L'Internet des objets (IoT) stimule la demande de connectivité sans fil dans tous les secteurs. Les entreprises des secteurs allant de la chaîne d'approvisionnement aux infrastructures souhaitent surveiller sans fil les actifs distants., suivre les expéditions, numériser les équipements, et plus. Mais de nombreuses technologies sans fil comme le WiFi et le Bluetooth ne suffisent pas à elles seules pour ces cas d’utilisation à longue portée.. Entrez LoRa – une norme sans fil émergente qui ressemble à Bluetooth sous stéroïdes. Il semble bien adapté aux déploiements de réseaux IoT à grande échelle grâce à ses capacités longue portée et faible consommation.. Dans ce blog, Je vais donner un aperçu de ce qu'est LoRa, Comment ça fonctionne, ses principaux avantages, applications, et des conseils pour l'essayer vous-même.
La définition de la technologie LoRa
LoRa signifie Long Range Radio et est principalement destiné à l'Internet des objets (IoT) et réseaux M2M. Il s'agit d'une sorte de nouvelle approche de modulation sans fil conçue précisément pour la connectivité longue portée et les communications à faible consommation.. Cette technologie permettra aux réseaux multi-locataires ou publics de connecter un certain nombre d'applications fonctionnant sur le même réseau.
Le protocole LoRa comprend un certain nombre de couches différentes, y compris au niveau de l'application et du périphérique pour des communications sécurisées, chiffrement sur le réseau. Chaque passerelle LoRa individuelle a la capacité de gérer jusqu'à des millions de nœuds. Les signaux peuvent s'étendre sur une distance importante, ce qui signifie qu'il y a moins de structure requise, rendre la construction d'un réseau plus rapide et beaucoup moins chère à mettre en œuvre.
Il a été initialement développé par Cycleo de Grenoble, France qui a été rachetée par Semtech en 2012. Plus tard, une alliance à but non lucratif standardisée LoRaWAN – un protocole de communication construit sur la modulation LoRa. LoRaWAN définit l'architecture du système tandis que LoRa fournit une connectivité physique à longue portée.
Architecture du réseau LoRa
L'architecture LoRaWAN se compose de nœuds finaux, passerelles, le serveur réseau et le serveur d'applications. En termes d'architecture authentique du réseau LoRa, les nœuds sont généralement dans une topologie étoile-d'étoiles avec des passerelles formant un pont transparent. Ces messages relais entre le serveur de réseau central et les périphériques finaux dans le backend. La communication avec les nœuds de point d'extrémité est généralement bidirectionnelle, mais il est également possible de prendre en charge le fonctionnement de multidiffusion, et cela est utile pour des fonctionnalités telles que des messages similaires ou d'autres messages de distribution de masse ou des mises à niveau logicielles.
- Capteur LoRa: Les points d'extrémité sont les éléments du réseau LoRa où le contrôle ou la détection est effectué. Ils sont normalement situés à distance.
- Passerelle LoRa: La passerelle reçoit les infrastructures des points d'extrémité LoRa, puis les transfère sur le système de liaison. Cette partie du réseau LoRa peut être cellulaire, Ethernet, ou tout autre lien de télécommunication sans fil ou filaire. Les passerelles sont connectées au serveur réseau à l'aide de connexions IP typiques. De cette façon, les données utilisent un protocole typique mais peuvent être connectées à n'importe quel réseau de télécommunications, qu'il soit privé ou public. Compte tenu de la similitude d'un réseau LoRa avec celui d'un réseau cellulaire, Les passerelles LoRaWAN peuvent souvent être colocalisées avec une station de base cellulaire. De cette façon, ils peuvent utiliser une capacité supplémentaire sur le réseau de liaison.
- Serveur réseau LoRa: Le serveur de réseau LoRa réussit dans le réseau et dans le cadre de sa fonction, il agit pour supprimer les paquets en double, adapte les débits de données, et les horaires d'accusé de réception. L'évaluation de la manière dont il peut être déployé et connecté rend très simple le déploiement d'un réseau LoRa.
