Expliquer LoRaWAN

Thomas Michaslki

25 juil. 2017 · 11 min de lecture

Au début des années 1990, la connexion à Internet a commencé comme un simple chemin direct. Aujourd’hui, les choses ont progressé et sont devenues plus complexes mais aussi plus performantes. Au lieu d'une seule connexion Ethernet à Internet, les microcontrôleurs et autres appareils peuvent se connecter via une longue liste de protocoles : Bluetooth, WiFi, BLE, ZigBee, 3G, 4G, 5G, NFC, RFID, SigFox, DigiMesh, Thread et 6LoWPAN pour nommez-en quelques-uns. Chacune de ces connexions joue un rôle précieux pour la connexion des appareils et la transmission de données, mais un protocole naissant que nous aimerions souligner est LoRaWan .

Comme ceux répertoriés ci-dessus, LoRaWAN est un réseau de connexion sans fil pour la communication de données vers Internet. LoRaWan se démarque rapidement à mesure qu'il devient connu et adapté aux applications IoT une connectivité longue portée et faible consommation à Internet sans WiFi. LoRaWan est une excellente solution pour les capteurs ou appareils distants alimentés par batterie qui communiquent sur de longues distances ou dans des endroits éloignés. LoRaWan a dit simplement que les données des paquets sont envoyées, si nécessaire, sur de longues distances vers la gateway qui transmet lesdits paquets de données au serveur pour le stockage, le calcul ou la visualisation.

Pour mieux connaître LoRaWAN, revenons à 2009, année où le précurseur de LoRaWAN appelé LPWAN a débuté en France :

LPWAN est un réseau étendu de télécommunication sans fil conçu pour permettre des communications longue portée à faible débit pour des objets (objets connectés), tels que des capteurs fonctionnant sur batterie avec une faible consommation d'énergie.
LPWAN permet la connectivité des réseaux d'appareils qui nécessitent moins de bande passante que celle fournie par l'équipement domestique standard.
LPWAN prennent également en charge davantage d'appareils sur une zone de couverture plus large que les technologies mobiles grand public et offrent de meilleures capacités de bidirectionnalité.
Les réseaux comme le WiFi et le Bluetooth sont plus adaptés aux IoT grand public , cependant, le LPWAN est plus abondant dans les applications IoT industrielles , civiques et commerciales.

LPWAN est le réseau cumulatif qui englobe LoRaWAN. Les deux ne sont donc pas synonymes, mais plutôt deux réseaux distincts. Le LPWAN est arrivé en premier, puis a adopté plusieurs réseaux qui avaient chacun leur éducation historique unique. Certains de ces réseaux adoptés incluent AlarmNet (qui a ensuite été acquis par Honeywell), le réseau 2G et LoRaWAN, qui a été créé par un groupe appelé LoRa Alliance en 2014 et fait partie des protocoles leaders et préférés pour les appareils connectés.

Comment fonctionne LoRaWAN :

REMARQUE : Une liste de termes et de définitions courants a été incluse à la fin de cet article sous forme de glossaire.

de l’infographie ci-dessus, les capteurs connectés à Internet sont appelés appareils finaux . Chaque fois que le capteur effectue une lecture, l'appareil envoie sous condition un signal (paquet de données) que la gateway doit capturer les données. Désormais, les données de la gateway utilisent FSK ( Frequency Shift Keying ) pour transmettre ces données aussi efficacement que possible au serveur à l'aide d'un processus appelé Chirp Spread Spectrum (CSS). Lorsque le paquet de données provenant du périphérique final pénètre dans les circuits de la gateway , il se présente sous forme de « chirps » ou de symboles qui représentent des informations numériques (comme ci-dessous). Le chirp est ensuite analysé jusqu'au domaine fréquentiel, puis un signal modulé pour un transport de données efficace.

