Qu’est-ce que LoRaWAN [2022 Update]

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Qu’est-ce que LoRaWAN [2022 Update]


Vous envisagez d’utiliser LoRaWAN pour déployer votre solution IoT ? Dernièrement, il y a eu des protocoles de création d’élan pour des applications simples déployées sur des réseaux publics. Si vous développez une solution de réseau privé pour des cas d’utilisation industriels ou d’entreprise, vous devez comprendre les limites. Il est également utile de connaître les protocoles alternatifs qui, dans de nombreux cas, vous serviront mieux.

Dans cet article, nous allons examiner en profondeur :

La différence entre LoRa et LoRaWAN

Parfois, les gens pensent que les termes LoRa et LoRaWAN signifient la même chose, mais ils sont différents. LoRa est une méthode de transmission de signaux radio qui utiliser un format chirpé multi-symboles pour coder les informations. Il est un système propriétaire fabriqué par le fabricant de puces Semtech. D’autres fabricants peuvent licencier l’IP LoRa. Ces puces radio à bande ISM standard peuvent utiliser LoRa (ou des types de modulation comme FSK) pour convertir la fréquence radio en bits. Cette modulation signifie que personne n’a besoin d’écrire de code pour mettre en œuvre le système radio. Cette technologie de couche physique de niveau inférieur peut aider les applications en dehors d’une zone étendue.

Bluetooth Low Energy plus LoRaWAN de suivi des actifsLoRaWAN est un protocole de réseau point à multipoint qui utilise le schéma de modulation LoRa de Semtech. Il ne s’agit pas seulement des ondes radio; il s’agit de la façon dont les ondes radio communiquent avec les passerelles LoRaWAN pour faire des choses comme le cryptage et l’identification. Il comprend également un composant cloud auquel plusieurs passerelles se connectent. En raison de limitations, la plupart des entreprises n’utilisent pas LoRaWAN pour les applications industrielles (réseau privé).

Comment fonctionne LoRaWAN

Au niveau le plus fondamental, les protocoles radio comme LoRaWAN sont simples. La façon dont les réseaux stellaires conversent est comme un professeur et des étudiants dans une conférence. La passerelle (le professeur) parle aux nœuds finaux (la classe) et vice versa. Cette communication est une relation asymétrique en termes de communication. Tout le monde (dans la classe) pourrait essayer de communiquer avec le professeur simultanément, mais le professeur ne serait pas capable de les entendre ou de les comprendre tous en même temps. Bien qu’extrêmement simplifiés, de nombreux éléments des topologies en étoile remontent à cette analogie.

Voir l’exemple de passerelle LoRaWAN pour les développeurs.

Maintenant, éloignons-nous de l’analogie et étudions des exemples pratiques. Disons que vous avez quatre passerelles et un nœud. Le nœud transmet aveuglément dans le spectre radio, et toute passerelle assez chanceuse pour entendre la transmission peut la prendre et l’envoyer dans le cloud. Les quatre passerelles peuvent recevoir le message. (Le seul avantage à cela : les messages peuvent toujours être transmis malgré des liens faibles. Si un nœud transmet cinq messages et qu’un seul le fait, votre message passe toujours.)

Une fois qu’un message a été délivré, il n’y a pas d’accusé de réception. Cependant, les nœuds dans LoRaWAN pouvez demander des accusés de réception. Si l’accusé de réception est demandé et que les quatre passerelles captent le même message, le cloud choisit une passerelle pour répondre à une heure fixe. Le problème est alors celui-ci : Lorsque cette passerelle retransmet au nœud, elle arrête d’écouter tout le reste. Ainsi, si votre application a besoin de beaucoup d’accusés de réception, elle passera très probablement plus de temps à transmettre des accusés de réception qu’à les écouter, ce qui finira par entraîner un effondrement du réseau.Schéma de communication de la passerelle LoRaWAN

Le schéma ci-dessus montre le fonctionnement de LoRaWAN. La barre supérieure indique si la passerelle transmet ou non. (Si elle est orange, cela signifie qu’elle transmet. Si elle est bleue, cela signifie qu’elle ne transmet pas.) La barre en bas montre les canaux récepteurs. Presque tout Systèmes LPWAN, y compris LoRaWAN, disposent de plusieurs canaux de réception, et la plupart des systèmes LoRaWAN peuvent recevoir huit messages simultanément. Ils peuvent recevoir sur n’importe quel nombre de canaux de fréquence.

Classes LoRaWAN A, B et C

LoRaWAN a trois classes qui fonctionnent simultanément. La classe A est purement asynchrone, ce que nous appelons un système ALOHA pur. Cela signifie que les nœuds finaux n’attendent pas un moment particulier pour parler à la passerelle – ils transmettent simplement quand ils en ont besoin et restent inactifs jusque-là. Si vous disposez d’un système parfaitement coordonné sur huit canaux, vous pouvez remplir chaque créneau horaire avec un message. Dès qu’un nœud termine sa transmission, un autre commence immédiatement. Sans aucune lacune de communication, la capacité maximale théorique d’un réseau aloha pur est d’environ 18,4 % de ce maximum. Cette capacité est due aux collisions. Si deux nœuds transmettent sur le même canal de fréquence avec les mêmes paramètres radio, ils entreront en collision.

