Explication de LoRaWAN

Au début des années 1990, la connexion à Internet se faisait simplement par un chemin direct. Aujourd'hui, les choses ont évolué et sont devenues plus complexes, mais aussi plus performantes. Au lieu d'une simple connexion Ethernet, les microcontrôleurs et autres appareils peuvent se connecter via de nombreux protocoles : Bluetooth, Wi-Fi, BLE, ZigBee, 3G, 4G, 5G, NFC, RFID, SigFox, DigiMesh, Thread et 6LoWPAN, pour n'en citer que quelques-uns. Chacune de ces connexions joue un rôle essentiel pour la connexion des appareils et la transmission des données, mais nous souhaitons mettre en avant un protocole émergent : LoRaWAN .

À l'instar des technologies mentionnées précédemment, LoRaWAN est un réseau de connexion sans fil permettant la communication de données vers Internet. LoRaWAN s'est rapidement distingué par sa capacité à s'adapter aux IoT (Internet des objets) nécessitant une connectivité Internet longue portée et basse consommation, sans passer par le Wi-Fi. LoRaWAN est une solution idéale pour les capteurs ou appareils distants alimentés par batterie, communiquant sur de longues distances ou dans des zones reculées. En résumé, les données sont envoyées, à la demande, sur de longues distances jusqu'à la gateway qui les transmet ensuite au serveur pour stockage, traitement ou visualisation.

Pour mieux comprendre LoRaWAN, revenons à 2009, année où le précurseur de LoRaWAN, appelé LPWAN, a vu le jour en France :

• LPWAN est un réseau étendu de télécommunications sans fil conçu pour permettre des communications à longue portée à faible débit binaire pour des objets connectés, tels que des capteurs fonctionnant sur batterie avec de faibles besoins en énergie.
• LPWAN permet la connectivité de réseaux d'appareils nécessitant moins de bande passante que celle fournie par l'équipement domestique standard.
• LPWAN prennent également en charge un plus grand nombre d'appareils sur une zone de couverture plus étendue que les technologies mobiles grand public et offrent de meilleures capacités de bidirectionnalité.
• Les réseaux comme le Wi-Fi et le Bluetooth sont plus adaptés aux IoT grand public , tandis que les réseaux LPWAN sont plus répandus dans IoT industriel les applications civiques et commerciales.

LPWAN est le réseau global qui englobe LoRaWAN. Par conséquent, les deux ne sont pas synonymes, mais bien deux réseaux distincts. LPWAN est apparu en premier et a ensuite intégré plusieurs réseaux, chacun ayant son propre historique. Parmi ces réseaux, on peut citer AlarmNet (racheté ultérieurement par Honeywell), le réseau 2G et LoRaWAN, créé en 2014 par l'alliance LoRa et qui figure parmi les protocoles les plus utilisés et les plus populaires pour les objets connectés.

Comment fonctionne LoRaWAN :

REMARQUE : Un glossaire des termes et définitions courants est inclus à la fin de cet article.

Dans l'infographie ci-dessus, les capteurs connectés à Internet sont appelés « périphériques finaux » . Lorsqu'un capteur effectue une mesure, il envoie un signal (paquet de données) que la gateway traite pour le capturer. Au niveau de la gateway , ces données sont transmises au serveur par modulation par déplacement de fréquence (FSK étalement de spectre par modulation de fréquence (CSS). Lorsque le paquet de données provenant du périphérique final entre dans le circuit de la gateway , il se présente sous forme de « chirps », ou symboles représentant des informations numériques (comme ci-dessous). Le chirp est ensuite analysé dans le domaine fréquentiel, puis modulé en un signal pour un transport de données efficace.

Après avoir converti le signal d'entrée dans le domaine fréquentiel, le matériel LoRa recherche, au sein de la bande fréquences , des canaux plus adaptés pour transmettre le signal. Une fois gateway trouvé, le processus module la fréquence du signal d'entrée afin d'optimiser sa consommation d'énergie, puis « décale » (d'où le « S » dans FSK) le signal vers ce canal pour une transmission de données rapide.

