Passerelles LoRa: principale tendance IoT pour 2022 et au-delà

LoRa, qui signifie « longue portée », est un type de réseau LPWA (Low Power Wide Area) qui a démontré d'excellentes performances dans la prise en charge des applications IoT, en particulier lorsque les appareils IoT sont alimentés par batterie et transmettent leurs données sur de longues distances. Les LoRaWAN sont configurés et mis à l'échelle à l'aide d'un composant réseau clé connu sous le nom de passerelle LoRa qui transfère les données de manière bidirectionnelle entre l'appareil IoT et le serveur de réseau LoRaWAN (LNS) ou des plates-formes propriétaires qui gèrent les données, comme The Things Network ou AWS IoT Core pour LoRaWAN.

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L'acquisition de LoRa Gateways est une tendance clé de l'IoT au milieu de la décennie.

À mesure que les réseaux LoRa se sont répandus, il y a eu une demande croissante de passerelles LoRa qui peuvent être utilisées pour construire des réseaux privés ou personnalisés. Des passerelles sont mises en place par des particuliers pour fournir des réseaux LoRa accessibles au public, parfois en contrepartie d'une rémunération en cryptomonnaies. Cette nouvelle méthode décentralisée de fourniture d'une couverture de réseau LoRa à grande échelle dans les villes et les régions est dirigée par The Helium Network et transforme les passerelles LoRa en produits de consommation.

Cet article explique ce que sont les passerelles LoRa et comment ces éléments critiques du matériel réseau fonctionnent dans l'architecture du système LoRA. L'effet des antennes LoRa utilisées avec les passerelles LoRa sur les performances du réseau est également brièvement exploré.

Qu'est-ce qu'une passerelle LoRa?

Une passerelle LoRa est essentiellement un type de routeur capable de concentrer les signaux LoRa acquis à partir d'appareils IoT pour les transmettre à un serveur basé sur Internet. Les passerelles LoRa peuvent également être appelées radios, concentrateurs ou stations de base.

Les passerelles LoRa ne peuvent recevoir que des paquets de données LoRa et transportent une antenne très sensible à cet effet. Ils collectent et concentrent les signaux LoRa à longue portée et à bande étroite de faible puissance et les transfèrent sur Internet via des technologies de réseau à large bande passante telles que le WiFi ou Ethernet et à l'aide de TCP/IP. Au sein d'un réseau, une ou plusieurs passerelles sont capables de recevoir et de transmettre simplement sur le LoRa les signaux qu'elles ont acquis. Au niveau de la couche serveur réseau et application, il y a la gestion du flux entrant de la passerelle qui peut inclure des signaux en double. Étant donné que la passerelle remplit une fonction de base, elle est capable de prendre en charge un grand nombre d'appareils IoT.

À quoi sert une passerelle LoRa?

La passerelle LoRa est un composant fondamental d'un réseau IoT LoRa. Étant donné que les nœuds LoRa sont répartis sur une large zone, ils s'appuient sur la passerelle LoRa pour établir une connexion Internet gérée afin de transmettre leurs données vers des plateformes IoT basées sur le cloud où elles peuvent être traitées.

Les passerelles peuvent participer au trafic de données bidirectionnel entre les appareils IoT en aval et les serveurs réseau en amont ou le Cloud computing basé sur Internet. Les paquets de données de liaison montante sont souvent transmis avec l'ajout de métadonnées clés telles que l'indicateur d'intensité du signal reçu (RSSI) et le rapport signal/bruit (SNR). Les paquets de liaison descendante incluent les demandes transmises par le serveur de réseau LoRa pour être relayées aux nœuds finaux. La passerelle ne traite en aucun cas sa charge utile, elle se contente de relayer, à la manière d'un routeur, les paquets de liaison montante et descendante qui lui parviennent. Le serveur réseau LoRa est responsable du traitement et de l'analyse des paquets de données qu'il reçoit des nœuds finaux via la passerelle. Il dispose de fonctions beaucoup plus complexes associées à la gestion du réseau LoRa, notamment le filtrage des données dupliquées, la mise en œuvre des processus de gestion du réseau et la transmission des données vers le Cloud.

Composants de la passerelle LoRa

Les passerelles LoRa sont capables de fournir une connectivité multicanal bidirectionnelle sur plusieurs kilomètres carrés, avec une portée plus longue réalisable si une antenne LoRa externe appropriée est utilisée. Les passerelles sont disponibles pour une utilisation intérieure et extérieure, avec une bonne pénétration du signal LoRa dans les bâtiments et à travers les murs. Les passerelles LoRa extérieures sont généralement logées dans des boîtiers robustes qui peuvent résister à des conditions difficiles et sont livrées avec un support pour un montage sur poteau ou mural.

Les passerelles LoRa sont composées de 5 modules clés qui fonctionnent ensemble pour fournir son fonctionnement de type routeur:

1. Module de contrôleur: le module de contrôleur supervise toutes les fonctions de contrôle au sein de la passerelle. En particulier, le programme de transfert de paquets est responsable de l'exécution du protocole de communication qui existe entre la passerelle LoRa et le serveur réseau LoRa.

2. Module de localisation: Ce module est responsable de la localisation de la passerelle et de la synchronisation temporelle. Certaines passerelles LoRa embarquent une connectivité GPS qui est utilisée pour fournir des données de localisation avec une précision de 5 mètres près. D'autres passerelles ne transportent pas de module GPS et utilisent la triangulation à des fins de localisation. Les données GPS du module de localisation sont systématiquement transférées vers le module de contrôle.

3. Module de gestion de l'alimentation: Ce module s'occupe de l'alimentation de la passerelle. Une passerelle peut utiliser une alimentation CA ou CC ou une alimentation par Ethernet.

