LoRa vs LoRaWAN : l'évolution de la technologie LoRa
La LoRa Alliance® a été créée en 2015 pour soutenir l'adoption mondiale de la norme LoRaWAN. Le terme LoRaWAN fait référence à un réseau étendu de faible puissance qui contrôle la façon dont le signal LoRa des capteurs communique à travers le réseau. LoRa signifie longue portée et utilise la technique de modulation radio à spectre étalé. La modulation LoRa a été lancée en 2010 par la société française Cycleo pour encoder des données dans les ondes radio, puis rachetée par Semtech.
Qu'est-ce que LoRa ?
LoRa expliqué
Développé à l'origine pour ajouter des capacités de communication sans fil au secteur des compteurs d'énergie, le protocole LoRa fonctionne dans un spectre radio sans licence avec des débits de données allant jusqu'à 253 kB/s. Il est apprécié pour sa capacité à envoyer de minuscules quantités de données sur de longues distances tout en nécessitant une puissance extraordinairement faible.
Qu'est-ce que LoRaWAN ?
La technologie LoRaWAN consiste en un protocole de réseau étendu à faible consommation d'énergie construit sur la modulation LoRa, utile pour sécuriser les communications bidirectionnelles fiables IoT . Le protocole LoRaWAN fournit un cryptage de bout en bout pour offrir des fonctions de sécurité avancées à grande échelle. La portée de LoRaWAN pouvant atteindre dix miles, cette technologie constitue un choix plus économique que les technologies cellulaires dans les zones reculées.
Comment LoRa et LoRaWAN fonctionnent-ils ? IoT
Dans la modulation LoRa, un signal chirp étale le spectre du signal. En augmentant le taux de chirp, le signal s'étend sur une gamme de fréquences, ce qui lui permet de voyager plus loin sans erreur. Par conséquent, le protocole de communication LoRa résiste aux interférences. LoRa est donc particulièrement utile dans les zones urbaines et suburbaines où les interférences sont fréquentes.
Architecture LoRaWAN
Comment fonctionne LoRa ?
LoRa utilise une technique de modulation à spectre étalé propriétaire basée sur la technologie Chirp-Spread Spectrum. Par exemple, les appareils IoT situés à proximité d'une passerelle utilisent un taux de transmission à faible facteur d'étalement, tandis que ceux situés à plusieurs kilomètres utilisent un facteur d'étalement plus élevé. Transmis en même temps et à la même fréquence, ces facteurs d'étalement orthogonaux n'interfèrent pas les uns avec les autres et s'adaptent aux exigences des appareils finaux en matière de puissance et de débit de données.
Comment fonctionne LoRaWAN ?
Les réseaux LoRaWAN tirent parti des caractéristiques de LoRa grâce à une topologie en étoile où des passerelles relaient des messages bidirectionnels entre les capteurs et un serveur. De par leur conception, les réseaux LoRaWAN nécessitent un minimum d'énergie pour envoyer des paquets de données extrêmement petits, car les données ne sont transmises que périodiquement au lieu d'être transmises en continu. Mieux encore, dans les réseaux LoRaWAN, une passerelle peut prendre en charge jusqu'à 10 000 appareils, ce qui rend les réseaux évolutifs aussi simples que l'ajout de passerelles supplémentaires, tout en maintenant les investissements en capital et les investissements opérationnels à un niveau peu élevé.
Avantages de LoRaWAN en IoT
Pour de nombreuses applications IoT , les réseaux LoRaWAN offrent plusieurs avantages distincts par rapport aux technologies de communication sans fil concurrentes. Si l'on compare LoRa aux réseaux Wi-Fi, cellulaires et Bluetooth® Low Energy, ces autres solutions offrent une large bande passante ou une puissance élevée, mais ne peuvent pas fonctionner efficacement en intérieur. LoRa dans les réseaux IoT gère de manière flexible la bande passante, la puissance, la portée, la sécurité et l'évolutivité afin de répondre aux exigences de IoT . Selon les estimations d'ABI Research, LoRaWAN sera la technologie de réseau étendu non cellulaire à faible consommation d'énergie la plus déployée d'ici à 2026.
Avantages des réseaux LoRaWAN
- Évolutivité : Prise en charge de millions de messages par passerelle, ce qui rend l'évolutivité aussi simple que l'ajout de passerelles supplémentaires.
- Sécurité : Le cryptage de bout en bout AES-128 intégré et l'authentification avancée garantissent une transmission sécurisée des données sur n'importe quel déploiement de masse IoT .
- Efficacité de la batterie : La transmission de minuscules paquets de données quelques fois par jour plutôt qu'en continu permet aux batteries des appareils de durer de nombreuses années sans être remplacées.