Les dispositifs finaux et gateway interagissent en permanence entre eux afin que la transmission de données puisse « sauter » vers d'autres canaux de fréquence qui conviennent le mieux aux contraintes de puissance, de vitesse, de cycle de service et de portée du système.

Pendant 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 des irrégularités que l'on observe 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 le processus FSK « décale » la fréquence du signal d'entrée pour améliorer l'efficacité, l'ADR « dialogue » avec le serveur du réseau LoRaWAN pour augmenter le débit de données . Voici comment s'effectue cette « communication » entre l'appareil et le serveur :

1. Les dispositifs finaux (nœuds) envoient en permanence de liaison montante au serveur réseau LoRaWAN. Ces messages contiennent de nombreuses informations sur les 20 derniers signaux émis par le nœud.
2. Le serveur réseau analyse l'historique récent du nœud et effectue des comparaisons pour déterminer la « marge » disponible pour apporter des modifications
3. Le réseau peut constater qu'il existe une marge de manœuvre pour sacrifier la portée au profit d'un avantage plus utile, comme un débit de données plus rapide. (Remarquez sur le schéma que la poubelle envoie ses données à un plus grand nombre gatewayque n'importe quel autre appareil.)
4. Au lieu d'envoyer des messages plus lents à gatewayéloignées, le serveur préfère que le périphérique final envoie un message rapide à une gateway proche.
5. Par conséquent, le ADR tire parti des opportunités permettant d'accroître le débit de données. Si les sacrifices consentis contribuent à une meilleure efficacité du système, alors ces sacrifices seront effectués grâce à l'ADR.

Après réception et interprétation d'un paquet de données par la gatewayLoRa, celle gateway le transmet au serveur réseau via une connexion IP standard, telle qu'Ethernet ou 3G. Si le serveur reçoit le même paquet de données de plusieurs gateway, il n'en traitera qu'un seul et ignorera les copies. Ainsi, si le serveur reçoit trois paquets identiques (parce que la poubelle est connectée à trois gatewaydans notre exemple), un seul de ces paquets sera traité, garantissant un transfert de données extrêmement précis et efficace.

Compromis

Comme pour toute application d'ingénierie, le LoRaWAN présente des compromis en matière de puissance, de vitesse et de portée. Le schéma ci-dessous illustre les points à prendre en compte.

Augmenter la durée d'un bit de données → réduit le débit de données → vitesse réduite.
Diminuer la durée d'un bit de données → augmente le débit de données → vitesse plus élevée.
Augmenter la portée et réduire la consommation d'énergie → vitesse réduite.
Augmenter la portée et accélérer → nécessite une consommation d'énergie plus élevée.
Augmenter la vitesse et réduire la consommation d'énergie → portée plus courte.

Bandes de fréquences

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

• Europe : bandes 863-870 MHz et 433 MHz (868 MHz utilisé 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.
• États-Unis : bande 902-928 MHz, divisée en 8 sous-bandes. Chacune de ces sous-bandes comporte huit canaux de liaison montante de 125 kHz, un canal de liaison montante de 500 kHz et un canal de liaison descendante de 500 kHz. Contrairement aux canaux de fréquence européens, ceux des États-Unis sont classés en canaux de liaison montante et de liaison descendante.
• Australie : bande 915-928 MHz. Les fréquences de liaison montante en Australie sont plus élevées qu'aux États-Unis. Cependant, les fréquences de liaison descendante sont identiques.
• 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 de liaison montante et 48 canaux de liaison descendante.

