Qu'est-ce que LoRaWAN ? [Répartition technique]

Vous envisagez d'utiliser LoRaWAN pour déployer votre solution IoT ? Dernièrement, il y a eu un élan pour ce protocole (cas d'exemple :machineQ), qui fonctionne bien pour des applications simples déployées sur des réseaux publics. Cependant, si vous développez une solution de réseau privé à usage industriel ou d'entreprise, il y a certaines limites à cette technologie dont vous devez être conscient (et des protocoles alternatifs qui, dans de nombreux cas, vous serviront mieux).

Voir l'exemple de passerelle LoRaWAN pour les développeurs.

Dans cet article, nous examinerons en profondeur :

• La différence entre LoRa et LoRaWAN
• Comment fonctionne LoRaWAN
• LoRaWAN Classes A, B et C
• Taux de chirp, gain de traitement et orthogonalité
• Obstacles à la création de réseaux privés avec LoRaWAN
• Une solution alternative :le lien Symphony
  
  

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 utilise un format multi-symboles pulsé pour coder les informations. C'est un système propriétaire fabriqué par le fabricant de puces Semtech; son IP LoRa est également concédée sous licence à d'autres fabricants de puces. Essentiellement, ces puces sont des puces radio à bande ISM standard qui peuvent utiliser LoRa (ou d'autres types de modulation comme FSK) pour convertir la fréquence radio en bits, sans avoir besoin d'écrire de code pour implémenter le système radio. LoRa est une technologie de couche physique de niveau inférieur qui peut être utilisée dans toutes sortes d'applications en dehors des zones étendues.

LoRaWAN 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. LoRaWAN est rarement utilisé pour les applications industrielles (réseau privé) en raison de ses limites.

Il existe un autre protocole open source pour LoRa qui peut être mieux adapté à votre cas d'utilisation; téléchargez ce livre blanc pour une explication claire de sa comparaison avec LoRaWAN.

Comment fonctionne LoRaWAN

Au niveau le plus fondamental, les protocoles radio comme LoRaWAN sont assez simples. La façon dont les réseaux d'étoiles conversent est similaire à celle d'un professeur et d'étudiants dans une conférence. La passerelle (le professeur) parle aux nœuds d'extrémité (la classe), et vice versa. Il s'agit d'une relation asymétrique en termes de communication. Tout le monde dans la classe pourrait essayer de communiquer avec le professeur en même temps, mais le professeur ne pourrait pas les entendre ou 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.

Voici à quoi cela ressemble en pratique :disons, par exemple, 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 vers le cloud. Il est possible que les quatre passerelles entendent ce message et l'envoient. (Le seul avantage à cela :les messages peuvent toujours être transmis malgré des liens très faibles. Si un nœud transmet cinq messages et qu'un seul le fait, votre message est toujours passé.)

Une fois qu'un message a été délivré, il n'y a pas d'accusé de réception. Cependant, les nœuds de LoRaWAN peuvent demander des accusés de réception. Si un 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, généralement quelques secondes plus tard. Le problème est alors le suivant :Lorsque cette passerelle transmet en retour 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 écouter, ce qui finira par entraîner un effondrement du réseau.

Le diagramme ci-dessus montre comment fonctionne LoRaWAN. La barre du haut indique si la passerelle transmet ou non. (S'il est orange, il transmet; s'il est bleu, ce ne l'est pas.) La barre en bas montre les canaux de réception. Presque tous les systèmes LPWAN, y compris LoRaWAN, ont plusieurs canaux de réception, et la plupart des systèmes LoRaWAN peuvent recevoir huit messages simultanément, sur n'importe quel nombre de canaux de fréquence.

LoRaWAN Classes A, B et C

LoRaWAN a trois classes qui fonctionnent simultanément. La classe A est purement asynchrone, c'est ce que nous appelons un système ALOHA pur. Cela signifie que les nœuds d'extrémité n'attendent pas un moment particulier pour parler à la passerelle - ils transmettent simplement chaque fois qu'ils en ont besoin et restent en sommeil 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 démarre immédiatement. Sans aucune interruption de communication, la capacité maximale théorique d'un réseau aloha pur est d'environ 18,4 % de ce maximum. Cela est dû en grande partie aux collisions, car si un nœud transmet et qu'un autre se réveille et décide de transmettre dans le même canal de fréquence avec les mêmes paramètres radio, ils vont entrer en collision.

La classe B permet d'envoyer des messages vers des nœuds alimentés par batterie. Toutes les 128 secondes, la passerelle émet une balise. (Voir les créneaux horaires en haut du diagramme.) Toutes les stations de base LoRaWAN transmettent des messages de balise exactement au même moment, car elles sont esclaves d'une impulsion par seconde (1PPS). Cela signifie que chaque satellite GPS en orbite transmet un message au début de chaque seconde, permettant 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, demander à un nœud d'écouter tous les dix créneaux temporels, et lorsque cela se produit, cela permet de transmettre un message de liaison descendante (voir schéma ci-dessus).

La classe C permet aux nœuds d'écouter en permanence et un message de liaison descendante peut être envoyé à tout moment. Ceci est principalement utilisé pour les applications alimentées en courant alternatif, car il faut beaucoup d'énergie pour maintenir un nœud activement éveillé en exécutant le récepteur à tout moment.

