Qu'est-ce que LoRa et LoRaWAN ?

Les réseaux LoRaWAN deviennent populaires parmi les différentes applications IoT et les secteurs verticaux, il serait donc intéressant d'étudier leur utilisation, leurs caractéristiques et leurs opérations. Dans cet article, nous examinerons ce que sont LoRa et LoRaWAN individuellement et la principale différence entre eux. Ensuite, nous examinerons en détail comment réaliser des réseaux LoRaWAN qui sont basés sur le schéma de modulation RF LoRa. Enfin, nous conclurons notre article en identifiant différentes applications potentielles des appareils basés sur LoRa et leurs avantages par rapport aux autres protocoles de communication IoT disponibles. 

Qu'est-ce que LoRa ?

LoRa signifie "Long Range Wide Area" et est un schéma de modulation radio populaire pour réaliser des communications radio à faible consommation et à longue portée. C'est l'un des schémas de modulation radio les plus populaires utilisés pour l'internet des objets (IoT) à longue portée et les réseaux de télécommunications. Machine à machine (M2M). Bien que LoRa existe depuis un certain temps, c'est récemment que LoRa a gagné en popularité grâce aux jeux de puces permettant la modulation radio LoRa.  

La chose la plus importante à retenir est que LoRa se réfère à la couche physique ou à la couche physique radio, par conséquent, LoRa seul n'est pas capable de réaliser des opérations de réseau et de gérer le trafic de réseau dans les applications IoT. La gamme de fréquences de fonctionnement de LoRa dépend de la situation géographique de la mise en œuvre. Par exemple, en Europe, LoRa fonctionne en 868 MHz, tandis qu'en Amérique du Nord, il s'agit de 915 MHz. En outre, dans des conditions de visibilité directe, le lien de communication peut être étendu jusqu'à 10 km avec la modulation radio LoRa. Il convient toutefois de noter que LoRa utilise un spectre radioélectrique propriétaire sans licence.  

Qu'est-ce que LoRaWAN ?

LoRaWAN, cependant, se réfère aux installations de réseau, qui comprennent les protocoles de réseau et la gestion du trafic, qui utilise la modulation radio LoRa pour permettre la communication sur une longue portée. LoRaWAN ou LoRa Wide Area Network facilite la couche réseau et est donc principalement recherché dans les applications IoT industrielles. Il est classé dans la catégorie des réseaux étendus non cellulaires LPWAN (Low Power WAN). En termes simples, nous pouvons dire que LoRaWAN est un réseau utilisant LoRa. Il est géré par LoRa Alliance, qui permet aux appareils de communiquer sans fil à l'aide de LoRa.  

La différence entre LoRa et LoRaWAN

Après avoir examiné séparément LoRa et LoRaWAN, il convient de souligner brièvement la principale différence entre LoRa et LoRaWAN. Comme indiqué précédemment, LoRa ne fait que faciliter les installations physiques dans la communication, tandis que LoRaWAN fournit des capacités de couche réseau permettant une architecture de réseau complète. LoRa a été initialement breveté sous le nom de Semtechun fournisseur français de semi-conducteurs, tandis que LoRaWAN a été formulé par Alliance LoRa.  

En conséquence, LoRa est simplement un protocole de communication radio permettant des opérations à longue portée, tandis que LoRaWAN est le réseau qui utilise le protocole LoRa pour réaliser des applications IoT LPWAN.  

Technologie et architecture LoRaWAN

Après avoir bien compris la différence entre LoRa et LoRaWAN, nous allons maintenant nous concentrer sur chacune des deux approches séparément. Pour commencer, nous nous concentrerons d'abord sur la technologie LoRaWAN et son architecture.  