Cours

LoRaWAN catégorise ses dispositifs finaux en trois classes différentes afin de répondre aux différents besoins reflétés par la vaste 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 montante et attendent une communication descendante du serveur peu 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 moments précis
• Le serveur peut répondre dans l'une ou l'autre fenêtre
• Le créneau horaire de transmission réservé à chaque fenêtre par le terminal est déterminé en fonction de 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 de liaison montante/descendante d'un terminal de classe A. Ce dernier envoie d'abord un signal de liaison montante, attend, puis ouvre une première fenêtre de réception ; après une nouvelle attente, il ouvre une seconde fenêtre de réception. Les deux lignes suivantes illustrent réussie d'un de liaison descendante après sa capture par la fenêtre de réception. La dernière ligne illustre l'échec de la réception d'un signal de liaison descendante, celui-ci n'ayant été capturé par le terminal dans aucune des deux fenêtres de réception.

Classe B :

• Les périphériques de classe B sont bidirectionnels et disposent de créneaux de réception programmés, comme ceux de 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 un signal synchronisé dans le temps de la gateway, permettant au serveur de savoir quand le périphérique final est « à l'écoute »

Classe C :

• Les appareils de classe C sont bidirectionnels et disposent d' un nombre maximal d'emplacements de réception.
• Ces appareils possèdent des fenêtres de réception quasi constamment ouvertes, 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 classe

Activation par voie aérienne (OTAA)

Pour participer à un réseau LoRaWAN, chaque terminal doit être personnalisé et activé . Le fonctionnement de ce processus est résumé dans les étapes suivantes :

1. Pour l'activation par voie hertzienne, les dispositifs finaux doivent suivre une procédure d'association avant de participer aux échanges de données avec le serveur réseau.
2. La procédure de jonction exige que le terminal soit personnalisé avec les informations suivantes avant de démarrer la procédure de jonction : un identifiant de terminal unique au niveau mondial ( DevEUI ), l’identifiant de l’application ( AppEUI ) et une clé AES-128 ( AppKey ).
3. La procédure de jonction consiste en deux messages MAC (Media Access Control) échangés avec le serveur, à savoir une requête de jonction et une acceptation de jonction .
4. Le périphérique final envoie le message de requête de jonction composé de l'AppEUI et du DevEUI du périphérique final, suivi du DevNonce.
5. Le message de demande d'adhésion peut être transmis à n'importe quel débit de données et en suivant une séquence de saut de fréquence efficace sur les canaux d'adhésion spécifiés.
6. Le serveur réseau répondra au message de demande d'adhésion par un message d'acceptation d'adhésion si le périphérique final est autorisé à rejoindre un réseau.
7. Après activation, les informations suivantes sont stockées dans le terminal : une adresse de périphérique ( 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 accomplie.

Activation par personnalisation (ABP)

Dans certains cas, les terminaux peuvent être activés par personnalisation. L'activation par personnalisation lie directement un terminal à un réseau spécifique, court-circuitant la procédure de demande et d'acceptation d'adhésion. Ainsi, contrairement à OTAA, l'adresse du terminal (DevAddr) et les deux clés de session (NwkSKey et AppSKey) sont directement stockées dans le terminal, au lieu de l'identifiant unique du terminal (DevEUI), de l'identifiant unique de l'appareil (AppEUI) et de la clé d'application (AppKey). En d'autres termes, le terminal est déjà équipé des informations nécessaires pour participer à un réseau LoRa spécifique dès sa mise en service.

L' avantage d'ABP réside dans sa facilité de connexion au réseau, l'appareil étant opérationnel en un temps record, ce qui convient parfaitement à certaines applications. Son inconvénient majeur est que les clés de chiffrement permettant la communication avec le réseau sont préconfigurées dans l'appareil, ce qui fragilise la sécurité.

Conclusion

En résumé, 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 cette technologie idéale pour les appareils alimentés par batterie
• LoRaWAN offre 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 aux solutions mobiles ou Wi-Fi, grâce au nombre réduit de Gateway nécessaires
• LoRaWAN prend en charge la communication bidirectionnelle
• Une seule Gateway LoRaWAN peut gérer des milliers d'appareils ou de nœuds ; plusieurs Gatewayassurent la résilience des solutions intelligentes

Glossaire des termes

Consultez cette section pour les définitions des termes techniques qui vous aideront à comprendre LoRaWAN. Pour plus de clarté, ces termes seront mis en évidence en gras dans le tutoriel.