Taux de chirp, gain de traitement et orthogonalité

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

LoRa fonctionne en déplaçant une tonalité RF au fil du temps de manière très linéaire. Ce graphique montre les bips dans une cascade inversée - les données les plus récentes se trouvent en haut, ce qu'on appelle un "chirp vers le haut". Vous pouvez voir comment cette fréquence de la tonalité augmente au fil du temps. Les transmissions LoRa fonctionnent par gazouillis, brisant les puces à différents endroits en termes de temps et de fréquence afin de coder un symbole. Le fait que les transmissions LoRa sautent d'un endroit à un autre à un moment donné peut signifier une chaîne de bits par rapport à une autre. Ce n'est pas simplement binaire - il contient beaucoup d'informations que vous pouvez transmettre (profondeur élevée de symboles).

Pensez un instant à la modulation par déplacement de fréquence (FSK) pure. Si une tonalité était stationnaire pendant un certain temps puis sautait ailleurs pendant un certain temps, vous verriez différentes lignes ou tonalités. C'est ce qu'on appelle la FSK 2-aire, qui désigne deux symboles de fréquence. M-ary FSK a plusieurs tonalités de fréquence qui peuvent 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 motif très distinct, le récepteur LoRa peut détecter des gazouillis plus silencieux, c'est-à-dire en dessous du bruit de fond. Si vous avez une autre transmission sur le même canal à un taux de chirp différent, elle est orthogonale, ce qui signifie qu'elle peut être détectée en même temps. Cela dit, il y a beaucoup de capacité du côté de la réception.

Obstacles à la création de réseaux privés avec LoRaWAN

LoRaWAN fonctionne bien pour certaines applications, mais ce n'est pas la meilleure solution pour les solutions déployées par le client (également appelées réseau privé). Les principales raisons en sont :

• La coexistence de plusieurs passerelles permet des interférences. Avec LoRaWAN, toutes les passerelles, peu importe qui les possède ou les exploitent, sont réglées sur les mêmes fréquences. 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 afin d'éviter les problèmes de collision.

  Cependant, il est possible de travailler via l'Alliance LoRa pour réserver des canaux spécifiques à des usages spécifiques. Il est également possible pour les opérateurs de réseau de limiter la quantité de liaison descendante dans leurs réseaux du côté serveur pour s'assurer que les points de terminaison à faible priorité n'obstruent pas le réseau avec le trafic de liaison descendante.

• Cela ne garantit pas la réception du message. LoRaWAN est un protocole asynchrone basé sur ALOHA où des taux d'erreur de paquet (PER) de plus de 50 % sont courants. C'est bien pour certaines applications de lecture de compteurs, mais pour les réseaux de capteurs ou les systèmes de contrôle industriels ou d'entreprise, 0% PER est une exigence. La méthode de livraison de messages « spray-and-pray » n'est pas appropriée pour la plupart des cas d'utilisation industriels, c'est pourquoi LoRaWAN est mieux adapté aux réseaux axés sur les liaisons montantes.
• Cela demande pas mal 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. Au lieu de cela, vous devez 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 grande 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 limitations de cycle d'utilisation. Il existe certaines limitations inhérentes aux bandes 868 MHz dans les réseaux publics. En Europe, la principale limitation est le cycle de service d'un pour cent (dans la plupart des cas). Cela 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 sa capacité de transmission. 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. Une autre grande limitation de LoRaWAN est que la taille de la charge utile MTU est variable en fonction du facteur d'étalement que le réseau attribue au nœud. En d'autres termes, si vous êtes loin de la passerelle, le nombre d'octets que vous pouvez transmettre est petit, mais si vous êtes proche, il est beaucoup plus important ; 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 changements 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 la plus petite 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 une petite MTU leur est attribuée. En conséquence, ces nœuds transmettent beaucoup plus que nécessaire en raison des modifications logicielles complexes qui seraient nécessaires pour gérer ces valeurs MTU changeantes.

LoRaWAN est parfait si vous souhaitez vous appuyer sur des réseaux publics détenus et exploités par des opérateurs. Il existe de nombreux fournisseurs de matériel et de serveurs réseau en 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 vous heurterez inévitablement à de sérieux obstacles. De nombreux utilisateurs de LoRaWAN n'ont pas encore rencontré ces obstacles, simplement parce que leurs réseaux sont encore assez petits. Essayez d'utiliser LoRaWAN pour exploiter un réseau public avec des milliers d'utilisateurs faisant différentes choses, et les difficultés monteront très certainement en flèche.

De plus, développer et déployer un système autour de LoRaWAN est un processus complexe. L'une des raisons pour lesquelles nous avons écrit cet article est que nous avons des clients qui nous contactent qui ont l'impression que LoRaWAN « fonctionne immédiatement » comme certains modems WiFi ou cellulaires pourraient le faire. Vous voudrez être sûr de comprendre toute l'architecture et de bien comprendre le fonctionnement du système avant de décider que c'est la meilleure solution 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 pour déployer avec succès des solutions IoT, nous avons construit notre propre logiciel sur les puces de Semtech. Certaines de ses fonctionnalités avancées incluent :

• Un lien bidirectionnel pour une réception de message garantie à 100 %. Les nœuds et les passerelles peuvent communiquer de manière fiable à la fois 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 d'utilisation , car en Europe, Symphony Link utilise la bande 900 MhZ.
• Symphony Link a une capacité plus élevée que LoRaWAN , avec un MTU fixe de 256 octets. Il gère toute la sous-paquetisation et réessaye d'envoyer des messages si nécessaire pour assurer la livraison.
• Symphony Link est une solution IoT complète de bout en bout qui fonctionne dès la sortie de la boîte. Vous pouvez lancer votre application 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. Ou, si vous souhaitez voir comment Symphony Link pourrait fonctionner pour votre cas d'utilisation particulier, planifiez une démonstration gratuite de la technologie dès aujourd'hui. Nous vous montrerons comment cela fonctionnera pour votre LPWA ; 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, contactez-nous.