Le matériel LoRa, après avoir converti le signal d'entrée dans le domaine fréquentiel, recherche dans la bande d'autres canaux de fréquence de meilleure qualité pouvant transporter le signal. Une fois que la gateway en a trouvé un, tout ce processus module la fréquence du signal d'entrée pour le rendre plus économe en énergie, puis « décale » (d'où le « S » dans FSK) le signal vers ce canal pour une transmission rapide des données.

Les appareils finaux et gateway interagissent en permanence les uns avec les autres afin que la transmission des données puisse « sauter » vers d'autres canaux de fréquence qui conviennent le mieux à la puissance, à la vitesse, au cycle de service et aux contraintes de portée du système.

Au cours de cette modulation de fréquence, d'autres circuits intégrés au sein de la gateway LoRa effectuent d'autres modulations « d'amélioration », comme le filtrage du bruit ou l'irrégularité que vous voyez dans un signal.

Une autre raison pour laquelle LoRaWAN est un réseau longue portée à faible consommation est grâce à un processus appelé ADR ( Adaptive Data Rate ). Tout comme la façon dont le processus FSK « décale » la fréquence du signal d'entrée pour augmenter l'efficacité, l'ADR « parle » au serveur du réseau LoRaWAN pour augmenter le débit de données . Voici comment se fait la « conversation » entre l’appareil et le serveur :

Les appareils finaux (nœuds) envoient constamment de liaison montante au serveur réseau de LoRaWAN. Ces messages de liaison montante contiennent de nombreuses informations sur les 20 derniers signaux du nœud.
Le serveur réseau analyse l'historique récent du nœud et effectue des comparaisons pour voir quelle est la « marge » disponible pour apporter des modifications.
Le réseau peut observer qu'il existe une « marge » pour sacrifier la portée au profit de quelque chose de plus utile, comme un débit de données plus rapide. (Remarquez sur le diagramme que la poubelle envoie ses données à plus gateway que n'importe lequel des autres appareils)
Au lieu d'envoyer des messages plus lents à des gateway éloignées, le serveur préfère que le périphérique final envoie un message rapide à une gateway à proximité.
Par conséquent, le ADR profite des opportunités qui augmenteront le débit de données. Si les sacrifices consentis aident le système à fonctionner plus efficacement, alors le sacrifice sera fait en utilisant l'ADR.

Une fois que la gateway a reçu et interprété un paquet de données à l'aide de la technologie LoRa, la gateway transmet les données au serveur réseau via des connexions IP standard, comme Ethernet ou 3G. Si le serveur réseau reçoit le même paquet de données de plusieurs gateway , il n'en traitera qu'une seule et ignorera les copies. Par conséquent, si le serveur reçoit trois paquets de données identiques parce que la poubelle est connectée à trois gateway dans notre illustration, alors un seul de ces paquets de données sera traité, ce qui permettra un transfert de données très précis et très efficace.

Compromis

Comme dans toute application d'ingénierie, il existe des compromis dans le monde de LoRaWAN en matière de puissance, de vitesse et de portée. Ce diagramme simple ci-dessous affiche les points à considérer.

Augmentation du temps du bit de données ——-> réduit le débit de données ——-> vitesse inférieure
Diminution du temps du bit de données ——-> augmente le débit de données ——-> vitesse plus élevée
Augmentation de la portée et réduction de la puissance ——-> vitesse inférieure
Augmentation de la portée et accélération de la vitesse ——–> nécessite une puissance plus élevée
Augmentation de la vitesse et réduction de la puissance——-> portée plus courte

Bandes de fréquences

LoRaWAN utilise des fréquences radio plus basses sur une portée plus longue et les bandes de fréquences diffèrent selon les pays.

