LoRaWAN transmet sur de longues distances

LoRaWAN est le protocole de couche MAC qui contrôle la communication entre les appareils LoRa et les passerelles LoRa. Les applications LoRaWAN fonctionnent dans des gammes de fréquences ISM et SRD différentes selon les régions et les pays.

En Europe, la bande de fréquences de 433,05 à 434,79 MHz (bande ISM région 1) et de 863 à 870 MHz (bande SRD Europe) est approuvée pour la communication LoRa. En Amérique du Nord, la bande de fréquences de 902 à 928 MHz (bande ISM région 2) est disponible.

L'étalement de fréquence basé sur la modulation à spectre étalé par chirp permet une grande efficacité en termes de transfert de données et de consommation d'énergie. Dans le même temps, la modulation utilisée minimise les interférences.

LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) fait partie des technologies de réseau étendu à faible consommation (LPWAN). Cette technologie fonctionne dans le spectre de fréquences sans fil sans licence, généralement connu sous le nom de bande radio ISM (industrielle, scientifique et médicale). En raison de la législation nationale, ces fréquences peuvent varier d'une région à l'autre.

Cet article technique a été rédigé par Wolfgang Weber, Global Industry Manager chez Pepperl+Fuchs.

LoRaWAN

Qu'est-ce que LoRaWAN ?

LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) fait partie des technologies de réseau étendu à faible consommation (LPWAN). Il fonctionne dans le spectre de fréquences sans fil sans licence, généralement connu sous le nom de bande radio ISM (industrielle, scientifique et médicale). En raison des législations nationales, ces fréquences peuvent varier d'une région à l'autre.

L'objectif de LoRaWAN peut être décrit comme une technologie qui offre un transfert sans fil de données sur de longues distances avec un minimum d'énergie et à faible coût. La quantité de données et le nombre de transmissions sont strictement limités. LoRaWAN est également une technologie principalement orientée vers la liaison montante. Elle est donc principalement adaptée à la transmission de signaux de capteurs avec un contenu de données (charge utile) très limité et sans exigences en temps réel.

LoRaWAN fournit un débit de données adaptable (ADR) en modifiant le facteur d'étalement SF. Un SF faible entraîne des débits de données élevés et vice versa. Cela a une influence significative sur la portée des signaux. L'adaptation du débit de données est effectuée par un algorithme dans le serveur réseau, qui utilise les valeurs RSSI (Received Signal Strength Indicator) et SNR (Signal to Noise Ratio) pour évaluer la qualité de la transmission. Un débit de données plus élevé permet également d'économiser du temps d'antenne, ce qui réduit la probabilité de collisions.

Les avantages

LoRaWAN tire parti des caractéristiques longue portée de la couche physique LoRa, permettant une liaison à saut unique entre les terminaux et une ou plusieurs passerelles. Tous les modes (classes A, B et C) sont capables de communication bidirectionnelle, et les groupes d'adressage multicast sont pris en charge afin d'utiliser efficacement le spectre lors de tâches telles que les mises à jour Firmware Over-The-Air (FOTA) ou d'autres messages de distribution de masse.

Topologie

LoRaWAN est une technologie de transmission en étoile. Le dispositif terminal envoie ses données (charge utile) à une passerelle locale. Le nombre de passerelles correspond à la connectivité requise dans une zone donnée. En champ libre, la couverture est bien meilleure que dans une zone très encombrée, en particulier si les dispositifs terminaux doivent être atteints dans les sous-sols des bâtiments.

La passerelle transfère les messages à un serveur. Le serveur réseau LoRaWAN (LNS) gère la communication avec les terminaux. Ainsi, un terminal peut transmettre des messages via plusieurs passerelles à portée du signal, s'ils appartiennent au même serveur.

Le serveur réseau intègre un serveur de connexion qui gère le processus de connexion d'un terminal et la génération des clés de cryptage. Le serveur réseau transmet les messages à un serveur d'application, qui fait généralement déjà partie de l'infrastructure de l'utilisateur final.

Interfaces

La communication entre un terminal et le LNS est définie par la spécification LoRaWAN publiée par la LoRa Alliance. La charge utile du terminal est bien sûr spécifique à la tâche respective du terminal et doit être décodée. Comme la charge utile est cryptée de bout en bout, le décodage s'effectue généralement du côté du serveur d'application. Mais le protocole entre le serveur réseau et le serveur d'application dépend des exigences du client. Les formats typiques sont MQTT ou Rest API.

Directives relatives au temps de transmission

Comme LoRaWAN fonctionne dans un spectre sans licence, il existe des restrictions légales. Dans ce cas, l'utilisation du temps d'antenne est limitée à 1 % dans les canaux préférentiels. Comme LoRaWAN permet 6 cycles de transmission différents, cela entraîne également une restriction de la charge utile. Les restrictions et les réglementations relatives à l'exploitation d'un réseau LoRa diffèrent en Europe et surtout aux États-Unis.