Les systèmes de classe B fonctionnent avec des nœuds alimentés par batterie. Toutes les 128 secondes, la passerelle transmet une balise. (Voir les créneaux horaires en haut du diagramme.) Toutes les stations de base LoRaWAN transmettent simultanément des messages de balise à une impulsion par seconde (1PPS). Cela signifie que chaque satellite GPS en orbite transmet un message au début de chaque seconde, ce qui permet de synchroniser l’heure dans le monde entier. Tous les nœuds de classe B se voient attribuer un intervalle de temps dans le cycle de 128 secondes et sont informés du moment où ils doivent écouter. Vous pouvez, par exemple, dire à un nœud d’écouter chaque dixième créneau horaire, et lorsque cela se produit, cela permet la transmission d’un message de liaison descendante (voir le schéma ci-dessus).

La classe C permet aux nœuds d’écouter en permanence et d’envoyer des messages de liaison descendante à tout moment. Ce système est principalement utilisé pour les applications alimentées en courant alternatif car il faut beaucoup d’énergie pour maintenir un nœud en fonctionnement actif.

Taux de chirp, gain de traitement et orthogonalité

Taux de Chirp du système LoRaWAN

Remarque : Dans LoRaWAN, le facteur d’étalement (SF) fait référence à le gazouillis taux. Ce graphique montre la modulation LoRa Chirp au fil du temps. Différents SF peuvent être décodés dans le même canal de fréquence simultanément.

LoRa fonctionne en déplaçant une tonalité RF dans le temps de manière très linéaire. Ce graphique montre les chirps dans une cascade inversée – les données les plus récentes se trouvant en haut sont appelées chirp vers le haut. Vous pouvez voir comment cette fréquence du ton augmente avec le temps. Les transmissions LoRa fonctionnent en gazouillant, cassant les puces à différents endroits en termes de temps et de fréquence pour coder un symbole. Parce que les transmissions LoRa sautent d’un endroit à un autre à un moment donné, cela peut signifier une chaîne d’un bit par rapport à une autre. Ce n’est pas simplement binaire, il contient beaucoup d’informations que vous pouvez transmettre (profondeur de symbole élevée).

Pensez, un instant, à la pure modulation par déplacement de fréquence (FSK). Si une tonalité est stationnaire pendant un certain temps, puis saute ailleurs pendant un certain temps, vous verrez des lignes différentes. Cette tonalité est appelée FSK 2-aire, qui désigne deux symboles de fréquence. M-ary FSK a plusieurs tonalités de fréquence et peut représenter encore plus de symboles. LoRa a repris ce concept, mais il fait tout sur un gazouillis. Donc, il obtient un gain de traitement. Parce qu’il a un modèle très distinct, le récepteur LoRa peut détecter des gazouillis plus silencieux, c’est-à-dire en dessous du plancher de bruit. Cela dit, il y a beaucoup de capacité du côté de la réception.

Obstacles à la construction de réseaux privés avec LoRaWAN

LoRaWAN fonctionne bien pour certaines applications, mais il est pas la meilleure solution pour solutions déployées par le client (également appelées réseaux privés). Les principales raisons à cela sont :

    • La coexistence de plusieurs passerelles permet des interférences. Toutes les passerelles LoRaWAN se syntonisent sur la même fréquence. Peu importe qui les possède ou les exploite. Cela signifie que votre réseau LoRaWAN voit tout mon trafic et vice versa. Il est préférable d’avoir un seul réseau fonctionnant dans une seule zone pour éviter les problèmes de collision.

      Cependant, il est possible de travailler via la LoRa Alliance pour que des canaux spécifiques soient réservés à des usages spécifiques. Il est également possible pour les opérateurs de réseau de limiter le nombre de liaisons descendantes dans leurs réseaux du côté serveur pour s’assurer que les points d’extrémité de faible priorité ne « bouchent » pas le réseau avec le trafic de liaison descendante.