- Serveur d'application: ensuite, un ordinateur distant peut contrôler les actions des points de terminaison ou collecter des données à partir des points de terminaison – le réseau LoRa étant presque translucide.
Comment fonctionne la technologie LoRa
LoRa sans fil utilise la modulation à spectre étalé, qui diffuse un signal à bande étroite sur une bande passante de canal plus large. Sa magie sans fil longue portée vient de quelques optimisations intelligentes:
Chirp Spread Spectrum (CSS)
Il s'agit de la technique de modulation de la couche physique utilisée par la radio LoRa.. CSS fonctionne en prenant un signal sinusoïdal et en modifiant sa fréquence de manière linéaire au fil du temps, créer un signal gazouillis. Ce signal est ensuite modulé sur une fréquence porteuse.
En gazouillant le signal sur une bande passante plus large, LoRa répartit l'énergie sur une plage de fréquences plus large. Cela augmente la résistance aux interférences et au bruit, tout en améliorant la réception du signal à la passerelle.
Débit de données adaptatif (ADR)
Il s'agit de la méthode de LoRa pour optimiser dynamiquement les débits de données entre les appareils du nœud final et les passerelles.. Utiliser l'ADR, les nœuds peuvent passer à des débits de données plus rapides lorsque les interférences sont faibles et à des débits de données plus robustes lorsque les interférences augmentent.
Cette optimisation garantit les meilleurs débits de données dans des conditions de canal changeantes, maximiser à la fois la durée de vie de la batterie des nœuds et la capacité globale du réseau.
Ensemble, CSS et ADR confèrent à LoRa sa portée et sa résilience impressionnantes tout en utilisant un minimum d'énergie.. Les signaux ressemblent à du bruit pour d'autres systèmes, renforcer la sécurité.
Principales caractéristiques et avantages de la technologie LoRa
Examinons de plus près certains des avantages les plus remarquables de la technologie radio LoRa.:
- Connectivité longue portée– Activation des plages de 15+ km en milieu rural et 5+ km en zone urbaine. Permet une couverture à l’échelle de la ville, et une bonne pénétration des bâtiments est obtenue.
- Batterie faible– Entre 10 mA et 100 nA en mode veille. Selon l'application, la durée de vie de la batterie est 2 à 15 années. Réduit considérablement les coûts de maintenance.
- Transmissions sécurisées– Le cryptage AES-128 bits sécurise les données et empêche toute falsification.
- Géolocalisation précise– Les signaux peuvent localiser l'emplacement à quelques dizaines de mètres sans GPS. Utile pour le suivi des actifs.
- Bandes de spectre mondiales – 868 MHz (863–870 MHz, divisé en plusieurs sous-bandes) en Europe et 915 MHz aux USA. La période d'utilisation des canaux est limitée par les réglementations de nombreux pays (cycle de service).
- Communication bidirectionnelle– Envoyer des données vers le haut et pousser la configuration vers le bas. Appareils de communication LoRa permettant le contrôle à distance.
- Grande capacité– Une seule passerelle LoRa peut gérer quotidiennement des millions de messages provenant de milliers d'appareils.
- Norme ouverte– LoRaWAN est une spécification ouverte supervisée par l'association à but non lucratif LoRa Alliance.. Favorise l’adoption et l’interopérabilité.
Bases de la technologie LoRa
Il existe plusieurs éléments clés de la technologie LoRa. Certaines de ses principales caractéristiques sont les suivantes:
- Jusqu'à des millions de nœuds
- Longue durée de vie de la batterie; en réserve de dix ans
- Longue portée; 15-20 km.
Il existe divers éléments de la technologie LoRa qui fournissent une connectivité et des fonctionnalités globales.
Pile de protocoles LoRa: LoRa Alliance a également défini une pile de protocoles ouverts. La création de cette stack open source a permis au concept de LoRa de se développer car tous les différents types d'entreprises impliquées dans le développement de LoRa, déploiement, et l'utilisation ont pu se réunir pour créer une solution peu coûteuse et facile à utiliser pour la connectivité à toutes sortes d'appareils IoT connectés.