- Longue portée : LoRaWAN offre une couverture intérieure étendue, y compris plusieurs étages et une topologie de réseau en étoile pour maximiser la portée de transmission dont de nombreuses industries ont besoin.
- Faible coût : Des nœuds finaux bon marché, une infrastructure minimale et des logiciels libres contribuent à faire de LoRaWAN une solution peu coûteuse.
Applications courantes de la communication à longue distance
La technologie LoRa offre une combinaison unique de qualités qui ajoutent de l'utilité et de la valeur à un large éventail d'industries et de secteurs. De l'agriculture à la fabrication en passant par la surveillance de l'environnement et la logistique, la combinaison de réseaux sécurisés, évolutifs et peu coûteux permet une communication bidirectionnelle dans de nombreux environnements différents.
- Agriculture intelligente : Grâce aux données fournies par les capteurs installés dans les champs et sur les animaux, les agriculteurs peuvent agir rapidement pour identifier les parasites et les maladies et y remédier.
- Bâtiments intelligents : Les compteurs intelligents à l'intérieur des bâtiments aident les gestionnaires à optimiser l'éclairage et la gestion de la température et à réduire la consommation d'énergie.
- Industrial IoT: La surveillance des machines, les alertes de sécurité et le suivi des actifs permettent aux opérateurs de réagir plus rapidement à un incident, voire de le devancer.
- Fabrication : Les fabricants apprécient la technologie LoRa pour sa capacité à permettre une maintenance prédictive dans de nombreuses usines.
- Logistique : LoRaWAN offre un équilibre parfait entre les nombreuses communications de capteurs dans des lieux tels que les entrepôts et les parcs d'équipement, sans problèmes d'interférences de radiofréquences.
- Surveillance de l'environnement : Combiné aux communications par satellite, LoRaWAN permet de surveiller les capteurs, de la détection de la fumée dans les forêts reculées à la température des océans sur les bouées.
- Pétrole et gaz : Pour répondre aux exigences réglementaires, les compagnies pétrolières et gazières utilisent la technologie LoRaWAN pour surveiller les émissions provenant de l'exploitation des puits.
Principales caractéristiques du protocole LoRaWAN
En raison de ses besoins en énergie, de sa portée et de sa sécurité, LoRaWAN figure parmi les protocoles de réseaux étendus à faible consommation d'énergie les plus largement adoptés. De par leur conception, les réseaux LoRaWAN assurent une communication bidirectionnelle sur de longues distances tout en économisant de l'énergie en permettant aux appareils finaux de ne s'allumer que lorsqu'ils communiquent avec la passerelle. En fait, par rapport aux solutions cellulaires LTE, LoRaWAN offre une portée identique ou supérieure à un prix inférieur. Comme le logiciel LoRaWAN adopte des licences open source, les organisations peuvent développer leurs propres solutions LoRaWAN sans licence ou faire appel à un partenaire de confiance qui peut construire votre réseau sur mesure.
Les autres caractéristiques principales sont les suivantes :
- Géolocalisation : Sans nécessiter de GPS, LoRaWAN permet une géolocalisation précise, même à l'intérieur des bâtiments.
- Mises à jour en direct : Les mises à jour de micrologiciels et d'applications peuvent être effectuées par voie hertzienne.
- Itinérance : LoRaWAN permet un transfert transparent d'un réseau à l'autre.
Caractéristiques principales de LoRaWAN
Bande passante
La bande passante LoRa permet d'obtenir une faible efficacité énergétique en divisant les données en "chirps" et en transmettant les données à des taux ou des fréquences différents. Cette modulation Chirp Spread Spectrum augmente la largeur de bande du signal transmis, ce qui compense la dégradation du rapport signal/bruit et fait varier le débit de données pour améliorer la couverture et équilibrer la consommation d'énergie. De cette manière, les transmissions deviennent résistantes à l'évanouissement par trajets multiples sans augmenter la consommation d'énergie.
Faible puissance
Les dispositifs LoRaWAN de classe A constituent l'une des meilleures options pour le LPWAN. La technologie la plus comparable est NB-IoT qui consomme 4 fois plus d'énergie que LoRaWAN pour une bande passante et une couverture similaires. LoRaWAN réduit le besoin de grandes batteries et de systèmes d'alimentation qui augmentent le coût des produits.
