par LoRa d'antennes de bande de 33 centimètres repose sur la modulation à spectre étalé pour obtenir des débits de données compétitifs avec une utilisation efficace de la bande passante et de la consommation d'énergie.

Les principales caractéristiques de la connectivité LoRa:

1. Évolutivité de la bande passante et de la fréquence
2. Faible puissance de sortie des émetteurs
3. Résistance aux interférences dans la bande et hors bande
4. Résilience de la transmission du signal contre les évanouissements et le décalage Doppler
5. Prise en charge de la connectivité longue portée
6. Capacité à prendre en charge des réseaux à haute capacité
7. Possibilité de prendre en charge la localisation via des nœuds en réseau

La technique de modulation utilisée est dérivée du Chirp Spread Spectrum (CSS). Il s'agit d'augmenter la bande passante du signal transmis pour compenser la dégradation du rapport signal/bruit et de faire varier le débit de données pour améliorer la couverture ou le taux de consommation d'énergie selon les besoins. Cela rend également les transmissions résistantes aux évanouissements par trajets multiples sans augmenter la puissance de transmission. Pour obtenir des performances à faible consommation d'énergie et à grande échelle, les données sont le principal compromis. Les données sont décomposées et encodées en plusieurs « gazouillis » qui sont transmis ou « propagés » à des rythmes variables (en utilisant des changements de fréquence), en fonction de la disponibilité du temps d'antenne. Le taux de chirp est connu sous le nom de facteur d'étalement (SF). Ce débit binaire évolutif facilite l'utilisation la plus efficace du réseau. La correction d'erreur directe est également utilisée pour éviter les interférences.

Le protocole réseau WAN LoRa

Ce protocole de réseau est développé pour LoRa et spécifie l'architecture du système (point à multipoint), le contrôle (fréquences utilisées et débits de données) et la communication au sein des réseaux LoRa déployés. Les appareils individuels en réseau ne transmettront que là où ils ont des données à envoyer. Les données de l'émetteur sont reliées via plusieurs nœuds en amont au serveur central du réseau dans une topologie en étoile. La mise en réseau LoRa peut être limitée dans la mesure où il n'est pas prévu de transmettre les accusés de réception des données aux nœuds en aval. La couverture peut aller jusqu'à 15 kilomètres (10 miles). Il existe trois classes de communication de nœud:

• La classe A implique la diffusion asynchrone de nœuds (chaque fois qu'ils en ont besoin). Lorsqu'ils n'ont pas de données, ils restent dormants.
• La classe B implique une communication centrale avec les nœuds via des messages de balise diffusés à intervalles réguliers. Les nœuds de réception sont alimentés par batterie et sont donc capables d'écouter à intervalles réguliers le signal transmis.
• La classe C est constituée de nœuds « actifs » alimentés en continu qui peuvent recevoir des signaux à tout moment. Il ne s'agit pas d'une entreprise à faible consommation d'énergie et nécessite généralement une alimentation secteur.

Antennes IoT 915 MHz

LoRa est l'une des technologies clés qui devraient sous-tendre l'expansion imminente de l'Internet des objets (IoT). Les appareils en réseau IoT utilisent souvent des réseaux à haut débit comme le WiFi ou le réseau cellulaire, mais LoRa offre la possibilité de développer une connectivité mieux adaptée aux exigences des systèmes basés sur des capteurs qui n'envoient peut-être que des paquets de données minuscules à intervalles irréguliers. LoRa permet également aux appareils IoT d'être utilisables dans des endroits éloignés où l'alimentation est irrégulière et où l'on dépend de batteries qui peuvent durer jusqu'à 10 ans sur le terrain.

Pour intégrer la connectivité LoRa dans un appareil, un chipset compatible LoRa sous licence Semtech. L'alliance LoRa comprend plus de 500 entreprises qui ont développé des solutions avec l'interopérabilité LoRa et contribuent à son écosystème mondial de solutions sur un marché de plusieurs milliards de dollars. Lentement, les puces compatibles LoRa sont intégrées dans une gamme d'appareils sans fil tels que les ordinateurs portables et les appareils électroménagers.

