Qu'est-ce que LoRa ? Une panne technique

« Qu'est-ce que LoRa ? » Chaque fois que quelqu'un me pose cette question, il est difficile de savoir exactement comment répondre sans savoir pourquoi ils demandent. C'est parce que LoRa peut faire référence à plus d'une chose :

• Techniquement, il s'agit d'un schéma de modulation radio :un moyen de manipuler une onde radio pour encoder des informations à l'aide d'un format multi-symboles modulé.
• LoRa fait également référence aux systèmes qui prennent en charge la modulation, y compris les puces LoRa et les passerelles.
• Parfois, cela fait référence au réseau de communication LoRa pour les applications IoT.

LoRa, essentiellement, est un moyen astucieux d'obtenir une très bonne sensibilité du récepteur et un faible taux d'erreur sur les bits (BER) à partir de puces peu coûteuses. Cela signifie que les applications à faible débit de données peuvent obtenir une portée beaucoup plus longue en utilisant LoRa plutôt qu'en utilisant d'autres technologies radio à prix comparable.

Parfois, les gens disent aussi LoRa quand ils veulent dire LoRaWAN .

Mais LoRaWAN est différent. Il s'agit d'un protocole de couche de contrôle d'accès au support (MAC) construit sur LoRa, construit à l'aide du schéma de modulation LoRa de Semtech. LoRaWAN, cependant, est rarement utilisé pour les applications industrielles (réseau privé). Il convient mieux aux réseaux publics étendus car tous les canaux sont réglés sur les mêmes fréquences; pour une utilisation sur une seule zone, il est préférable de n'avoir qu'un seul réseau opérationnel afin d'éviter les problèmes de collision.

LoRaWAN est-il la meilleure technologie sans fil pour votre appareil IoT ? Utilisez ce livre blanc gratuit pour comparer les avantages et les inconvénients de plusieurs options avant de vous engager.

Étant donné que toutes les passerelles d'un réseau sont liées au même serveur, c'est au serveur de décider quelle passerelle doit répondre à une transmission. Dans un grand réseau, toute transmission donnée est généralement entendue par plusieurs récepteurs; le serveur demande alors à une passerelle de répondre et aux autres d'ignorer la transmission. Ce processus permet d'éviter les collisions entre les liaisons descendantes et montantes, car une seule passerelle transmet et les passerelles qui se chevauchent peuvent simplement écouter d'autres transmissions. (Vous pouvez en savoir plus sur LoRaWAN ici.)

Ce que beaucoup de gens ne réalisent pas, c'est qu'il existe un moyen d'utiliser la technologie sous-jacente de LoRaWAN—qui est LoRa—sans en utilisant LoRaWAN. Par exemple, Symphony Link de Link Labs utilise une couche MAC propriétaire au-dessus des puces de Semtech et possède des fonctionnalités supplémentaires qui en font un meilleur choix pour les entreprises et les clients industriels qui ont besoin d'un moyen de connecter en toute sécurité leurs appareils IoT au cloud. De nombreuses entreprises utilisent des puces LoRa pour d'autres protocoles; tout ce que vous avez à faire est de les rechercher.

La réponse technique à "Qu'est-ce que LoRa ?"

D'un point de vue technique, LoRa est un format de modulation unique (et génial). Cette vidéo est la meilleure intro LoRa que j'ai trouvée. (Mise en garde :c'est très technique.)

Généré par les pièces IOT LoRa de Semtech, y compris les puces d'émetteur-récepteur SX1272 et SX1276, le format de modulation de LoRa est mieux décrit comme un "chirp modulé en fréquence (FM)". L'IP de base qui permet à LoRa est la capacité de générer un chirp stable à l'aide d'une boucle à verrouillage de phase (PLL) frac-N. Ici, vous pouvez lire le brevet LoRa de base. D'autres formats de modulation incluent la modulation par déplacement de fréquence (FSK), la modulation par déplacement de phase (PSK), etc. Il est important de se rappeler lorsque vous demandez « Qu'est-ce que LoRa ? » que LoRa lui-même ne décrit pas la fonctionnalité du système au-dessus de la couche physique (support RF).

Le protocole LoRa IoT

UN COMPOSANT SANS FIL DE COUCHE PHYSIQUE (COUCHE PHYSIQUE 1)

Semtech a acquis la technologie sans fil LoRa via son acquisition de Cycleo SAS de Grenoble, France pour 5 millions de dollars en 2012. Une aubaine !