4. Module LoRa: Le module LoRa embarque des émetteurs-récepteurs très sensibles capables de communiquer multicanaux bidirectionnels. Un signal acquis est concentré et transféré à un processeur de bande de base via une interface périphérique série (SPI). Le processeur de bande de base dispose de chemins de démodulation parallèles pour chaque canal LoRa qui peuvent démoduler simultanément les données entrantes de chaque canal et les préparer pour la transmission ultérieure.

5. Module de communication: Les passerelles LoRa doivent se connecter à Internet pour échanger des données avec le serveur réseau LoRa. Selon la conception spécifique, les passerelles LoRa transporteront des modules radio pour la connectivité WiFi, cellulaire (3G ou 4G/LTE) ou Ethernet avec le serveur réseau LoRa.

Les passerelles sont conçues simplement avec un micrologiciel minimal, ce qui permet de réduire le coût de la passerelle. Les passerelles plus sophistiquées peuvent avoir un système d'exploitation intégré qui offre la possibilité de gérer et de personnaliser une fonction de passerelle ou d'installer un logiciel spécifique

Les passerelles LoRa privées sont essentielles à l'émergence des réseaux IoT peer-to-peer à l'aide de LoRa.

La simplicité, les performances et le faible coût de mise en œuvre de LoRa ont conduit à l'adoption généralisée du réseau LoRa, tant pour la création d'un réseau privé que pour l'établissement de vastes réseaux LoRa décentralisés accessibles au public. L'adoption par les consommateurs des réseaux et des passerelles LoRa a été un facteur clé de l'importance de LoRa en tant que technologie IoT. En particulier, deux réseaux peer-to-peer à grande échelle innovent en fournissant des réseaux à l'échelle de la ville, du pays et même de l'international de passerelles LoRa en libre accès gérées par des particuliers. Il s'agit de:

• Le réseau Things

Le Things Network est un réseau LoRa international composé de passerelles LoRa déployées en privé. L'équipe néerlandaise à l'origine de cette solution de réseau LoRaWAN a d'abord atteint une couverture à l'échelle de la ville d'Amsterdam et s'est ensuite étendue à l'échelle mondiale. Il est maintenant disponible dans plus de 100 pays et offre un réseau LoRa gratuit et en libre accès. Les participants à ce réseau se procurent eux-mêmes leur passerelle LoRa et leurs antennes, en utilisant les protocoles réseau, le serveur réseau et les serveurs d'applications fournis par The Things Network.

• Le réseau Helium

Le réseau Helium est un autre réseau LoRa décentralisé qui est devenu important depuis sa création en 2013. Helium est basé sur la technologie LoRaWAN mais a été adapté pour inclure la rémunération des participants avec de la cryptomonnaie via un processus Blockchain. Les passerelles LoRa à l'hélium sont appelées mineurs. Ceux-ci sont achetés auprès d'Helium et configurés pour miner la crypto-monnaie Helium, appelée Helium Network Tokens (HNT) tout en fournissant le temps de fonctionnement d'une passerelle LoRa au sein du réseau Helium. Le réseau Helium exploite plus de 40 000 passerelles ou points d'accès et fournit une couverture à plusieurs fournisseurs de solutions IoT commerciales.

• Antennes pour passerelles LoRa

Toutes les passerelles LoRa seront équipées d'une antenne LoRa interne ou externe. La sensibilité et la couverture d'une passerelle LoRa seront déterminées par son antenne, qui doit bien sûr correspondre à la fréquence des nœuds finaux. L'antenne est plus importante que la passerelle pour déterminer la portée qui peut être atteinte. Le positionnement est essentiel et une antenne bien placée avec peu d'obstructions devrait être en mesure de recevoir des données de plusieurs nœuds en raison de la vitesse de propagation du signal.

Les antennes LoRa généralement utilisées sont des antennes LoRa omnidirectionnelles à gain élevé qui peuvent être montées en hauteur. Un diagramme de rayonnement optimal d'une antenne LoRa signifie qu'un gain de 3 à 5 dBi devrait être adéquat pour la plupart des configurations de passerelle. Une antenne extérieure peut être connectée via une courte longueur de  connecteurs coaxiaux étanches et  de radiofréquence SMA à une passerelle intérieure.

Les passerelles LoRa n'ont pas besoin d'une licence pour fonctionner car elles fonctionnent dans les bandes de fréquences industrielles, scientifiques et médicales (ISM) sans licence,  qui comprennent 169 MHz, 433 MHz, 868 MHz (en Europe) et 915 MHz (en Amérique du Nord). Cependant, il peut y avoir des limites de transmission pour une antenne ainsi que des lois de zonage ou d'urbanisme qui restreignent l'endroit où les antennes LoRa Gateway peuvent être installées.

En plus de l'antenne LoRa, une passerelle LoRa peut également transporter des antennes cellulaires (3G, 4G/LTE ou 5G) et/ou  WiFi  pour prendre en charge la connectivité Internet pour la transmission ultérieure des données. Ces antennes sont généralement internalisées dans la passerelle.

Antennes hautes performances pour passerelles LoRa de Data Alliance

Alliance des données de Antennes LoRa La sélection de l'antenne présentant les bonnes caractéristiques pour une passerelle LoRa spécifique est un processus simple. Si externe Wifi ou antennes cellulaires sont nécessaires, ceux-ci sont également disponibles. Toutes les antennes sont conformes à la directive RoHS et fabriquées selon les normes les plus élevées avec des matériaux de qualité qui offrent une bonne longévité. Pour des demandes spécifiques ou des commandes importantes, l'équipe peut apporter son expertise et son assistance par téléphone ou par email.