Quelle est la technologie derrière la fréquence LoRa

LoRa utilise la modulation CSS (Chirp Spread Spectrum), qui utilise une méthode d'étalement de fréquence. Les impulsions dites « chirp » sont envoyées sous forme de symboles, dont la fréquence LoRa augmente ou diminue continuellement au fil du temps. La transmission des données s'effectue ensuite par la séquence de ces impulsions.

Propriétés spéciales

Étant donné que LoRa fonctionne dans les bandes de fréquences ISM (433 MHz, 868 MHz et 915 MHz), la puissance d'émission rayonnée est limitée. Afin d'obtenir une portée radio plus large que les types de modulation conventionnels tels que la modulation par déplacement de fréquence (FSK), la sensibilité du récepteur a été considérablement améliorée avec LoRa. Le récepteur LoRa peut toujours recevoir et décoder avec succès un signal LoRa utile jusqu'à 20 dB en dessous du niveau de bruit, ce qui se traduit par une sensibilité maximale du récepteur de -149 dBm. Comparé à la sensibilité FSK maximale d'environ -125 dBm à -130 dBm, LoRa offre une amélioration significative. Avec le récepteur FSK, le signal ne peut être décodé avec succès que si le signal utile est d'environ

Grâce à la capacité de LoRa à recevoir un signal utile jusqu'à 20 dB en dessous du niveau de bruit, la robustesse aux interférences radio est nettement supérieure à celle de la FSK. Les systèmes FSK ne fonctionnent correctement que si le signal d'interférence est au moins 10 dB plus faible que le signal utile. Dans le meilleur des cas, les systèmes LoRa peuvent recevoir le signal utile même si le signal d'interférence est 20 dB plus fort que le signal utile.

Limites

Le graphique ci-dessus montre que LoRa peut recevoir des signaux environ 30 dB plus faibles qu'avec FSK. Cependant, deux restrictions relativisent quelque peu cette différence importante.

Premièrement, la modulation LoRa est plus large bande passante que la modulation FSK, ce qui signifie que le niveau de bruit du récepteur LoRa est généralement plus élevé que celui du récepteur FSK. Plus précisément, doubler la bande passante augmente le niveau de bruit de 3 dB.
Deuxièmement, LoRa ne peut recevoir un signal utile que jusqu'à 20 dB en dessous du niveau de bruit à des débits très lents, ≤ 0.5 kbit/s. Dès que le débit augmente, soit le rapport signal/bruit négatif augmente encore vers zéro, soit la bande passante doit être augmentée, ce qui augmente à son tour le niveau de bruit.

Mesure de comparaison entre LoRa et FSK

Pour déterminer l'efficacité réelle de LoRa, il est nécessaire de comparer directement LoRa et FSK. Pour ce faire, nous avons comparé nos émetteurs-récepteurs FSK standard (CC1020 et CC1101) aux données de l'émetteur-récepteur LoRa/FSK SX1261.

D'après les informations des fiches techniques, LoRa offre une sensibilité maximale supérieure d'au moins 24 dB à celle du meilleur émetteur-récepteur FSK (SX1261). Comparée aux anciens émetteurs-récepteurs FSK (CC1020 et CC1101), la sensibilité maximale est même supérieure de 31 ou 33 dB. Sachant que la portée radio peut être doublée pour chaque gain de sensibilité de 10 dB, LoRa devrait permettre une portée radio 4 à 8 fois supérieure à celle du FSK.

Cependant, il est également notable que la sensibilité maximale de LoRa est atteinte avec un débit extrêmement lent de seulement 0.02 kbit/s. Afin d'obtenir une comparaison directe et pertinente entre les différents émetteurs-récepteurs, la sensibilité de tous les émetteurs-récepteurs est déterminée au même débit. Selon le fabricant de Semtech, LoRa devrait atteindre une sensibilité supérieure d'environ 7 à 10 dB au même débit que la FSK.

Nos propres mesures ont donné les résultats suivants :

L'émetteur-récepteur SX1261 avec modulation LoRa offre une sensibilité supérieure de 4 à 6 dB à celle de la modulation FSK. Il est également supérieur de 1020 à 8 dB à celle du CC11 et de 1101 à 13 dB à celle du CC17. Il est remarquable de constater que plus le débit de données est faible, plus le gain de sensibilité est important avec LoRa.

Une autre vue illustre le potentiel d'économie d'énergie de LoRa. Pour atteindre la même sensibilité qu'avec la FSK, LoRa permet d'utiliser un débit de données environ quatre fois supérieur. Le même télégramme radio est ainsi quatre fois plus court et la consommation d'énergie est divisée par quatre.