Trois classes d'appareils LoRa

Trois classes d'appareils

La classe A est principalement orientée vers la liaison montante. Cette classe ne peut recevoir des informations de liaison descendante d'un serveur qu'immédiatement après l'envoi d'un message. Après l'envoi d'un petit message, une fenêtre de réception s'affiche, qui peut être utilisée pour envoyer des messages à l'appareil final. Les appareils de classe A représentent environ 90 % du marché.

Les appareilsde classe B peuvent recevoir des liaisons descendantes à des intervalles de temps définis, indépendamment des messages de liaison montante. Cela nécessite une synchronisation horaire avec le serveur. Cette version est rarement utilisée sur le marché.

Les appareilsde classe C peuvent communiquer de manière bidirectionnelle à tout moment. Par conséquent, ces appareils ne peuvent plus fonctionner sur batterie, car leur consommation d'énergie est beaucoup trop élevée. L'un des principaux avantages des applications LoRaWAN est donc perdu. Dans les domaines d'application où l'alimentation électrique est disponible mais où il n'existe aucune infrastructure de communication filaire, cette technologie constitue une alternative aux autres réseaux de communication sans fil, en raison de sa longue portée.

Spectre

La technologie de base de LoRaWAN est appelée CSS (Chirp Spread Spectrum). Cela signifie que les signaux radio utilisent une fréquence croissante (up-chirp) ou décroissante (down-chirp) à amplitude constante. Cette méthode s'est avérée très efficace pour fournir une très bonne portée pour une faible puissance donnée et elle permet de recevoir des messages même en dessous du niveau de bruit.

Facteur d'étalement (SF)

Pour s'adapter à différentes qualités de transmission, 6 facteurs d'étalement (SF) sont disponibles. L'étalement signifie que le temps de transmission est prolongé afin d'améliorer la portée. Un facteur d'étalement plus élevé augmente le temps d'antenne et permet une plus longue portée des signaux, mais réduit également le débit de données.

Coexistence

LoRaWAN utilise le principe ALOHA. ALOHA est un protocole d'accès multiple pour la transmission de données via un canal réseau partagé. Cela signifie qu'un terminal peut envoyer des données à tout moment sans synchronisation avec un autre terminal ou la passerelle de réception.

Si plusieurs terminaux envoient des données en même temps en utilisant des débits de données identiques, des collisions peuvent se produire et des données peuvent être perdues.

L'utilisation de différents facteurs d'étalement permet à la passerelle de recevoir simultanément des données provenant de différents terminaux. De plus, différents canaux sont disponibles (les trois canaux par défaut sont 868,10 MHz, 868,30 MHz et 868,50 MHz).

Des déchets aux inondations

Gestion des déchets

Les poubelles sont des objets sans alimentation électrique ni connexion de données filaire. Par conséquent, un capteur doit fonctionner de manière autonome. Dans ce cas précis, cela signifie un fonctionnement sans entretien pendant six ans maximum et une communication radio même à l'extérieur d'un conteneur métallique.

Ces applications sont généralement limitées à une zone clairement définie. Un service de collecte des déchets opère toujours dans une zone fixe, comme une ville ou un parc industriel. Par conséquent, des réseaux locaux pouvant être facilement adaptés en fonction des conditions environnementales spécifiques sont tout à fait envisageables.

La quantité de données est très limitée et il n'y a pas non plus d'exigences en temps réel. Trois messages par jour sont généralement tout à fait suffisants.

D'autre part, une durée de vie de la batterie de 6 ans ou plus est requise, car la maintenance permanente des capteurs entraînerait des coûts inacceptables. Dans de nombreux cas, le réseau est exploité par le client, ce qui signifie qu'il n'y a pas de frais pour la transmission des données.

Conteneurs en verre

Les conteneurs en verre, en particulier, sont souvent équipés de capteurs de niveau de remplissage afin d'organiser la collecte des conteneurs pleins. Cela permet d'une part de réduire les trajets inutiles et d'autre part d'éviter la colère des citoyens confrontés à un conteneur complètement rempli.

Service hivernal

Les capteurs peuvent également mesurer le niveau de remplissage des conteneurs de sel de voirie. Combinées aux données météorologiques, les données de mesure provenant des silos à sel permettent une gestion optimale de l'entretien des routes en hiver.

Protection contre les inondations

Des capteurs de niveau sont fixés sur les ponts qui enjambent les rivières ou les canaux, par exemple, où ils mesurent le niveau de l'eau. Il est particulièrement intéressant de mettre en réseau les données calculées par l'intelligence artificielle avec les données LoRaWAN. L'occurrence des inondations peut ainsi être contrôlée et estimée plus efficacement.

Entretien avec Wolfgang Weber

La percée va arriver !

Wolfgang Weber, Global Industry Manager chez Pepperl+Fuchs, explique dans une interview accordée à RFID & Wireless IoT Global pourquoi LoRaWAN répond extrêmement bien aux exigences d'un réseau radio puissant, mais que les attentes concernant le nombre de passerelles n'ont pas encore été satisfaites.