Gamme
La portée reste l'une des caractéristiques les plus remarquables des réseaux LoRa. En 2023, un bateau de pêche portugais a contacté une passerelle située dans les îles Canaries, à 830 miles de distance, établissant ainsi un nouveau record mondial de portée. Bien qu'il s'agisse d'un exploit phénoménal, la majorité des installations de réseaux LoRa communiquent à une distance maximale de 10 miles. La portée dépend de nombreux facteurs, notamment de l'emplacement intérieur ou extérieur de la passerelle et du type d'antenne utilisé. Dans les zones urbaines où l'on utilise une passerelle extérieure, la couverture peut être limitée à environ trois kilomètres. Dans les zones rurales, la couverture peut s'étendre jusqu'à dix miles en fonction des obstacles présents dans l'environnement, y compris les bâtiments.
Fréquence
Les premiers réseaux de communication sans fil IoT s'appuyaient généralement sur des réseaux cellulaires dans le spectre sous licence, ce qui ajoutait des coûts de licence, une portée limitée et des interférences sonores. Avec LoRaWAN, les cas d'utilisation des applications IoT reposent sur le spectre de fréquences sans licence. Les ondes radio LoRa dans la gamme des 400 à 900 MHz supportent des débits de données faibles entre 0,3 et 50 kB/s et connectent des équipements distants jusqu'à une portée de dix miles pour des déploiements LoRaWAN à faible coût.
Bandes de fréquences LoRa sans licence :
- 915 MHz pour l'Amérique du Nord
- 868 MHz pour l'Europe
- 433 MHz pour l'Asie
Comprendre les modules et appareils LoRa
Basés sur des puces Semtech, les modules Lora comprennent de petites puces émettrices-réceptrices sans fil, intégrées ou autonomes, appréciées pour leur faible consommation d'énergie et leur grande sensibilité. En fait, ces modules ont contribué au développement de LoRa parce qu'ils peuvent prendre en charge des millions de communications d'appareils fonctionnant sur batterie directement avec un serveur pendant de nombreuses années sans remplacement de la batterie. Par exemple, lorsqu'un appareil LoRa transmet des données, il utilise le module LoRa, qui convertit les données pour la transmission sans fil. Ces données sont ensuite envoyées à une passerelle LoRaWAN. Lorsqu'un appareil a besoin de données, la passerelle les transmet au module LoRa, qui les traduit pour l'appareil final. Afin d'aller plus loin dans l'utilisation des modules LoRa, la pile logicielle LoRaWAN doit être installée sur le module. Cela permet aux modules de se connecter aux passerelles LoRaWAN, aux serveurs de réseau et aux applications. LoRaWAN optimise les capacités de LoRa pour permettre à des milliers d'appareils de se connecter à une seule passerelle.
Architecture du réseau LoRaWAN
Le déploiement d'un réseau LoRaWAN utilise une topologie en étoile, généralement constituée de quelques éléments centraux. Les dispositifs LoRaWAN tels que les détecteurs de fumée et les compteurs d'eau se connectent à une passerelle qui gère la messagerie de nombreux dispositifs finaux et transmet les données du messager LoRaWAN à un serveur de réseau. Les passerelles se connectent au serveur de réseau par l'intermédiaire d'une liaison de base (cellulaire, Wi-Fi ou Ethernet). Le logiciel LoRa gère la modulation et la démodulation sur la passerelle et l'appareil. Le logiciel LoRaWAN permet à de nombreux appareils de communiquer avec une seule passerelle et de former un réseau. Un serveur d'application traite en toute sécurité toutes les données d'application provenant des appareils, qui peuvent ensuite alimenter l'apprentissage automatique et l'intelligence artificielle pour faciliter la maintenance prédictive et l'optimisation des processus. Voir le diagramme d'architecture dans Comment LoRa et LoRaWAN fonctionnent sur IoT.
Sécurité des communications LoRa
Les mesures de sécurité de LoRa répondent aux exigences spécifiques du réseau IoT . Pour commencer, chaque appareil LoRaWAN comprend une clé AES (Advanced Encryption Standard) unique et un identifiant unique au niveau mondial dans le cadre du processus d'authentification de l'appareil. Le protocole LoRaWAN utilise une sécurité à deux niveaux qui sépare les couches application et réseau. L'authentification mutuelle des appareils finaux garantit que seuls les appareils autorisés peuvent rejoindre le réseau LoRaWAN. La transmission des données est protégée par des mécanismes qui empêchent les appareils non autorisés de modifier les données.
Mécanismes de cryptage LoRaWAN
Les réseaux LoRaWAN utilisent le cryptage de bout en bout pour les données d'application partagées entre les appareils finaux et les serveurs d'application. En fait, LoRaWAN reste l'un des seuls réseaux IoT à utiliser ce type de cryptage. Dans les réseaux cellulaires traditionnels, les données sont cryptées via une interface aérienne, mais sont transmises en texte clair dans le réseau central. Par conséquent, les utilisateurs finaux des réseaux cellulaires doivent déployer eux-mêmes des couches de sécurité supplémentaires.
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