Le réseau LoRaWAN est déployé sous la forme d'une topologie de réseau en étoile, où un hub ou nœud central est responsable de la gestion de la communication et de l'interconnexion dans le réseau. Un réseau LoRaWAN typique se compose des éléments suivants :  

1. Rejoindre le serveur  
2. Serveur d'application  
3. Serveur de réseau  
4. Concentrateur/passerelle  
5. Nœuds d'extrémité/appareils  

1. Rejoindre les serveurs

Les serveurs de jonction sont chargés de traiter les demandes de jonction envoyées par les appareils finaux lorsqu'ils rejoignent le réseau via le serveur de réseau. Il s'agit d'un logiciel installé sur un serveur, qui supervise l'activation OTA (over-the-air) de l'appareil final, garantissant ainsi une activation sécurisée. Le processus d'activation via le serveur de jonction est lancé par l'appareil final, en envoyant les trames de demande de jonction de liaison montante au serveur de jonction. Ensuite, le serveur de jonction indique au serveur de réseau quel serveur d'application doit être connecté à l'appareil final demandé. Cette information est communiquée par des trames d'acceptation de liaison descendante. En outre, le dispositif de jonction est chargé de détenir les informations suivantes sur chaque dispositif d'extrémité du réseau :  

• Profil de service de l'appareil final  
• DevEUI - Il s'agit d'un identifiant unique pour chaque appareil final.  
• Appkey - Il s'agit de la clé de cryptage de l'application.  
• NwkKey - Il s'agit de la clé de cryptage du réseau.  
• Identifiant du serveur d'application  

2. Serveurs d'application

Les serveurs d'application sont chargés de traiter les données des capteurs et des applications envoyées par les appareils finaux. Ces données sont ensuite présentées à l'interface utilisateur qui prend des décisions et interprète les résultats en fonction de ces données. Le serveur d'application est également chargé de générer des informations sur la charge utile de la liaison descendante pour les dispositifs finaux connectés, qui sont acheminés via le serveur de réseau. Dans un réseau LoRaWAN, il peut y avoir plus d'un serveur d'application et tous les niveaux d'analyse et de traitement sont effectués au-dessus du serveur d'application. Les algorithmes d'apprentissage automatique, les techniques de traitement des données et les analyses commerciales sont quelques-uns des processus qui peuvent être exécutés par la couche d'application. 

3. Serveur de réseau

Le serveur de réseau LoRaWAN (LNS) joue un rôle clé dans la réalisation et la gestion de l'ensemble du réseau. Les serveurs de réseau présentent certaines caractéristiques communes à tous les réseaux LoRaWAN. Voici quelques-unes des principales caractéristiques : 

• Le LNS est chargé d'assurer des connexions sécurisées et cryptées en AES 128 bits pour la communication des messages, assurant ainsi une sécurité de bout en bout. 
• Vérifier l'authenticité et l'intégrité des dispositifs finaux connectés au réseau 
• Vérification de l'adresse de l'appareil, pour un transport précis des messages à travers le réseau 
• Utilisation du protocole ADR (Adaptive Data Rate) pour faciliter les débits de données adaptatifs et optimiser ainsi le débit de données des appareils finaux. 
• Le LNS détermine la meilleure passerelle pour l'acheminement des messages en liaison descendante vers les appareils finaux. 
• Transmet les messages de demande et d'acceptation de jointure entre les dispositifs d'extrémité et le serveur de jointure. 
• Transférer les charges utiles d'application en liaison montante au serveur d'application concerné et gérer les charges utiles en liaison descendante provenant de différents serveurs d'application, qui sont ensuite transmises aux appareils finaux concernés. 
• Gestion de toutes les commandes de la couche MAC (Media Access Control) 
• Gestion de tous les messages de la liaison montante, y compris leur duplication, l'accusé de réception de la bonne réception 

