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Réseau étendu à faible consommation (LPWA)

Technologie de réseau étendu à faible consommation (LPWA ; également appelée LPWAN ) permet aux appareils connectés de communiquer sur de vastes zones géographiques à faible débit. Il s'agit d'un terme général désignant la variété de technologies utilisées pour connecter des capteurs et des contrôleurs à Internet sans utiliser le Wi-Fi traditionnel ou le cellulaire.

LPWA a officiellement démarré via une société française appelée Sigfox . (Bien qu'il y ait eu des précurseurs à ce développement, que vous pouvez lire ici.) Sigfox a développé un système de télécommunication alternatif après s'être rendu compte que les besoins des appareils Internet des objets (IoT) à faible consommation et à faible débit étaient mal satisfaits par le cellulaire. réseaux. La technologie cellulaire traditionnelle, utilisée pour des choses comme les smartphones, couvre une vaste zone et consomme une quantité excessive d'énergie; Les appareils IoT nécessitent moins d'énergie pour les paquets de transmission plus petits. Pour mieux répondre aux exigences des appareils M2M et IoT, Sigfox a créé un nouveau type de technologie de réseau avec les caractéristiques suivantes :

La technologie Sigfox envoie de très petites quantités de données (12 octets) très lentement (300 bauds) en utilisant les méthodes de transmission radio standard (déphasage, DBPSK, montant et fréquenciel, GFSK, descendant). La longue portée est accomplie à la suite de messages très longs et très lents. Sigfox a commercialisé sa solution IoT propriétaire et possède et exploite désormais un réseau, principalement en Europe, qui utilise sa technologie.

Aujourd'hui, Sigfox n'est pas la seule organisation à créer la technologie LPWA. L'Alliance LoRa a développé LoRa , une autre technologie de radiofréquence qui utilise un spectre radio sans licence pour permettre une communication à faible consommation et étendue entre les appareils. LoRa est supporté exclusivement par des puces fabriquées par Semtech; il est différent de Sigfox en ce qu'il utilise un spectre d'étalement de chirp où Sigfox utilise la technologie à bande étroite (ou ultra-étroite). LoRa en soi n'est pas une solution LPWA, mais LoRaWAN, une spécification de protocole basée sur la technologie LoRa, l'est.

De nombreuses entreprises, Link Labs inclus, ont capitalisé sur la croissance rapide du marché LPWA en construisant des technologies plus importantes sur la puce LoRa, en trouvant d'autres moyens de connecter des appareils IoT. Tous trouvent leur propre niche au sein de l'espace LPWA. LoRaWAN et Symphony Link sont deux des principales technologies en cours de développement et de déploiement.

Ci-dessous, nous aborderons les différences techniques entre la technologie sans fil Link Labs et LoRaWAN et couvrirons les fonctionnalités avancées de Symphony Link.

Regardez notre webinaire pour en savoir plus sur le type de technologie LPWAN adapté à votre cas d'utilisation.

Symphony Link contre LoRaWAN

Lien Symphonie ® est un système sans fil développé par Link Labs. Il est principalement utilisé par les clients industriels et d'entreprise qui aiment la gamme LoRa mais qui ont besoin d'une fiabilité élevée et de fonctionnalités avancées dans leur système LPWA.

LoRaWAN est un protocole de couche de contrôle d'accès au support (MAC) conçu pour les réseaux mobiles, principalement en Europe.

Encodage des symboles LoRa

Symphony Link et LoRaWAN utilisent tous deux le schéma de modulation LoRa de Semtech. Essentiellement, LoRa est une forme d'onde. Il utilise une technologie d'étalement de spectre modulé qui code plusieurs bits par symbole, intègre la mise en paquets et la correction d'erreurs et fonctionne avec un excellent processeur de signal numérique en bande de base intégré, appelé SX1301. LoRa® est une marque déposée de Semtech. Le rôle que joue LoRa dans LoRaWAN® et Symphony Link® se situe au niveau de la couche 1, ou couche physique. C'est analogue à la modulation par déplacement de fréquence ou à une autre technologie PHY dans un système différent.