Europe : bandes 863-870 MHz et 433 MHz (868 MHz utilisée par The Things Network). Trois canaux communs de 125 kHz pour la bande 868 MHz (868,10, 868,30 et 868,50 MHz) doivent être pris en charge par tous les appareils et réseaux.
USA : bande 902-928 MHz, divisée en 8 sous-bandes. Chacune de ces sous-bandes dispose de huit canaux de liaison montante de 125 kHz, d'un canal de liaison montante de 500 kHz et d'un canal de liaison descendante de 500 kHz. Contrairement aux canaux de fréquences européens, ceux des États-Unis sont classés en canaux de liaison montante et descendante.
Australie : bande 915-928 MHz. Les fréquences de liaison montante en Australie sont sur des fréquences plus élevées que dans la bande américaine. Cependant, les fréquences descendantes sont les mêmes que dans la bande américaine.
Chine : bande 779-787 MHz, avec trois canaux communs de 125 kHz (779,5, 779,7 et 779,9 MHz), et il existe également une bande 470-510 MHz, avec 96 canaux montants et 48 canaux descendants

Cours

LoRaWAN classe ses appareils finaux en trois classes différentes pour répondre aux différents besoins reflétés dans la large gamme d'applications.

Classe A :

ces appareils prennent en charge la communication bidirectionnelle entre un appareil et une gateway
catégorie de puissance la plus basse
Les appareils de classe A fonctionnent uniquement dans les applications où ils envoient une transmission en liaison montante et attendent une communication en liaison descendante du serveur peu de temps après.
les messages de liaison montante peuvent être envoyés à tout moment
après l'envoi d'un message de liaison montante, les appareils de classe A ouvrent deux fenêtres de réception à des heures spécifiées
le serveur peut répondre dans l'une ou l'autre fenêtre
le créneau de transmission (créneau horaire) programmé pour chaque fenêtre par l'appareil final est basé sur ses propres besoins de communication
si le serveur ne répond pas dans l'une ou l'autre de ces deux fenêtres de réception, la prochaine opportunité se présentera après la prochaine transmission montante

La première ligne du diagramme représente le processus chronologique du processus de liaison montante/descendante du périphérique final de classe A. Tout d’abord, il envoie un signal de liaison montante, attend, puis ouvre la première fenêtre de réception ; attend à nouveau, puis ouvre une deuxième fenêtre de réception. Les deux lignes suivantes démontrent réussie d'un signal de liaison descendante La dernière ligne démontre l'échec de la réception d'un signal de liaison descendante car il n'est capturé par le périphérique final dans aucune des fenêtres de réception.

Classe B :

Les appareils finaux de classe B sont bidirectionnels avec des emplacements de réception programmés, comme la classe A.
La différence : les appareils de classe B ouvrent supplémentaires à des heures programmées en plus des fenêtres de réception de classe A.
Contrairement aux appareils de classe A, qui ouvrent leurs fenêtres de réception en fonction de leurs propres besoins de communication, les appareils de classe B reçoivent une balise synchronisée dans le temps de la gateway , permettant au serveur de savoir quand l'appareil final « écoute ».

Classe C :

Les appareils de classe C sont bidirectionnels avec des emplacements de réception maximaux
Ces appareils ont des fenêtres de réception presque ouvertes en permanence, qui ne se ferment que lors de la transmission.
Cela permet une communication à faible latence mais consomme beaucoup plus d'énergie que les appareils de la classe

Activation en direct (OTAA)

Pour participer à un réseau LoRaWAN, chaque appareil final doit être personnalisé et activé . La fonctionnalité de ce processus est résumée dans ces étapes :

Pour l'activation en direct, les appareils finaux doivent suivre une procédure de jointure avant de participer aux échanges de données avec le serveur réseau.
La procédure de jointure nécessite que le périphérique final soit personnalisé avec les informations suivantes avant de démarrer la procédure de jointure : un identifiant de périphérique final unique au monde ( DevEUI ), l'identifiant de l'application ( AppEUI ) et une clé AES-128 ( AppKey ).
La procédure de jointure est constituée de deux messages MAC (media access control) échangés avec le serveur, à savoir une demande de jointure et une acceptation de jointure .
Le périphérique final envoie le message de demande de jointure composé de AppEUI et DevEUI du périphérique final suivi du DevNonce.
Le message de demande de jointure peut être transmis en utilisant n'importe quel débit de données et en suivant une séquence de sauts de fréquence efficace sur les canaux de jointure spécifiés.
Le serveur réseau répondra au message de demande de jointure par un message d'acceptation de jointure si le périphérique final est autorisé à rejoindre un réseau.
Après l'activation, les informations suivantes sont stockées dans l'appareil final : une adresse d'appareil ( DevAddr ), un identifiant d'application ( AppEUI ), une clé de session réseau ( NwkSKey ) et une clé de session d'application ( AppSKey ).