Conception du réseau LoRa: Outre les éléments RF du système sans fil LoRa, il y a d'autres éléments de l'architecture du réseau, y compris la présence d'une architecture système globale, Serveur, retour, et ordinateurs d'application. L'architecture globale est souvent mentionnée comme LoRaWAN.
LoRa PHY / Interface RF: La couche physique LoRa ou PHY est la clé du fonctionnement du système. Il régit les aspects du signal RF qui est transmis entre les nœuds ou points d'extrémité, c'est à dire. Passerelle LoRa et les capteurs sont l'endroit où les signaux sont reçus. La couche physique ou l'interface radio régit les aspects du signal, y compris le format de modulation, niveaux de puissance, fréquences, signalisation entre les éléments d'émission et de réception, et d'autres sujets connexes.
Modulation LoRa
La technologie LoRa est la modulation sans fil ou physique (PHY) couche de silicium, utilisé pour créer le lien de communication à longue portée.
La couche physique LoRa utilise une forme de modulation à spectre étalé. Le système de modulation LoRa utilise des impulsions linéaires commandées en fréquence à large bande. Le niveau d'augmentation ou de diminution de fréquence dans le temps est utilisé pour coder les données à transmettre, tel que; une forme de modulation chirp.
Ce type de modulation permet aux systèmes sans fil LoRa de démoduler des signaux inférieurs de 20 dB au plancher de bruit lorsque la démodulation est combinée avec une correction d'erreur de transmission, FEC. Par rapport à un système FSK traditionnel; le budget de liaison pour un système LoRa peut fournir une amélioration de plus de 25 dB.
En raison du fait que la transmission est répartie de manière pseudo-aléatoire, il peut être difficile à détecter pour les utilisateurs non-LoRa et cela ressemble à du bruit. Cela peut soutenir la sécurité du système.
Un autre avantage du système est que la modulation chirp et le système, en général, tolèrent les décalages de fréquence et par conséquent, il est possible d'utiliser un oscillateur à cristal de base avec un 20-30 Acceptation ppm plutôt qu'un oscillateur payant en température, TCXO. Cela peut permettre de réaliser de bonnes économies au sein des circuits électroniques des nœuds.
Sécurité du réseau LoRa
La question de la sécurité des réseaux devient progressivement importante. En tant que tels, les réseaux LoRa nécessitent des niveaux de sécurité élevés pour éviter les problèmes de tout système.
Atteindre les niveaux de sécurité requis pour les réseaux LoRa, plusieurs couches de cryptage ont été utilisées:
Clé spécifique à l'appareil (EUI128).
La clé de réseau unique (EUI64) garantit la sécurité au niveau du réseau.
Clé d'application unique (EUI64) certifier la sécurité de bout en bout.
L'utilisation de ces couches de chiffrement garantit que le réseau LoRa reste convenablement sécurisé.
Applications de la technologie LoRa
La technologie sans fil LoRa est de préférence placée pour être utilisée dans une variété d'applications. Les capacités longue portée et faible consommation signifient que les points finaux peuvent être déployés dans une grande variété d'endroits., à l'extérieur et à l'intérieur des bâtiments et ont toujours la possibilité de communiquer avec la passerelle. Comme le système est facile à déployer et peut être utilisé pour un grand nombre d'IoT, Choses Internet, et machine à machine, applications, M2M. Voici quelques applications LoRa courantes:
Villes intelligentes – Les compteurs intelligents, surveillance de l'environnement, stationnement intelligent, réverbères, gestion des déchets et plus encore.
Chaîne d'approvisionnement/logistique – Suivi et surveillance des actifs, suivi de la chaine du froid, gestion de flotte.
Agriculture – Surveillance des sols, contrôle de l'irrigation, suivi du bétail.
IdO industriel – Surveillance des équipements, maintenance prédictive, automatisation.