Conclusion:

Comme pour tous les émetteurs-récepteurs radio, la sensibilité maximale de LoRa, soit -149 dBm, n'est atteinte qu'au débit de données le plus faible. Ce débit n'est que d'environ 0.02 kbit/s et est donc inutilisable pour de nombreuses applications. Cependant, si ces faibles débits sont utilisés, la portée radio pourrait théoriquement être multipliée par quatre par rapport aux émetteurs-récepteurs FSK modernes.

En augmentant le débit de données LoRa de 1.2 kbit/s à 10 kbit/s, LoRa offre une sensibilité supérieure d'environ 4 à 6 dB par rapport aux émetteurs-récepteurs FSK modernes. Comparé aux émetteurs-récepteurs FSK plus anciens tels que le CC1101 ou le CC1020, LoRa permet même de doubler, voire de tripler, la portée radio.

Il existe une option intéressante d'économie d'énergie pour les applications où la sensibilité FSK actuelle est suffisante. Si la même sensibilité est obtenue avec LoRa, le débit de données peut être multiplié par 4 par rapport à la FSK, ce qui permet également de réduire la consommation d'énergie d'un facteur 4.

Pour nous, la technologie LoRa représente une alternative intéressante pour les applications avec des débits allant jusqu'à 10 kbit/s, car la portée radio peut être considérablement augmentée par rapport aux anciens émetteurs-récepteurs. La possibilité de se connecter au réseau LoRaWAN nous intéresse particulièrement : les applications IoT peuvent ainsi être connectées à Internet pratiquement partout.

Avec notre module LoRa « TRX433-70 », nous sommes prêts pour de futurs projets LoRa innovants.

Transmission radio avec LoRa

Les relevés de compteurs, les commandes de commutation et autres informations peuvent être transmis du module concentrateur au routeur et inversement de différentes manières. Si la transmission filaire est impossible ou trop coûteuse, la transmission radio LoRa peut constituer une alternative pour la relève à distance.

La norme radio LoRa

LoRa signifie Long Range, c'est-à-dire une portée radio élevée. Il s'agit d'une norme radio alternative aux technologies connues telles que l'UMTS ou le LTE. Dans de nombreux pays, LoRa s'est déjà imposé comme la base d'une norme de communication pour l'Internet des objets (IoT), la communication machine à machine (M2M) et les applications industrielles et urbaines intelligentes.

La norme radio LoRa, comme d'autres technologies radio, utilise les bandes de fréquences LoRa libres des bandes ISM (industrielles, scientifiques et médicales) sans licence. En Europe, il s'agit des bandes 433 et 868 MHz. Grâce à un procédé radio spécial, appelé étalement de fréquence, cette technologie est quasiment insensible aux interférences. La portée entre l'émetteur et le récepteur est comprise entre 2 et 15 km, selon l'environnement et la zone bâtie. Grâce à sa sensibilité élevée de -137 dBm, elle permet une pénétration élevée des bâtiments. Les signaux radio pénètrent profondément à l'intérieur des bâtiments et des sous-sols. La transmission radio LoRa est supérieure, notamment dans les campings où les toits métalliques des caravanes et des camping-cars affaiblissent souvent la puissance du signal Wi-Fi. Le débit de données LoRa est compris entre 0.3 et 50 kbit/s.

Applications pour LoRa

LoRa est principalement utilisé dans les applications où de très petites quantités de données doivent être transmises sur de longues distances et de manière très économe en énergie. Ces données sont généralement des valeurs mesurées, des signaux d'état ou des valeurs manipulées.

Différences entre WLAN, LoRa et radio mobile

Le WLAN et la radio mobile sont conçus pour transmettre de grandes quantités de données. Des portées relativement courtes sont acceptées. LoRa, en revanche, est optimisé pour la transmission de petites quantités de données sur de grandes distances. Le tableau suivant présente quelques différences entre les différentes normes radio.

LoRaWAN (réseau étendu longue portée)

Les réseaux WAN basse consommation (LPWAN) sont des concepts de réseau pour l'Internet des objets (IoT) et la communication machine à machine (M2M). Les LPWAN se caractérisent par leur capacité à couvrir des distances allant jusqu'à 50 km et leur faible consommation d'énergie. Il existe plusieurs approches techniques pour leur réalisation. L'une d'elles est proposée par l'ETSI : ETSI GS LTN, et les autres appellations sont LoRaWAN, Weightless et RPMA (Random Phase Multiple Access).