Si l'étape 7 réussit, l'OTAA est accompli.

Activation par personnalisation (ABP)

Dans certaines circonstances, les appareils finaux peuvent être activés par personnalisation. L'activation par personnalisation relie directement un appareil final à un réseau spécifique, en contournant la demande de jointure – procédure d'acceptation de jointure. Ainsi, contrairement à celui d'OTAA, le DevAddr et les deux clés de session NwkSKey et AppSKey sont directement stockés dans l'appareil final au lieu de DevEUI, AppEUI et AppKey. Simplement, l'appareil final est déjà équipé des informations requises pour participer à un réseau LoRa spécifique lors du démarrage.

L' avantage de l'ABP est qu'il se connecte facilement au réseau car l'appareil peut être rendu opérationnel en peu de temps, ce qui est très adapté à certaines applications. L' inconvénient est que les clés de cryptage permettant la communication avec le réseau sont préconfigurées dans l'appareil, ce qui affaiblit la sécurité.

Conclusion

Pour résumer, les points clés de LoRaWan :

LoRaWAN couvre de longues distances, ce qui le rend idéal pour les solutions urbaines et rurales
LoRaWAN consomme moins d'énergie, ce qui rend la technologie idéale pour les appareils alimentés par batterie
LoRaWAN fournit une communication à faible bande passante, ce qui en fait la solution idéale pour les déploiements IoT pratiques nécessitant moins de données.
Coûts de déploiement relativement faibles par rapport au mobile ou au WiFi en raison du nombre inférieur de dispositifs Gateway requis
LoRaWAN prend en charge la communication bidirectionnelle
Une seule Gateway LoRaWAN peut accueillir des milliers d'appareils ou de nœuds, plusieurs Gateway assurent la résilience des solutions intelligentes.

Glossaire des termes

Reportez-vous à cette section pour connaître les définitions des termes techniques pour vous aider à comprendre LoRaWAN. Pour votre commodité, ces mots seront en gras dans le didacticiel lorsqu'ils seront utilisés.

Débit de données adaptatif (ADR) : mécanisme d'optimisation des débits de données, du temps d'antenne et de la consommation d'énergie dans le réseau

AppEUI : est un identifiant d'application global qui adresse l'espace et identifie de manière unique le fournisseur d'application (propriétaire) de l'appareil final.

AppKey : une clé d'application AES-128 spécifique au périphérique final attribuée par le propriétaire de l'application. L'AppKey est utilisée pour dériver les clés de session NwkSKey et AppSKey spécifiques à ce périphérique final afin de chiffrer et de vérifier les communications réseau et les données d'application.

AppSKey : est utilisé à la fois par le serveur réseau et par le périphérique final pour chiffrer et déchiffrer le champ de charge utile des messages de données spécifiques à l'application.

Bande : une gamme de fréquences avec une fréquence minimale et une fréquence maximale spécifiques

Bande passante : mesure la quantité de données pouvant être envoyées sur une connexion spécifique dans un laps de temps donné (synonyme de débit de données)

Chirp Spread Spectrum : un type de technologie de modulation responsable de la fiabilité de la transmission ainsi que d'une faible consommation d'énergie

Cloud : une plateforme conçue pour stocker et traiter IoT . La plateforme est conçue pour traiter des volumes massifs de données générées par les appareils, capteurs, sites Web, applications, clients et partenaires et lancer des actions pour des réponses en temps réel.