Interview

1. La technologie Long Range Wide Area Network (LoRaWAN), encore très récente, a-t-elle atteint sa maturité ?

C'est une bonne question, et je peux y répondre sans équivoque par « oui ». Même si la technologie LoRaWAN n'a que sept ans (la première spécification remonte à 2015), elle fonctionne parfaitement. Les terminaux, capteurs et passerelles sont disponibles et opérationnels. Le réseau LoRaWAN offre une très bonne couverture et, dans l'ensemble, la technologie LoRaWAN est rentable.

2. Quelle application constitue une véritable avancée ?

Le comptage intelligent est une application qui fonctionne très bien. Avec plus de 2 millions de terminaux et environ 40 000 passerelles dans toute l'Allemagne, LoRaWAN est utilisé à l'échelle nationale pour la lecture des compteurs d'eau et de chaleur. Les données peuvent désormais être récupérées trimestriellement via les réseaux LoRaWAN. Cela facilite le suivi de l'évolution des coûts.

3. Pour quelles applications Pepperl+Fuchs propose-t-il des solutions LoRaWAN et quels sont les produits concernés ?

Nous proposons un capteur à ultrasons pour la mesure du niveau de remplissage. Ces capteurs sont utilisés depuis longtemps, en particulier dans l'industrie. La nouveauté réside dans l'envoi des données de mesure via les réseaux radio LoRaWAN et l'extension des domaines d'application aux villes intelligentes.

Les capteurs de niveau à ultrasons sont installés, par exemple, sur des ponts enjambant des rivières ou des canaux, où ils mesurent le niveau de l'eau. Nous mettons actuellement en place une solution LoRaWAN pour la mesure du niveau de l'eau à Wuppertal. La lutte contre les inondations y est soutenue par des appareils de mesure LoRaWAN. Il est particulièrement intéressant de mettre en réseau les données calculées par l'intelligence artificielle avec les données LoRaWAN. L'occurrence des inondations peut ainsi être contrôlée et estimée plus efficacement.

4. Pouvez-vous décrire d'autres exemples d'application ?

À Wuppertal, nous avons déployé 800 capteurs de niveau dans des conteneurs en verre pour le compte de l'Abfallwirtschaftsgesellschaft (AWG). L'installation a été réalisée en 2021. Depuis l'hiver 2021, nos capteurs à Heidelberg mesurent également le niveau de remplissage des conteneurs de sel de voirie.

La ville a lancé le projet « Smart Winter » et enregistre des données météorologiques. Ces données sont complétées par les données de mesure provenant des silos de sel de déneigement. L'objectif est de gérer de manière optimale les services hivernaux.

5. Quelles sont les performances de LoRaWAN dans le secteur industriel ?

Pepperl+Fuchs est principalement représenté dans le secteur industriel avec LoRaWAN. Nous utilisons des capteurs inductifs dans une grande entreprise chimique du Bade-Wurtemberg pour contrôler la position des leviers sur les vannes. Les décideurs industriels veulent éliminer les problèmes et minimiser les points faibles. Ils s'intéressent aux solutions.

Dans l'industrie, ils veulent accroître l'efficacité, cartographier les processus de manière transparente et favoriser la numérisation. Comme les actifs ou les appareils mobiles ne peuvent pas être connectés à l'aide de câbles, le capteur LoRaWAN est une solution optimale. Il peut être installé rapidement à l'aide de deux vis et peut collecter des données immédiatement.

6. Êtes-vous satisfait de l'évolution des projets de solutions LoRaWAN ?

LoRaWAN est très bien représenté dans plus de 150 pays. 4 millions de passerelles et 250 millions d'appareils finaux sont utilisés. C'est déjà un nombre considérable. Néanmoins, les attentes sont élevées pour cette technologie. Et les projets, en particulier dans les villes intelligentes, sont parfois lents.

7. Pourquoi les projets LoRaWAN ne fonctionnent-ils pas aussi bien que prévu ?

Des sujets tels que « l'élimination des déchets » font souvent l'objet de débats approfondis au sein des comités municipaux. À mon avis, cependant, la percée aura lieu, car les réseaux sans fil sont là. Le matériel fonctionne, il est disponible et la mise en œuvre dans son ensemble est rentable. Ce n'est donc qu'une question de temps. La technologie de l'hydrogène fait également l'objet de discussions depuis des décennies et aujourd'hui, elle a connu une percée complète. Les carnets de commandes sont remplis pour les années à venir. Si les partenaires travaillent bien ensemble et que les objectifs sont clairement définis, LoRaWAN peut être intégré rapidement et à moindre coût. Cette technologie présente de nombreux avantages.

8. Est-il vrai que la technologie NB-IOT ne répond pas non plus aux attentes ?

Oui, c'est exact. En Chine, cette norme radio est fortement encouragée par le gouvernement. Dans ce pays, cependant, cette technologie souffre d'une réticence à mettre en œuvre des cas d'utilisation. Comme déjà mentionné, les possibilités d'application sont nombreuses, mais les décisions d'approbation font défaut.