Modèle de données OSI

La technologie LoRaWAN est utile, avec un écosystème de fournisseurs vaste et croissant, mais elle présente plusieurs limitations qui la rendent inadaptée aux solutions de réseau privé :

L'Alliance LoRa travaille dur pour améliorer la technologie, mais pour l'instant, LoRaWAN est la meilleure solution pour les clients qui souhaitent développer des solutions pour se connecter aux réseaux publics LoRaWAN. Pour les réseaux privés, nous recommandons fortement à nos clients d'utiliser Symphony Link.

Raisons pour lesquelles les clients choisissent Symphony Link® au lieu de LoRaWAN®

Réception garantie du message.

Un certain pourcentage de messages non acquittés convient 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. Nous avons de nombreux clients de Symphony Link, des entreprises Fortune 100 aux startups, qui ont essayé de s'appuyer sur LoRaWAN et qui ont échoué. Le Symphony Link MAC accuse réception de chaque message, à la fois vers le haut et vers le bas.

Firmware Over-the-Air.

Avec Symphony Link, vous pouvez mettre à jour le micrologiciel hôte sur votre appareil après sa mise en service. C'est un énorme avantage au début de l'évolution de l'IOT, car cela permet aux clients d'accéder au marché plus rapidement et avec moins de risques. Pour de nombreux clients, c'est la principale raison d'adopter Symphony Link.

Aucune limite de cycle de service.

En Europe, Symphony Link utilise le saut de fréquence Listen-Before-Talk plus la bande d'agilité de fréquence adaptative, ce qui supprime la limite du cycle d'utilisation. Dans la bande 900 MHz, il n'y a pas de limite de cycle de service. De plus, en utilisant un schéma de saut de fréquence complet, les terminaux peuvent transmettre jusqu'à 1 W dans la bande 900 MHz. C'est idéal pour les appareils alimentés en courant alternatif comme les compteurs d'électricité et les lumières.

Répéteurs.

Étant donné que Symphony Link est un protocole synchrone, les répéteurs permettent aux utilisateurs d'étendre considérablement la portée du réseau sans affecter la latence. Les répéteurs coûtent beaucoup moins cher qu'un point d'accès extérieur et permettent ainsi aux clients de Symphony Link de couvrir de plus grandes zones sans dépenser des milliers de dollars supplémentaires en infrastructure. Ils sont également très économes en énergie, les répéteurs peuvent donc être alimentés par énergie solaire ou par batterie.

Qualité de service.

Avec Symphony Link, la passerelle contrôle le réseau qu'elle crée, nous avons mis en place un système de hiérarchisation de la qualité de service pour permettre aux nœuds avec un trafic important d'avoir la priorité sur les appareils avec un trafic moins prioritaire. Vous ne voulez pas qu'une alarme soit en concurrence avec un compteur d'eau pour accéder au canal.

Pas de configuration par appareil.

Le plus gros casse-tête lors de l'utilisation de LoRaWAN est probablement la gestion compliquée de plusieurs clés de chiffrement par appareil, à la fois au moment de la production de l'appareil et du côté serveur. Avec Symphony Link, la configuration de l'appareil hôte est la même pour tous les appareils du même type, et l'échange de clés est géré via notre architecture Diffie Hellman AES basée sur PKI de classe mondiale.

Contrôle de la puissance et du débit de données en temps réel.

Dans Symphony Link, avant chaque transmission, un terminal calcule la liaison inverse vers la passerelle et ajuste sa puissance de transmission et son facteur d'étalement ou son taux de modulation en conséquence. De cette façon, les nœuds du réseau ont un bilan de liaison équilibré. Les nœuds proches transmettent silencieusement et rapidement, et les nœuds éloignés transmettent fort et lentement. Et l'ADR dans Symphony Link consiste à optimiser les performances et la fiabilité. Symphony Link ADR optimise instantanément la capacité encore mieux que LoRaWAN.