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

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

AppKey : clé d’application AES-128 spécifique au terminal et attribuée par le propriétaire de l’application. Elle sert à générer les clés de session NwkSKey et AppSKey propres à ce terminal afin de chiffrer et de vérifier les communications réseau et les données de l’application.

AppSKey : est utilisé à la fois par le serveur réseau et 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 via une connexion spécifique dans un laps de temps donné (synonyme de débit de données).

Spectre étalé par chirp : une technologie de modulation qui assure la fiabilité de la transmission et une faible consommation d'énergie.

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

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

DevAddr : contient un identifiant réseau (NwkID) permettant de séparer les adresses des réseaux de différents opérateurs se chevauchant territorialement et de résoudre les problèmes d’itinérance. Il contient également l’adresse réseau (NwkAddr) du terminal.

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

DevNonce : valeur aléatoire associée à un périphérique. Si un périphérique tente de se connecter au serveur avec une valeur DevNonce déjà utilisée, le serveur ignore la requête, évitant ainsi une attaque par rejeu, une catastrophe système.

Liaison descendante : la liaison (connexion) entre un satellite et une station au sol. La fréquence des signaux de liaison descendante est généralement plus large afin de couvrir une vaste zone terrestre et de fournir un maximum de services.

Rapport cyclique : pourcentage du rapport entre la durée d’impulsion (ou largeur d’impulsion, PW) et la période totale (T) du signal. Rapport cyclique = PW/T * 100 %

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

Périphérique/Nœud/Point de terminaison : un appareil informatique matériel compatible avec Internet. Ce terme peut désigner un ordinateur de bureau, un ordinateur portable, un smartphone, une tablette, un client léger, une imprimante, ou tout autre objet pouvant se connecter à Internet.

Canal de fréquence : lorsqu’une bande de fréquence est canalisée, cela signifie que des fréquences discrètes spécifiques sont utilisées par un appareil (comme une radio) pour transmettre des données. Au lieu de choisir arbitrairement des fréquences aléatoires au sein de la bande, un appareil ou un réseau utilise un pas précis afin d’optimiser l’efficacité et d’éviter le gaspillage d’espace entre les différentes fréquences. Par exemple, pour la bande 28-29 MHz, trois canaux de 100 kHz pourraient être : 28,1 MHz, 28,2 MHz, 28,3 MHz, etc.

Interface utilisateur : les utilisateurs (humains ou programmes) interagissent directement avec l'application.

LoRa : une technologie de modulation radio propriétaire à spectre étalé par modulation de fréquence (CSS) pour les réseaux LPWAN, utilisée par LoRaWAN. LoRa constitue la couche physique, LoRaWAN la couche réseau.

LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) : un protocole de couche MAC (Media Access Control) permettant de gérer la communication entre gateway et les dispositifs terminaux, maintenu par la LoRa Alliance.

LPWAN (réseau étendu à faible consommation) : technologie de réseau étendu sans fil spécialisée dans l’interconnexion d’appareils à faible bande passante, privilégiant la portée et l’efficacité énergétique.

NwkSKey : est utilisé à la fois par le serveur réseau et le périphérique final pour calculer et vérifier le MIC (code d'intégrité du message) 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.

Liaison montante : liaison (connexion) entre une station terrestre et un satellite. Dans IoT , les signaux doivent traverser l’atmosphère, où l’atténuation est inévitable (due à la pluie, par exemple). Afin de minimiser cette atténuation, les stations terrestres amplifient leurs signaux de liaison montante, ce qui réduit la bande passante (et permet ainsi au signal de se propager malgré les obstacles environnementaux). Par conséquent, les signaux de liaison montante ont généralement des fréquences plus élevées que les signaux de liaison descendante.