Les applications LoRa couvrent l'ensemble de l'industrie mondiale, et le déploiement de cette technologie est si répandu qu'elle établit la norme pour la connectivité LP-WAN et l'IoT/M2M,  et éclipse les technologies concurrentes telles que NB-IOT ou SigFox. Les secteurs où les déploiements de réseaux LoRa sont actifs sont les suivants:

• Surveillance écologique
• Agriculture
• Comptage des services publics
• Suivi des stocks
• Automobile

Alternatives de connectivité longue portée à faible consommation d'énergie à LoRa

Antennes SigFox 915 MHz

Les antennes 915 MHz  peuvent également être utilisées pour la connectivité SigFox qui utilise la même fréquence que LoRa. SigFox est une technologie LP-WAN qui utilise la modulation par déplacement de phase binaire différentielle (DBPSK) et la modulation par déplacement de fréquence gaussienne (GFSK) pour la connectivité sub gigahertz entre les objets en réseau. Il utilise une topologie en étoile à un bond qui dépend fortement des antennes 915 Mhz de haute qualité pour un fonctionnement optimal. Il a un débit de données de 100 bps avec une communication bidirectionnelle limitée et est déployé dans plus de 60 pays.

Autres applications qui utilisent la bande de fréquence 915 MHz

La bande de 33 centimètres est également attribuée à l'utilisation des radioamateurs, avec la mise en garde qu'il peut y avoir une vulnérabilité aux interférences des appareils qui l'utilisent comme bande ISM. Une gamme d'activités amateurs comme la télévision amateur (ATV) et les communications radio comme les appels FM, CW et SSB à l'aide d'une gamme de matériel auto-construit ou modifié. Les passionnés trouvent que la propagation à cette fréquence est similaire à la propagation dans la bande des 70 centimètres. Les antennes externes 915 MHz peuvent être utilisées avec des radios, des répéteurs et des amplificateurs.

Principaux types d'antennes LoRa 915 MHz

Les antennes pour les réseaux LoRa sont disponibles dans une variété de types avec une bonne gamme de caractéristiques qui soutiendront la couverture et le fonctionnement efficaces d'un réseau LoRa. Ces antennes peuvent également être utilisées pour les applications 915 MHz / 33 centimètres, comme nous le verrons plus loin. Beaucoup de ces antennes sont équipées de  connecteurs SMA, RP-SMA ou TNC, mais  le type de connecteur doit être soigneusement vérifié pour garantir la compatibilité.

[A] Antenne fouet quart d'onde 915 MHz

Ces antennes ont un élément conducteur qui est un quart de la longueur d'onde à 915 MHz. Certains sont enfermés dans un boîtier moulé, mais les antennes fouet sont très flexibles et résistantes aux chocs. Certaines unités peuvent avoir un plomb volant pour une plus grande facilité de montage.

[B] Antenne tronquée 915 MHz

Les antennes tronquées sont essentiellement des antennes hélicoïdales qui sont compressées en une unité compacte et portable, ce qui peut être avantageux dans certaines applications. Les antennes hélicoïdales ont un élément rayonnant enroulé qui réduit également la longueur de l'antenne, mais pas autant qu'une antenne tronquée.

[C] Antenne dipôle 915 MHz pivotante ou articulée

Les antennes articulées ou rotatives sont hautement réglables et se verrouillent généralement en position lorsque leur couverture optimale a été atteinte. Leur flexibilité augmente également les possibilités de montage. Beaucoup sont des antennes dipôles demi-ondes.

[D] Antenne omnidirectionnelle 915 MHz

Les antennes omnidirectionnelles sont des antennes dipôles et peuvent être utilisées pour créer une couverture intérieure ou extérieure à 360 degrés. Ils ont tendance à avoir des gains plus faibles que les antennes directionnelles car leur faisceau n'est pas focalisé. Cela signifie que le fait de s'appuyer sur une seule antenne omnidirectionnelle peut ne pas produire la couverture souhaitée et qu'une combinaison de types d'antennes sera nécessaire pour obtenir les meilleurs résultats. Les antennes omnidirectionnelles extérieures sont robustes avec un radôme étanche bien scellé et une gamme d'options de montage. Certains modèles sont des antennes à montage traversant, d'autres sont pré-montés sur un support métallique avec un câble de démarrage fourni.