Surveillance des infrastructures – Surveiller les voies ferrées, des ponts, tunnels pour tout changement physique.
Utilitaires – Grille intelligente, comptage gaz/eau, Detection des fuites, production d'énergie distribuée.
Automatisation du bâtiment – Contrôle CVC et éclairage, gestion de l'énergie, surveillance de l'occupation des chambres.
Soins de santé – Suivi des actifs, capteurs de dispositifs médicaux, surveillance des patients.
Vente au détail – Gestion des stocks dans les entrepôts, géomarketing via balises.
LoRa contre LoRaWAN – Quelle est la différence?
LoRa décrit la couche physique inférieure, les couches de réseautage supérieures étaient absentes. LoRaWAN est l'un des nombreux protocoles développés pour décrire les couches supérieures du réseau. LoRaWAN est un contrôle d'accès multimédia basé sur le cloud (MAC) protocole de couche mais agit principalement comme un protocole de couche réseau pour gérer la communication entre les périphériques du nœud d'extrémité et les passerelles LPWAN, comme protocole de pilotage, maintenu par la LoRa Alliance. Version de spécification LoRaWAN 1.0 est sorti en juin 2015.
LoRaWAN définit l'architecture du système et le protocole de communication du réseau, tandis que la couche physique LoRa permet la liaison de communication à longue portée.
Donc en résumé:
LoRa = modulation de la couche physique
LoRaWAN = protocole et architecture de communication
Ensemble, ils fournissent une solution complète comprenant à la fois une connectivité longue portée et une architecture de communication réseau flexible..
Qu'est-ce que l'Alliance LoRa?
Comme avec de nombreux autres systèmes, un organisme industriel a été créé pour développer puis promouvoir le système sans fil LoRa dans l'ensemble de l'industrie, appelé le Alliance LoRa. Il a été lancé en mars 2015. Comme le dit l'Alliance, il a été créé pour fournir une norme mondiale ouverte pour la sécurité, Connectivité IoT LPWAN de classe opérateur.
Bien que LoRa ait été essentiellement développé par Semtech, l'ouverture de la norme a permis son adoption par un grand nombre d'entreprises, augmentant ainsi l'écosystème et obtenant un engagement beaucoup plus important, une plus grande variété de produits et une augmentation globale de l'utilisation et de l'acceptation.
Les membres fondateurs de la LoRa Alliance incluent Actility, Cisco, Eolane, IBM, Kerlink, IMST, MultiTech, Sagemcom, Semtech, et la technologie des micropuces, ainsi que les principaux opérateurs de télécommunications: Bouygues Telecom, KPN, SingTel, Proximus, Swisscom, et FastNet (fait partie de Telkom South Africa).
Débuter avec la technologie LoRa
Fondamentalement, chacun peut exploiter ses propres communications LoRa. Étant donné que LoRa fonctionne dans la plage de fréquences non affectée, aucun frais de licence pour les fréquences n'est nécessaire. Si vous n'avez qu'à installer un LoRaWAN dans une zone limitée, le fonctionnement de vos propres passerelles et serveurs peut avoir un sens. Vous cherchez à créer vos propres solutions LoRa et LoRaWAN? Voici comment MOKOSmart peut vous aider à démarrer avec la technologie LoRa:
– MOKOSmart offre une variété de Capteurs LoRaWAN pour le suivi des actifs, surveillance de l'environnement, détection de stationnement et plus.
– Nos passerelles LoRaWAN sont dotées de boîtiers IP66 et de performances LoRa et Bluetooth intégrées.
– Nous fournissons des passerelles Bluetooth LoRaWAN pour connecter des appareils Bluetooth.
– Assurez-vous de piloter avec de petits déploiements de tests pour évaluer la couverture et les performances du monde réel..
– Prenez le temps de concevoir l’architecture système complète de bout en bout.
– Rejoignez l'Alliance LoRa pour collaborer et accéder aux ressources.
– Avec nos capteurs, passerelles, et modules LoRa, vous pouvez rapidement créer des réseaux IoT à longue portée.
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