Débit de données : quantité de données numériques déplacées d'un endroit à un autre dans un temps donné ; peut être considéré comme la vitesse de déplacement d'une quantité donnée de données d'un endroit à un autre, en fonction de la largeur de la bande passante.

DevAddr : contient un identifiant de réseau (NwkID) pour séparer les adresses des réseaux se chevauchant territorialement de différents opérateurs de réseau et pour remédier aux problèmes d'itinérance. Il contient également une adresse réseau (NwkAddr) du périphérique final.

DevEUI : un espace d'adressage global d'ID de périphérique final qui identifie de manière unique le périphérique final

DevNonce : une valeur aléatoire associée à un périphérique final. Si un périphérique final tente de se connecter au serveur avec une valeur DevNonce qu'il a déjà utilisée auparavant, le serveur ignorera la demande, évitant ainsi une catastrophe du système connue sous le nom d'attaques par rejeu.

Downlink : le lien (connexion) d'un satellite vers une station au sol. La fréquence des signaux de liaison descendante a tendance à être plus large pour couvrir une vaste zone terrestre et fournir autant de services que possible.

Duty Cycle : le pourcentage du rapport entre la durée d'impulsion ou la largeur d'impulsion (PW) et la période totale (T) de la forme d'onde. Cycle de service = PW/T * 100 %

Voici un diagramme pour vous aider à mieux visualiser ce qu'est un cycle de service :

End-device/Node/End-point : un périphérique matériel informatique compatible Internet. Le terme peut faire référence à des ordinateurs de bureau, des ordinateurs portables, des téléphones intelligents, des tablettes, des clients légers, des imprimantes ou littéralement à tout objet pouvant se connecter à Internet.

Canal de fréquence : lorsqu'une bande est canalisée, cela signifie qu'il existe des fréquences discrètes spécifiques qu'un appareil (comme une radio) utilisera et transmettra des données. Au lieu de choisir arbitrairement des fréquences aléatoires à utiliser dans la bande, un appareil ou un réseau s'en tiendra à une certaine taille de pas pour améliorer l'efficacité et éviter de gaspiller des écarts entre les différentes fréquences. Par exemple, pour une bande 28-29 MHz, 3 canaux 100 KHz différents pourraient être 28,1 MHz, 28,2 MHz, 28,3 MHz, etc.

Front-end : les utilisateurs (comme un être humain, ou un programme) interagissent directement avec l'application

LoRa : une technologie propriétaire de modulation radio à spectre étalé par chirp (CSS) pour LPWAN utilisée par LoRaWAN. LoRa est la couche physique, LoRaWAN est le réseau

LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) : un protocole de couche de contrôle d'accès aux médias (MAC) pour gérer la communication entre gateway et les périphériques de nœud final, maintenu par la LoRa Alliance

LPWAN (Low-Power Wide Area Network) : une technologie de réseau étendu sans fil spécialisée dans l'interconnexion d'appareils dotés d'une connectivité à faible bande passante, en mettant l'accent sur la portée et l'efficacité énergétique.

NwkSKey : est utilisé à la fois par le serveur réseau et par le périphérique final pour calculer et vérifier le MIC (code d'intégrité des messages) de tous les messages de données afin de garantir l'intégrité des données.

Débit : mesure du nombre d'unités d'information qu'un système peut traiter dans un laps de temps donné.

Uplink : la liaison (connexion) depuis une station au sol jusqu'à un satellite. Dans IoT , les signaux doivent traverser l’atmosphère là où l’atténuation est inévitable (due à la pluie par exemple). Pour éviter autant d'atténuation que possible, les stations terrestres augmentent leurs signaux de liaison montante avec plus de puissance afin que la fréquence soit plus étroite (afin que le signal puisse « passer » à travers les obstacles dans l'environnement). Par conséquent, les signaux de liaison montante ont généralement des fréquences plus élevées que les signaux de liaison descendante.