4. Concentrateur/passerelle

Les passerelles ou concentrateurs sont des dispositifs chargés de recevoir les messages des dispositifs finaux et de les transmettre au serveur du réseau. Ils sont connectés aux signaux radio modulés LoRa en aval (c'est-à-dire aux appareils finaux) et à une connexion IP en amont (c'est-à-dire au serveur du réseau). Cette connexion en amont est relayée par une connexion cellulaire (4G,3G, 5G etc.), Wi-Fi, Ethernet, ou même par une connexion en fibre optique. Comme le Passerelles LoRaWAN ne sont pas directement associées à des dispositifs finaux, elles peuvent recevoir des informations de plusieurs dispositifs finaux. Les passerelles reçoivent donc des données en double. Toutefois, ces données en double sont traitées par le serveur du réseau. La seule fonction de la passerelle en ce qui concerne les données reçues est de vérifier leur intégrité en utilisant différents systèmes de détection d'erreurs (par exemple : CRC). Les passerelles mesurent également le RSSI (Received Signal Strength Indicator) des messages provenant de différents dispositifs finaux afin d'aider le serveur de réseau à dédupliquer les paquets provenant de plusieurs dispositifs finaux. Dans le cas d'une communication descendante, c'est-à-dire l'envoi de données du serveur de réseau aux dispositifs finaux, une passerelle transmet simplement les données au dispositif final cible sans aucun traitement supplémentaire. Les passerelles LoRaWAN sont généralement de deux types : 

• Passerelles intérieures : Il s'agit de solutions rentables qui conviennent mieux aux emplacements intérieurs où une couverture limitée est nécessaire. En général, l'antenne est intégrée à l'intérieur, mais selon les besoins, il est également possible d'utiliser des antennes externes. 
• Passerelles extérieures : Elles offrent une couverture plus large et sont généralement installées à une hauteur considérable. Elles sont également équipées d'une antenne extérieure. 

5. Nœuds d'extrémité/appareils

La pile technologique des réseaux LoRaWAN peut être réalisée à l'aide d'un modèle à trois couches qui se compose des éléments suivants : 

• Couche application 
• Couche MAC 
• Couche physique 

La couche application est chargée de traiter les données des capteurs et d'envoyer des commandes aux actionneurs connectés. Elle fournit également une interface utilisateur permettant à l'utilisateur d'interagir avec le réseau. 

La couche MAC est responsable de l'établissement de la connexion entre les passerelles LoRaWAN et les appareils finaux. Les classes d'appareils sont déterminées dans cette couche qui comprend également différentes options que le concepteur peut déterminer en fonction de l'application. 

La couche physique est basée sur le schéma de modulation RF LoRa et la fréquence modulée est déterminée en fonction de la bande ISM (industrielle, scientifique et médicale) régionale. 

Classes de dispositifs LoRaWAN 

Les appareils du réseau LoRaWAN sont classés en trois catégories en fonction de leur mode de fonctionnement : 

• Classe A 
• Classe B 
• Classe C 

Dans le mode de fonctionnement de la classe A, un dispositif d'extrémité envoie un message de liaison montante suivi de deux courtes fenêtres de message de liaison descendante. Chaque fenêtre de liaison descendante est retardée d'un délai différent par rapport à la fin du message de liaison montante. Or, le serveur de réseau ne peut envoyer un message en liaison descendante que pendant ces deux fenêtres de réception ; s'il n'y parvient pas, la prochaine transmission en liaison descendante sera disponible après la prochaine transmission en liaison montante. De même, si le serveur de réseau a pu envoyer la transmission en liaison descendante pendant la première fenêtre de réception, l'appareil final n'ouvrira pas de deuxième fenêtre de réception. Les dispositifs de classe A sont souvent alimentés par des piles et ont un temps de latence élevé sur la liaison descendante. Ils conviennent mieux aux applications de surveillance de l'environnement et de localisation qui favorisent le fonctionnement au ralenti. Tous les dispositifs LoRaWAN doivent prendre en charge le fonctionnement de la classe A. 

Par rapport aux dispositifs de classe A, les dispositifs de classe B offrent des fenêtres de réception programmées. Ces fenêtres de réception programmées sont des messages de balise synchronisés dans le temps et transmis par la passerelle. Cela permet de réduire la latence de la liaison descendante par rapport aux dispositifs de classe A. Les dispositifs sont censés recevoir des messages en liaison descendante dans des créneaux ping déterminés après avoir reçu chaque message de balise des passerelles. Toutefois, l'inconvénient du mode de fonctionnement de classe B est que le dispositif est désormais en état d'activité pendant un temps considérable, ce qui réduit la durée de vie de la batterie du dispositif. Cependant, les appareils de classe B sont utilisés à la fois pour la surveillance et l'activation d'applications IdO. Par exemple, ils sont utilisés dans les compteurs d'énergie et les applications d'enregistrement de la température. 