[E] Antenne directionnelle 915 MHz

Les antennes directionnelles concentrent leur puissance d'émission ou de réception dans une direction spécifique, ce qui les rend capables de fournir un gain élevé et des performances à longue distance.

[F] Antenne colinéaire 915 MHz

Ces puissantes antennes omnidirectionnelles offrent une   couverture extérieure étendue. Idéalement, ils doivent être montés en hauteur et être dégagés pour une visibilité en ligne de mire. Ils sont généralement constitués d'éléments en quart, demi-onde ou dipôle mis en phase pour offrir une couverture optimale du plan horizontal. Ils sont logés dans un radôme de protection en fibre de verre.

Foire aux questions

Quelles sont les différences entre LoRa et SigFox?

SigFox se positionne davantage comme un opérateur de réseau que LoRa, qui fournit la technologie que les entreprises peuvent utiliser pour créer leurs réseaux. SigFox déploiera son réseau pour que les abonnés puissent l'utiliser.

• Les réseaux SigFox ont tendance à être plus simples que les réseaux LoRa.
• La couverture de SigFox est plus importante que celle de LoRa.
• LoRa avec CSS utilise beaucoup plus de bande passante que SigFox.
• SigFox est conçu pour une transmission peu fréquente et a une plus longue durée de vie de la batterie.
• Il n'a qu'une communication bidirectionnelle très limitée entre les nœuds participants. LoRa est légèrement plus sophistiqué.
• Les modules radio et les chipsets sont moins chers que ceux de LoRa.
• Il est efficace lorsque les capteurs transmettent des données de manière peu fréquente.
• SigFox montre actuellement une meilleure efficacité pour prévenir les attaques par rejeu et par l'homme du milieu>.

Quelles sont les différences entre LoRa et NB-IoT?

1. L'Internet des objets à bande étroite (NB-IoT) est une  technologie LTE sous licence créée par le projet de partenariat de troisième génération (3GPP).
2. Il utilise la technologie cellulaire pour sa mise en réseau.
3. LoRa utilise des bandes ISM sans licence, tandis que NB-IoT utilise une partie du spectre sous licence.
4. Le NB-IoT est plus cher que le LoRa.
5. NB-IoT est plus sécurisé que LoRa.
6. LoRa utilise moins de bande passante.
7. LoRa a une plus grande autonomie de batterie.
8. LoRa a une latence plus faible.

Quelles sont les différences entre 915 MHz et 433 MHz?

Les bandes de fréquences 915 MHZ et 433 MHz sont utilisées pour les réseaux étendus à faible consommation. La bande 433 MHz est soumise aux restrictions de la FCC aux États-Unis, ce qui signifie que la bande 915 MHz est préférentiellement utilisée pour ce type de connectivité en Amérique du Nord. La bande 433 MHz peut être sujette à moins d'interférences car les téléphones sans fil et autres appareils utilisent la bande 915 MHz ainsi que la radio amateur. Il est intéressant de noter que leurs performances sont presque équivalentes, bien que la bande 915 Mhz ait une couverture moindre et des antennes plus petites, en raison de la longueur d'onde plus courte.

Antenne LoRa: Une antenne longue portée ou LoRa est une antenne qui résonne à des fréquences qui la rendent apte à fonctionner conformément au protocole de réseau propriétaire LoRa. Ces antennes de fréquence sub gigahertz facilitent les transmissions longue distance à faible débit, pouvant dépasser 10 kilomètres (6,21 miles). En Amérique du Nord, la fréquence 915 MHz est spécifiée pour être utilisée par cette technologie, ce qui signifie que les antennes 915 MHz sont généralement associées à LoRa sur le marché américain.

En conclusion

La bande de fréquences 915 MHZ présente une efficacité et une robustesse démontrables pour les réseaux étendus à faible consommation d'énergie, et fournit le support nécessaire pour la gamme en plein essor d'applications IoT. LoRa, en particulier, a fourni une technologie accessible et facilement reproductible pour les réseaux IoT, qui présente un profil favorable par rapport à ses concurrents les plus proches.