Afin que la distance franchissable ne soit pas trop affectée par l'atténuation en espace libre, certains des concepts LPWAN mentionnés utilisent des fréquences dans les bandes ISM à 433 MHz et 868 MHz. Quelques-uns fonctionnent également dans la bande ISM à 2.4 GHz.

Par exemple, SigFox, en tant que LoRaWAN (Long Range Wide Area Network), utilise la bande ISM à 868 MHz (915 MHz aux États-Unis) en Europe. La portée franchissable est de plus de 5 km en zone urbaine et de plus de 15 km hors agglomération. Il existe également des émetteurs-récepteurs radio fonctionnant dans la gamme de fréquences LoRa de 2.4 GHz, permettant une portée de 10 km. La transmission LoRa est une combinaison de Chirp Spread Spectrum (CSS) et de Software Defined Radio (SDR). L'un de ses principaux avantages est la capacité de détecter des signaux jusqu'à 20 dB inférieurs au niveau de bruit. Le concept LoRaWAN prend en charge la communication bidirectionnelle, la mobilité et les services de localisation.

Les appareils finaux sont connectés à une station de base, qui reçoit à son tour les informations cryptées d'une dorsale via TCP/IP et le protocole SSL.
Afin de garantir une autonomie maximale des batteries des composants terminaux, tous les débits de données et les signaux de sortie RF sont gérés par le réseau LoRaWAN, et les composants terminaux sont contrôlés via un débit de données adaptatif (ADR). Il existe trois classes d'appareils terminaux : les appareils de classe A peuvent communiquer de manière bidirectionnelle et disposent d'une fenêtre de transmission planifiée en liaison montante ; les appareils de classe B disposent également d'une fenêtre de transmission planifiée en liaison descendante ; la fenêtre de transmission des appareils de classe C est ouverte en permanence. La technologie LoRaWAN est normalisée par la LoRa Alliance.

LoRaWan – Cadre pour les réseaux sans fil

LoRaWan est une spécification qui décrit un cadre pour les réseaux sans fil. Il est utilisé dans les réseaux à faible trafic de données, par exemple les réseaux de capteurs. LoRaWan (LongRangeWideAreaNetwork) est un protocole LPWAN (Low Power Wide Area Network). Cet article présente les fréquences utilisées par LoRaWan et les classes d'appareils disponibles.

La fréquence LoRa varie selon les régions du monde. Cependant, il est nécessaire de se renseigner avant d'utiliser un appareil LoRa afin de régler la fréquence adéquate. Le tableau suivant indique les fréquences correctes pour chaque pays ou continent :

LoRaWan est également traité comme une topologie en étoile. Les passerelles transmettent les messages des terminaux à un serveur d'accès spécifique. Les passerelles sont connectées au serveur standard via des connexions Internet standard.

Dispositifs bidirectionnels
Il existe trois classes bidirectionnelles principales gérées par End :

Classe A

Les données montantes proviennent toujours du terminal. Le message montant est suivi de deux courtes fenêtres de réception pour les messages descendants. Ces messages descendants peuvent également être inclus pour les messages de confirmation et les paramètres du terminal. La communication entre le terminal et la passerelle se faisant exclusivement depuis le terminal, un délai peut s'écouler entre la définition détaillée des nouveaux paramètres du terminal et leur implémentation.

Entre les contacts de temps de transmission réels, les appareils de classe A peuvent mettre leur module LoRa en mode économie d'énergie. Cela améliore l'efficacité énergétique.

Classe B

Les fenêtres de défaut de classe B, qui correspondent à celles de classe A, deviennent des fenêtres de réception supplémentaires. Les appareils de classe B sont synchronisés via des balises envoyées cycliquement. Ces balises servent à communiquer, et d'autres fenêtres de réception sont ouvertes à d'autres moments. L'inconvénient réside dans la possibilité de déterminer à l'avance la latence, et donc la perte de consommation d'énergie en termes de nombre de composants. Cependant, la consommation d'énergie reste suffisamment faible pour les applications fonctionnant sur batterie.

Classe C

La classe C réduit considérablement la latence de la liaison descendante, car la fenêtre de réception du terminal est toujours entendue tant que celui-ci n'envoie aucun message. C'est pourquoi le serveur de confiance peut lancer une transmission descendante. Le décalage horaire entre les classes A et C est particulièrement important dans les contrats juridiques alimentés par batterie, par exemple pour les mises à jour de micrologiciels en direct.