    • Il ne garantit pas la réception des messages.LoRaWAN est un protocole asynchrone basé sur ALOHA. Des taux d’erreur sur les paquets (PER) de plus de 50 % sont courants. Ces erreurs sont acceptables pour certaines applications de lecture de compteurs, mais pour les réseaux de capteurs ou les systèmes de contrôle industriels ou d’entreprise, un PER de 0 % est une exigence. La méthode de transmission de messages « pulvériser et prier » n’est pas appropriée pour la plupart des cas d’utilisation industrielle. LoRaWAN est le mieux adapté aux réseaux axés sur la liaison montante.
    • Cela demande une bonne quantité de travail de développement. Un autre défi auquel nos clients ont été confrontés est que LoRaWAN est principalement une couche de liaison de données (MAC) (OSI Layer 2), avec seulement quelques éléments d’une couche réseau (OSI Layer 3). À ce jour, aucun fournisseur ne propose de solution LoRaWAN de bout en bout. Très probablement, vous devrez travailler avec plusieurs fournisseurs pour acquérir séparément des nœuds, des passerelles, un serveur principal et toutes les autres parties de l’écosystème. Bien que cela permette une flexibilité dans les applications, cela laisse aux développeurs d’applications une bonne quantité de travail pour produire une offre de produits complète. Cela inclut la mise en paquets, le contrôle de la liaison descendante, la multidiffusion, etc.
    • Il existe des limites de cycle de service. Il existe certaines limitations inhérentes aux bandes 868 MHz dans les réseaux publics. En Europe, la principale limitation est le cycle d’utilisation de 1% (dans la plupart des cas). Cette limitation signifie que si vous mesurez la durée moyenne de transmission de la passerelle au fil du temps, elle ne peut pas dépasser un pour cent. Pour cette raison, la passerelle est assez limitée dans la quantité qu’elle peut transmettre. Aux États-Unis, les réglementations FCC pour la bande ISM n’ont pas une telle limitation.
    • Il a une taille de charge utile d’unité de transmission maximale (MTU) variable. La taille de la charge utile MTU est basée sur le facteur d’étalement du réseau attribue au nœud. En d’autres termes, si vous êtes loin de la passerelle, le nombre d’octets que vous pouvez transmettre est faible. Cependant, si vous êtes proche, c’est beaucoup plus grand. Vous ne pouvez tout simplement pas le savoir à l’avance. Par conséquent, le micrologiciel ou l’application du nœud doit être capable de s’adapter aux modifications du côté de la charge utile au niveau de la couche d’application, ce qui est très difficile lorsque vous développez un micrologiciel.

      La plupart des développeurs résolvent ce problème en sélectionnant le plus petit MTU disponible au facteur d’étalement le plus élevé que le réseau pourrait attribuer, qui dans la plupart des cas est très petit, souvent inférieur à 12 octets. Ainsi, les nœuds LoRaWAN qui doivent envoyer de plus grandes quantités de données, par exemple 300 octets, devraient l’envoyer dans 30 messages de 10 octets, car ils peuvent être confrontés à une situation où un petit MTU leur est attribué. En conséquence, ces nœuds transmettent beaucoup plus que nécessaire en raison du logiciel complexe pour gérer ces valeurs MTU changeantes.

LoRaWAN convient si vous souhaitez vous appuyer sur des réseaux publics détenus et exploités par des opérateurs. Les fournisseurs de services aiment se faire concurrence dans cet espace, il y a donc beaucoup de choix. Et pour les applications simples, où vous n’avez pas beaucoup de nœuds et n’avez pas besoin de beaucoup de reconnaissance, LoRaWAN fonctionne. Mais si vos besoins sont plus complexes, vous rencontrerez inévitablement de sérieux obstacles. De nombreux utilisateurs de LoRaWAN n’ont pas rencontré ces obstacles car leurs réseaux sont encore assez petits. Essayez d’utiliser LoRaWAN pour exploiter un réseau public avec des milliers d’utilisateurs faisant des choses différentes, et les difficultés vont très certainement monter en flèche.

De plus, développer et déployer un système autour de LoRaWAN est un processus complexe. Nous avons écrit cet article parce que les clients approchent sous l’impression que LoRaWAN « fonctionne immédiatement » comme le pourraient certains modems Wi-Fi ou cellulaires. Vous voudrez vous assurer que vous comprenez toute l’architecture et que vous comprenez bien le fonctionnement du système avant de décider que c’est le meilleur itinéraire pour vous.

Une solution alternative : Symphony Link

Symphony Link est une pile de protocoles LoRa alternative développée par Link Labs. Pour répondre aux limites de LoRaWAN et fournir les fonctionnalités avancées dont la plupart des organisations ont besoin, nous avons construit notre logiciel sur les puces de Semtech.

      • UN lien bidirectionnel pour une réception de message garantie à 100 %. Les nœuds et les passerelles peuvent communiquer de manière fiable vers le haut et vers le bas.
      • Il utilise un masque de canal dynamique contrôlé par la passerelle, permettant à plusieurs passerelles de coexister avec le moins de collisions possible. Jusqu’à 48 passerelles peuvent coexister sans affecter les performances.
      • Il n’y a pas de limite de cycle de service car en Europe, Symphony Link utilise la bande 900 MHz.
      • Symphony Link a un capacité supérieure à LoRaWAN, avec un MTU fixe de 256 octets. Il gère tous les sous-paquets et réessaye d’envoyer des messages si nécessaire pour assurer la livraison.
      • Symphony Link est un solution IoT complète de bout en bout qui fonctionne dès la sortie de la boîte. Vous pouvez rendre votre application opérationnelle plus rapidement qu’avec LoRaWAN.

Il existe de nombreuses autres raisons pour lesquelles les entreprises choisissent Symphony Link. Vous pouvez en savoir plus à ce sujet sur notre site Web. Nous pouvons vous montrer comment configurer une passerelle et un kit de développement dans Symphony Conductor ; et passez en revue les étapes d’intégration, les budgets de puissance et la portée. Ou, si vous avez des questions sur la technologie, réservez une démonstration.