Aucune faille de sécurité.

Avec Symphony Link et l'utilisation d'une infrastructure à clé publique (PKI), le canal sans fil en direct est considéré comme incassable par les normes de la NSA. La PKI empêche également l'usurpation d'identité et garantit l'identité de l'infrastructure.

Coexistence de plusieurs passerelles et atténuation des interférences.

Symphony Link utilise un masque de canal dynamique contrôlé par la passerelle pour garantir le moins de collisions possible. Aux États-Unis, Symphony Link utilise 28 fois plus de spectre que LoRaWAN, et en Europe sept fois plus.

Capacité plus élevée.

En utilisant des fonctionnalités asynchrones telles que le slotting et la coordination liaison montante/liaison descendante, un réseau Symphony Link a plus de quatre fois la capacité de LoRaWAN. Et lorsque vous associez cela à la qualité du service, Symphony Link est un choix beaucoup plus robuste pour les utilisateurs qui en ont besoin.

Multidiffusion.

Symphony Link implémente des clés de session de multidiffusion qui permettent d'adresser des groupes d'appareils. En regroupant logiquement les nœuds, vous pouvez les contrôler de la manière qui convient le mieux à votre application. S'il s'agit de contrôle d'éclairage, par exemple, vous pouvez regrouper 10 nœuds et envoyer et recevoir des messages de cette façon. C'est également ce qui permet à Symphony Link de transférer le micrologiciel par liaison radio.

Aucun coût associé à un identifiant de réseau.

L'exploitation d'un réseau Symphony Link ne nécessite pas d'ID de réseau de la LoRa Alliance. Symphony Link n'interfère pas avec LoRaWAN et vice versa.

Il existe également d'autres fonctionnalités propres à Symphony Link qui sont essentielles pour un sous-ensemble d'utilisateurs, comme la diffusion de synchronisation horaire, qui permet aux terminaux de se synchroniser avec l'horloge en temps réel de la passerelle et l'horodatage des données à la périphérie. Pour en savoir plus à ce sujet, consultez la section des cas d'utilisation de Symphony Link ci-dessous.

Description du protocole de liaison Symphony

Supposons que nous venons d'activer notre passerelle Symphony Link. La première chose qu'il fait est de scanner la bande et de créer un profil d'interférence. (Notez que c'est ainsi que le système fonctionne à 900 MHz. Pour 868, le fonctionnement est légèrement différent, puisque le canal balise est fixe, mais utilise un schéma TDMA.)

Une fois l'analyse des interférences terminée, la passerelle sélectionne un canal de 500 kHz pour sa liaison descendante (125 kHz pour l'Europe), puis écoute ce canal pour s'assurer qu'il n'y a pas de trafic LoRa faible, ce qui indiquerait une autre passerelle Symphony Link plus éloignée a choisi ce même canal. Notez également qu'il s'agit du mode de sélection automatique des chaînes ; l'utilisateur peut également définir le canal manuellement via l'interface de gestion de réseau de notre logiciel de gestion de réseau.

Ce canal est donc choisi et le système commence à émettre toutes les deux secondes. Ce message peut être appelé balise ou en-tête de trame. Cet en-tête de trame contient plusieurs informations importantes.

Tout d'abord, ce message est crypté avec l'ID réseau. C'est ce qui permet à un client de rendre son réseau « privé » et inutilisable par les autres utilisateurs de Symphony Link. Il s'agit de l'un des deux paramètres configurés sur l'appareil final, l'autre étant le jeton d'application, qui identifie le flux de données de l'appareil.