Les appareils de classe C sont "toujours" à l'écoute des messages entrants en liaison descendante, à moins qu'ils ne transmettent (transmission en liaison montante). Ils consomment donc plus d'énergie et sont généralement branchés sur le secteur. Toutefois, l'un des principaux avantages des dispositifs de classe C est qu'ils imposent une faible latence sur la liaison descendante par rapport à leurs homologues. Les applications telles que l'éclairage public et les compteurs électriques avec interrupteurs sont quelques-unes des applications populaires utilisant des dispositifs de classe C. 

Sécurité du réseau LoRaWAN

La sécurité est un facteur majeur dans le contexte des applications IoT qui traitent généralement des informations sensibles. Voici les principales mesures de sécurité observées dans un réseau LoRaWAN : 

• Procédure d'adhésion 
• Authentification des messages 
• Mise en service de l'appareil 

Ces mesures de sécurité du réseau assurent la protection du réseau contre les attaques de tiers et garantissent l'intégrité des appareils connectés sans compromettre des informations précieuses. Elles garantissent également la gestion du trafic de données dans le réseau, compte tenu de la limitation des ressources de ce dernier. 

La procédure de jonction est la procédure par laquelle les dispositifs finaux sont connectés au serveur d'application concerné par l'intermédiaire du serveur de jonction. Dans un premier temps, l'appareil final envoie une demande de connexion au serveur de connexion, qui l'authentifie. Après une authentification correcte, le serveur de jonction envoie le message d'acceptation de jonction à l'appareil final, ce qui permet d'établir la connexion entre l'appareil final et le serveur d'application concerné. Une fois la connexion acceptée, l'appareil final et le serveur de jonction génèrent des clés de session individuelles sur la base des métadonnées qu'ils ont reçues. Le serveur de jonction partage ses clés de session avec le réseau et les serveurs d'application. Lors de la transmission, le trafic de données est sécurisé à deux niveaux distincts. L'appareil final dispose d'une clé de session d'application de 128 bits partagée avec le serveur d'application, qui est différente de la clé de session de réseau AES de 128 bits partagée avec le serveur de réseau. De cette manière, ni la passerelle ni le serveur de réseau ne peuvent lire directement les données de l'utilisateur transmises entre l'appareil final et le serveur d'application. 

Le réseau LoRaWAN hérite de la capacité d'authentification des messages grâce à ses options de couche MAC qui sont authentifiées au niveau de la passerelle avant d'être transmises au serveur du réseau. En outre, la mise en service des appareils est obligatoire dans les réseaux LoRaWAN. Les réseaux LoRaWAN proposent deux types d'activation des appareils : 

• Activation par voie hertzienne (OTA) 
• Activation par la personnalisation (ABP) 

L'utilisateur aurait la possibilité de choisir l'une ou l'autre option, mais l'option préférée est l'OTA. 

Modulation LoRa

Tout au long de l'article, nous avons discuté des propriétés du réseau LoRaWAN. Dans cette section, nous discutons brièvement du schéma de modulation RF LoRa et de certaines propriétés importantes de LoRa. LoRa est un système de modulation à spectre étalé propriétaire basé sur le Chirp Spread Spectrum (CSS). LoRa vise à réaliser des communications à faible débit et à faible vitesse de transmission. Puisqu'il est basé sur le mécanisme CSS, en augmentant le taux de chirp, il est possible d'augmenter la portée de la communication. Étant donné que le facteur d'étalement augmente avec le taux de chirp, on pourrait se poser la question d'une éventuelle interférence entre les composantes de fréquence. Cependant, LoRa utilise un étalement orthogonal des chirps, ce qui évite la collision de différentes composantes de fréquence. Cela garantit également la robustesse des signaux LoRa, qui sont ainsi immunisés contre l'évanouissement par trajets multiples. L'immunité à l'évanouissement par trajets multiples fait de LoRa un candidat approprié dans un environnement urbain où la propagation par trajets multiples est prédominante. La largeur de bande pour LoRa est de 125 KHz ou 500 KHz (pour la liaison montante) et 500 KHz (pour la liaison descendante) et selon la région d'opération, ce spectre de fréquence change. 