Lors du traitement d'un message LoRa, un gain de traitement supplémentaire est obtenu grâce à la capacité du modem à filtrer sur le signal chirp à rampe constante. C'est ainsi que la haute sensibilité est atteinte. Afin d'obtenir un « verrouillage » sur le signal LoRa, un long préambule de « chirp constant » est transmis. (Voir Figure 1.) C'est vraiment la puissance de LoRa—qu'une puce bon marché avec un cristal bon marché peut atteindre une sensibilité très élevée.

Figure 1. Préambule de Semtech LoRa

Ce préambule peut être défini comme un nombre variable de « symboles », qui ne sont que le nombre de bips. Comme vous pouvez l'imaginer, il n'y a pas de sélectivité entre un préambule d'un émetteur LoRa par rapport à un autre. S'il y a un chirp constant à la bonne fréquence et au bon taux de chirp, un démodulateur LoRa l'écoutera, qu'il provienne ou non du système prévu. Gérer un système de récepteur LoRa pour être agile face aux interférences de puissance régulières et Les interférences LoRa sont très importantes et constituent un élément clé de Symphony Link.

Une fois qu'un modem LoRa s'est « verrouillé » sur le signal du préambule, la fin du préambule est signalée par le « chirp inverse » illustré à la figure 1.

Ensuite, la transmission des données commence, qui comporte une série de « symboles » qui fonctionnent un peu comme les symboles M-ARY FSK, mais qui se produisent à la place sur un bip. Voir la figure 2.

Figure 2. Modulation de données LoRa

Une autre caractéristique puissante de LoRa est la possibilité de démoduler plusieurs signaux « orthogonaux » ou simultanés à la même fréquence, en supposant qu'ils aient des taux de chirp différents. Dans la fiche technique, les taux de chirp LoRa sont appelés « facteurs d'étalement », avec des facteurs d'étalement plus élevés indiquant des chirps plus lents. Cette fonction est supportée par la puce SX1301 de Semtech. Tous les systèmes de passerelle Link Labs ont la capacité de décoder simultanément de nombreux chirps LoRa simultanés, ce qui permet de construire de très grands réseaux.

Voir l'exemple de passerelle LoRaWAN pour les développeurs.

Construire un tel réseau ou système LoRa nécessite une énorme quantité de développement. Passer de LoRa à un système sans fil fonctionnel revient à passer d'une puce radio BPSK à un réseau WiFi. Les fonctions OSI de couche 2 et supérieures des grands réseaux qui incluent les passerelles, les répéteurs, l'adressage, les débits de données adaptatifs, les nouvelles tentatives de message, les accusés de réception de message et les signaux de liaison descendante OFDM haute capacité sont la fonction de systèmes comme LoRaWAN et Symphony Link.

» En savoir plus sur le système Symphony Link de Link Labs.

Alliance LoRa

Il y a eu un mouvement pour standardiser les fonctionnalités MAC pour LoRa appelé LoRa Alliance, dont Link Labs était un des premiers membres. L'Alliance LoRa a développé le protocole LoRaWAN à l'usage des opérateurs de réseaux mobiles qui souhaitent utiliser un spectre sans licence pour communiquer avec les appareils IoT de leur réseau.

En revanche, Symphony Link est un protocole standardisé développé par Link Labs et nos clients qui aiment la gamme LoRa, mais qui ont besoin d'un niveau de performances qui n'est pas disponible avec LoRaWAN. Il est spécifiquement axé sur la région UIT 2 (bande ISM 915 MHz). LoRaWAN est parfaitement adapté à la région ITU 1, où les restrictions des cycles d'utilisation des émetteurs ETSI limitent considérablement le rôle que la station de base peut jouer dans le réseau.