La deuxième information est la limite temporelle de liaison montante/liaison descendante. Cela indique aux nœuds qui sont éveillés pendant cette trame quand la passerelle aura fini de transmettre. Étant donné que LoRa est une technologie semi-duplex, il est important d'éviter les collisions haut/bas, qui sont très répandues dans LoRaWAN. (Une passerelle LoRaWAN doit répondre à la demande d'accusé de réception ou de liaison descendante d'un nœud dans un délai fixe. Tout message LoRaWAN envoyé pendant cette période ne sera pas reçu par la passerelle. Demander plus d'accusés de réception dans LoRaWAN ne fait qu'aggraver le problème de manière exponentielle.)

Une troisième information est la fréquence des canaux de liaison montante de la prochaine trame de liaison montante. Étant donné que Symphony Link utilise une méthode de liaison montante de « saut de bloc », où la banque de récepteurs saute dans chaque trame, les nœuds doivent être informés de l'emplacement de ces canaux. C'est également ainsi que Symphony Link peut avoir autant de réseaux en ondes à un moment donné sans interférence. De plus, étant donné que la passerelle indique aux nœuds quels canaux sont disponibles, Symphony Link peut avoir une passerelle à 1 canal, 8 canaux ou 64 canaux - le nœud final s'en moque. Un répéteur ou une passerelle monocanal peu coûteuse peut apporter les mêmes fonctionnalités au réseau qu'une passerelle plus grande, la seule différence étant la capacité de liaison montante. De plus, il y a l'avantage supplémentaire que le nœud d'extrémité peut détecter la présence d'un réseau de manière passive, même sur 868 et 915. Un nœud d'extrémité LoRaWAN doit transmettre à l'aveugle pour voir si un réseau répond pour savoir s'il y a un réseau là-bas ou non; cela peut brûler beaucoup d'énergie.

La passerelle envoie également un niveau de qualité de service pour cette trame, de sorte que si le réseau est encombré, les nœuds moins importants peuvent attendre avant de transmettre.

Enfin, la passerelle transmet le paquet d'accusé de réception compressé, qui contient un accusé de réception pour tous les messages de la trame précédente. Dans LoRaWAN, les accusés de réception qui se produisent sont toujours un à un, et lorsque vous ajoutez le préambule LoRa à ces messages, ils consomment énormément de bande passante. En compressant les ACK en un seul message, nous économisons un temps considérable sur LoRaWAN.

Il existe des informations supplémentaires dont les nœuds ont besoin pour effectuer des transactions avec le réseau, qui sont contenues dans le message de bloc d'informations et transmises par la passerelle toutes les huit trames. Les informations sur les limites de puissance réglementaires et la puissance de transmission de la passerelle sont importantes pour les nœuds car ils calculent leur puissance et leur facteur d'étalement pour chaque transmission. Si un réseau doit échanger la fiabilité contre de la capacité, le bloc d'informations peut également indiquer aux nœuds d'appliquer une marge de signal supplémentaire à leur calcul de puissance adaptative et de débit de données. La version logicielle de la passerelle est également transmise, pour éviter une inadéquation des capacités entre le nœud d'extrémité et la passerelle. Le message de bloc d'informations peut également activer ou désactiver le mode d'écoute avant de parler dans les nœuds, ce qui n'est requis que pour le fonctionnement en Europe et au Japon. En outre, le bloc d'informations indique aux nœuds s'il est connecté ou non au cloud de gestion de réseau, et donc si le serveur PKI peut être utilisé pour la source de clé publique, et si le nœud doit s'enregistrer avant de rejoindre le réseau. Cela permet à certains réseaux de fonctionner complètement déconnectés d'Internet.

Supposons qu'un nœud souhaite transmettre une charge utile de liaison montante à la passerelle. Comme il s'agit d'un réseau à faible consommation d'énergie, il est complètement endormi et inactif depuis un certain temps. Il se réveillera et réglera son récepteur sur la fréquence où il a entendu la passerelle pour la dernière fois. Il suppose un décalage de cristal dans le pire des cas et commence donc à écouter quelques millisecondes avant le début du préambule de l'en-tête de la trame de passerelle.