Alliance LoRa

LoRa Alliance est une organisation ouverte et à but non lucratif dont l'objectif est de réaliser des applications IoT massives avec l'adoption des réseaux LoRaWAN qui sont basés sur la modulation RF LoRa. L'alliance LoRa collabore avec plus de 150 opérateurs de réseaux LoRaWAN dans le monde et plus de 500 entreprises, assurant ainsi une couverture mondiale. Cela fait des réseaux LoRaWAN un candidat intéressant pour les applications IoT massives dans un contexte mondial. Une carte de la couverture du réseau montrant la couverture mondiale actuelle et les secteurs verticaux actuels avec des applications basées sur LoRa est accessible via : https://lora-alliance.org/ . 

Avantages et inconvénients de LoRaWAN

Les réseaux LoRaWAN sont devenus populaires pour de nombreuses raisons, car ils présentent de nombreux avantages dans le contexte des applications IoT et IoT massives. Voici quelques-uns des principaux avantages de LoRaWAN : 

• Les réseaux LoRaWAN consomment peu d'énergie, car les appareils basés sur LoRa sont optimisés pour une faible consommation d'énergie.  
• Les appareils basés sur la technologie LoRa ont une longue durée de vie de la batterie 
• Grâce à l'utilisation de la modulation RF LoRa basée sur le CSS, les réseaux LoRaWAN peuvent s'étendre sur une grande distance. Celle-ci est d'environ 10 km en milieu rural et d'environ 3 km en milieu urbain. 
• Grâce à la présence d'organismes de normalisation tels que la LoRa Alliance, les dispositifs basés sur la LoRa sont très répandus dans le monde entier, ce qui les rend facilement accessibles. 
• Les fonctions de sécurité inhérentes aux appareils basés sur LoRa constituent un autre avantage des réseaux LoRaWAN. Ces réseaux utilisent également des techniques de cryptage AES 128 bits  

Malgré leurs caractéristiques attrayantes, les réseaux LoRaWAN ne sont toujours pas la meilleure option. Les réseaux LoRaWAN ne sont capables de gérer que de faibles débits de données et peuvent transmettre de faibles échantillons de données à un moment donné. Par conséquent, nous devons coder des types de données tels que le texte en binaire pour être à la hauteur de la faible capacité de charge utile des réseaux LoRaWAN. En outre, les réseaux LoRaWAN ne sont pas idéalement adaptés au traitement des données en temps réel, car les dispositifs basés sur LoRa peuvent envoyer des données dans des intervalles de temps donnés. 

Quand utiliser LoRa et LoRaWAN ? (Applications) 

LoRa et LoRaWAN sont adaptés à la réalisation d'applications IoT et IoT massives qui nécessiteraient les caractéristiques suivantes : 

• Faible coût de mise en œuvre 
• Faible consommation d'énergie 
• Transmission d'une bande passante réduite et d'une petite charge utile 
• Sécurité et longue portée 

Ces caractéristiques sont évidentes dans des domaines tels que : 

• Applications de stationnement intelligent 
• Applications de surveillance de l'environnement et de comptage des services publics 
• Localisation 
• Eclairage public  
• Applications agricoles et gestion du bétail 
• Application de prévision des catastrophes telles que la prévision des tremblements de terre 

Cependant, les réseaux LoRa et LoRaWAN ne sont pas le candidat idéal pour des applications telles que les maisons connectées et les applications domestiques automatisées où le traitement des données en temps réel et le contrôle de différents actionneurs sont nécessaires. Les applications basées sur LoRa ne sont pas non plus le meilleur candidat pour les applications nécessitant des largeurs de bande plus importantes, comme la transmission d'images ou de vidéos. 

Conclusion

En conclusion, LoRa est le schéma de modulation RF qui est la couche physique soulignée dans la pile du réseau LoRaWAN. En outre, avec la présence d'organismes de normalisation tels que la LoRa Alliance, les réseaux LoRaWAN deviennent populaires pour les applications IoT massives à longue portée et à faible consommation d'énergie.