Quelques détails sur LoRaWAN, le protocole LoRa Alliance pour LoRa :

• LoRaWAN est une implémentation côté serveur d'un protocole d'accès multiple conçu pour minimiser les collisions avec un grand nombre de points de terminaison. Il nécessite une application serveur pour exécuter les fonctions MAC via une connexion réseau.
• L'architecture du réseau LoRaWAN est généralement présentée dans une topologie en étoile dans laquelle les passerelles sont un pont transparent relayant les messages entre les terminaux et un serveur réseau central dans le backend.
• La logique client est intégrée au serveur réseau
• Il est conçu principalement pour les applications de liaison montante uniquement avec de nombreux points de terminaison, ou les applications où seuls quelques messages de liaison descendante sont requis (limité soit par l'application soit par le nombre de points de terminaison)
• Les passerelles au sein du même réseau nécessitent une synchronisation
• La communication entre les terminaux et les passerelles est répartie sur différents canaux de fréquence et débits de données. La sélection du débit de données est un compromis entre la plage de communication et la durée du message.
• Les différents débits de données n'interfèrent pas les uns avec les autres et créent un ensemble de canaux « virtuels » augmentant la capacité de la passerelle.
• Le serveur de réseau LoRaWAN gère le débit de données et la sortie RF pour chaque appareil final individuellement au moyen d'un schéma de débit de données adaptatif (ADR) qui est généralement mis à jour toutes les 24 heures
• Plusieurs couches de sécurité/chiffrement (EUI64 au niveau du réseau et au niveau de l'application et clé EUI128 spécifique à l'appareil)
• AES CCM (128 bits) pour le chiffrement et l'authentification
• Fonctionne dans les limites du rapport cyclique ETSI 1 % et 10 % sur le temps de transmission dans les 868 bandes
• Ebauche de révision de la classe B pour les nœuds de liaison descendante pouvant interroger une balise toutes les 1 s à 128 s (Prototypes d'ingénierie disponibles maintenant à l'aide de LMiC d'IBM) La période de la balise est de 128 s (2^n) où n est compris entre 0 et 7
• Diversité d'antenne, car toutes les passerelles écoutent les mêmes canaux de liaison montante
  
  

Utilisations de la connectivité LoRa

Certaines entreprises utilisent l'ensemble de la pile technologique LoRa/LoRaWAN de manière intéressante, comme le suivi des actifs extérieurs. Par exemple, Ofo, une société chinoise de partage de vélos, équipe ses vélos d'appareils LoRa et d'une technologie de radiofréquence sans fil pour localiser les vélos. La société opère actuellement dans plus de 180 villes en Chine.

Un autre exemple d'utilisation du réseau LoRa vient de la société PNI Sensor basée à Santa Rosa, en Californie. PNI utilise une connectivité sans fil basée sur LoRaWAN pour fournir des données de stationnement urbain en temps réel, ce qui permet aux conducteurs de trouver plus facilement des places de stationnement disponibles pour la gestion du stationnement public et privé sur rue et hors rue. L'objectif final est de réduire les embouteillages et les émissions de carbone causées par les conducteurs qui reviennent sur leurs pas à plusieurs reprises dans le but de trouver un parking disponible.

Un certain nombre d'industries tirent parti de la norme ouverte LoRaWAN pour les appareils IoT, notamment l'agriculture (pour l'irrigation/la surveillance du niveau d'eau et la lutte antiparasitaire), les services publics (pour les compteurs électriques intelligents, l'éclairage et les scénarios de gestion de l'énergie) et la construction de bâtiments (pour les portes de bâtiment et les capteurs de fenêtre et les applications de santé structurelle des bâtiments).

Il existe également de nombreuses entreprises qui utilisent des réseaux LoRa qui ne sont pas LoRaWAN.

Déploiement de votre appareil IoT à l'aide de LoRa

LoRaWAN est un excellent choix pour le protocole 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, ce qui est un grand avantage. Mais le processus de développement et de déploiement d'un système autour de LoRaWAN est assez complexe, et il sera difficile si vous n'avez pas beaucoup d'expertise ou d'expérience avec les protocoles de radiofréquence ou les systèmes et la planification sans fil. Vous devrez également réfléchir si le déploiement d'un réseau LoRaWAN™ répondra à vos besoins. Dans certains cas, il peut être préférable d'utiliser un protocole personnalisé, où tout ce que vous avez à faire est d'envoyer des données à un nœud déjà écrit pour se connecter au cloud. Si vous utilisez Symphony Link, par exemple, nous avons déjà effectué ce travail pour vous.

Quel que soit le réseau adapté à votre application, les kits de développement facilitent les tests et le prototypage. Voici quelques kits de développement que je recommande pour démarrer avec la technologie que vous choisissez :

Pour commencer avec LoRaWAN, essayez ce kit de développement de Multi-Tech Systems Inc.

Pour créer votre propre protocole LoRa, acheter un kit de développement Semtech.