Il doit ensuite détecter et traiter le message d'en-tête de trame. Il apprend quand la fenêtre de liaison montante démarre et quelles fréquences sont disponibles.

Ensuite, il se met en veille pour le reste de la période de liaison descendante, à moins qu'il ne s'agisse d'un nœud « liaison descendante toujours active », ce que j'expliquerai dans un instant.

Une fois que la partie de liaison descendante de la trame est terminée, elle se règle sur une fréquence aléatoire à partir de l'ensemble que la passerelle vient d'annoncer. À l'intérieur de la trame restante se trouvent une série d'intervalles de temps, qui représentent chacun 10 octets de longueur de charge utile de message, plus une période d'écoute avant de parler.

Le nœud à ce stade calcule la puissance et le facteur d'étalement nécessaires pour fermer le lien vers la passerelle. Disons que le signal est relativement fort, il choisit donc un facteur d'étalement 7 et une puissance de transmission de 0 dBm.

Ce nœud a un message de 37 octets à transmettre, il aura donc besoin de 4 slots de sous-trame.

Or, la qualité de service du nœud joue un rôle important à ce stade. En supposant que la passerelle ne supprime pas les nœuds avec cette QOS, la QOS est ce qui dicte le pourcentage de créneaux temporels qu'un nœud peut prendre. Un service de haute qualité sélectionnera 4 emplacements de sous-trames à chaque fois.

Au niveau de qualité de service le plus bas, un nœud n'est autorisé à utiliser qu'un seul emplacement de sous-trame par trame, il faudrait donc 4 trames pour obtenir 37 octets.

Mais supposons que la QOS se situe au milieu, comme 8, dans la plage de QOS de 0 à 15. Il choisit donc 4 emplacements.

Il se rendort ensuite et se réveille après la prochaine trame pour recevoir l'accusé de réception. S'il y avait une collision avec l'un des 4 sous-paquets, alors seulement 3 seraient ACK et le nœud retransmettrait le sous-paquet manquant dans cette trame.

Étant donné que le MTU de Symphony Link ou la longueur maximale de la charge utile de transmission est de 256 octets, la liaison montante d'un message volumineux peut prendre jusqu'à 26 emplacements. Ce qui est bien, c'est que tous les emplacements manqués seront automatiquement renvoyés par le module. Dans LoRaWAN, si vous souhaitez envoyer plus d'environ 12 octets, vous devez gérer les nouvelles tentatives et la mise en paquets au niveau de la couche application. Imaginez à quel point cela serait difficile à mettre en œuvre pour plusieurs nœuds.

Un répéteur dans Symphony Link fonctionne en intégrant une balise, une liaison descendante, une liaison montante et un message de transfert dans la partie de liaison montante d'une trame Symphony normale. En effet, le taux de modulation ou le facteur d'étalement des répéteurs est 2 fois plus rapide que celui de la passerelle. Cela renonce à 3 dB de la liaison, mais ce n'est pas vraiment perceptible pour les répéteurs, qui peuvent ajouter une couverture énorme au réseau. Alors que les répéteurs ont une capacité bien inférieure à celle de la passerelle, une seule passerelle peut héberger des dizaines de répéteurs. Il s'agit d'une excellente architecture pour couvrir de vastes zones de manière rentable.

Ce ne sont là que les bases du fonctionnement de Symphony Link. Il existe de nombreuses autres fonctionnalités telles que les transferts de firmware, la multidiffusion et les échanges de clés, mais ce qui précède devrait vous donner une bonne idée de l'architecture de base du système.

Cas d'utilisation de Symphony Link

Les clients de Link Labs utilisent Symphony Link dans divers environnements d'entreprise et industriels. Voici quelques exemples de cas d'utilisation actuels :

De plus, Symphony Link est la seule technologie LPWAN qui fonctionne dans des cas d'utilisation comme ceux-ci :

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