LoRaWAN - 101 : un aperçu de l’une des technologies IoT les plus populaires à l’heure actuelle !

Si vous vous intéressez aux dispositifs connectés, vous avez peut-être déjà entendu parler de LoRaWAN à plusieurs reprises. Il s’agit d’un protocole de fréquences radio longue portée qui permet aux objets de se connecter à Internet sur une longue distance, avec une faible consommation énergétique. Il a permis de résoudre l’un des plus importants problèmes actuels de l’écosystème de l’Internet des objets. Avec une batterie longue durée de vie allant jusqu’à 5 ans associée à des coûts de maintenance réduits du réseau de capteurs, LoRaWAN se prête à toutes sortes de nouvelles utilisations.

Voilà en un mot ce qu’offre LoRaWAN, et dans cet article, nous nous intéresserons à son architecture, aux caractéristiques principales de la technologie de base et aux nouvelles utilisations qu’elle rend possibles.

La beauté de cette technologie réside dans le fait qu’elle est basée sur un standard ouvert. Elle utilise les fréquences sans licence dans le cadre de la plage de fréquences radio ISM (industrielles, scientifiques et médicales). Dans toute l’Europe, LoRaWAN utilise le plan de fréquences 868 Mhz, alors qu’aux États-Unis il utilise le plan de fréquences 915 Mhz. Le fait d’utiliser les fréquences sans licence permet à n’importe qui de créer et d’utiliser facilement son propre réseau. De nombreux opérateurs de télécommunications ont commencé à adopter la technologie LoRaWAN, et offrent connectivité et services dans de nombreux pays du monde. KPN, Orange, SK Telecom, Comcast et beaucoup d’autres sont activement impliqués dans la mise en œuvre de déploiements à grande échelle dans leur région. Cela fait de LoRaWAN une technologie encore plus intéressante, car compatible avec les réseaux déployés par différents opérateurs à petite ou grande échelle.

La norme LoRaWAN standard est régie par LoRa Alliance, un groupe de plus de 500 membres qui prennent tous en charge le protocole et fabriquent des composants, produits et services en lien avec LoRaWAN. Des entreprises comme Microchip, ST, Cisco, Softbank et ARM en sont membres. Plus d’informations ici.

Comparatif LoRa / LoRaWAN

Commençons par définir LoRa, ce que c’est et en quoi il diffère de LoRaWAN. LoRa est une technologie sans fil tout comme les technologies plus couramment utilisées que sont le Wi-Fi, le Bluetooth, LTE et Zigbee. Une technologie ne peut pas résoudre à elle seule tous les problèmes, et bien souvent il faut accepter de faire des compromis. LoRa répond au besoin de dispositifs à faible coût alimentés sur batterie qui doivent envoyer des données sur une longue distance. Toutefois, LoRa n’est pas adapté à l’envoi de données avec une bande passante élevée. LoRa est la technologie qui permet de moduler les données que vous voulez envoyer en ondes électromagnétiques. Cette technologie de modulation utilisée par LoRa, appelé Chirp Spread Spectrum, est utilisée pour les communications militaires et spatiales depuis plusieurs dizaines d’années, parce qu’elle offre une longue distance de communication et une bonne résistance aux interférences.

LoRaWAN, quant à lui, est le protocole MAC pour le réseau de l’Internet des objets des nœuds LoRa haute capacité, longue portée et basse consommation. Il tire parti des caractéristiques de LoRa décrites ci-dessus et optimise la durée de vie de la batterie et la qualité du service pour les nœuds LoRa. Ce protocole est entièrement bidirectionnel, pour une livraison fiable des messages (confirmations). Il permet la définition d’un cryptage de bout en bout pour la sécurité et la confidentialité des données, l’enregistrement radio des nœuds d’extrémité et une fonction de multidiffusion. La norme garantit l’interopérabilité des différents réseaux LoRaWAN dans le monde.

L’architecture LoRaWAN se compose de 4 éléments principaux :

• Nœuds d’extrémité
• Passerelle (stations de base/routeur)
• Serveur réseau
• Serveur d’application

Nœuds d’extrémité

Les nœuds d’extrémité sont des dispositifs matériels physiques qui contiennent des capacités de détection, une certaine puissance de calcul et un module radio pour la traduction des données en signal radio. Ces terminaux peuvent envoyer des données à la passerelle, mais également en recevoir. Ils peuvent fonctionner plusieurs années avec une petite batterie s’ils sont mis en mode sommeil profond, afin d’optimiser la consommation d’énergie.

Lorsqu’un terminal envoie un message à la passerelle, c’est ce qu’on appelle une « liaison ascendante », et lorsqu’il reçoit un message de la passerelle, on parle de « liaison descendante ». Ainsi, il existe trois façons différentes de distinguer les terminaux :

• Classe A
• Classe B
• Classe C

Les dispositifs de classe A consomment moins d’énergie que les deux autres classes. Mais ils ont l’inconvénient de ne pouvoir recevoir une liaison descendante qu’après avoir envoyé un message en liaison ascendante. Les dispositifs de classe A sont adaptés à l’envoi de données à un certain intervalle de temps (par exemple toutes les 15 minutes) ou pour les dispositifs qui envoient des données liées aux événements (quand la température dépasse les 21 degrés ou descend en-dessous de 19 degrés).

Les nœuds finaux utilisant la classe B offrent davantage d’emplacements pour les messages en liaison descendante que ceux utilisant la classe A. Cela réduit le temps d’attente des messages, tout en la rendant moins efficace sur le plan énergétique.

Enfin, les dispositifs de classe C disposent de fenêtres de réception continue fermées uniquement lorsque le dispositif envoie un message en liaison ascendante. De ce fait, c’est la plus énergivore, et dans la plupart des cas elle nécessite une source d’alimentation constante pour fonctionner.

Passerelles

Les passerelles sont également appelées modems ou points d’accès. Une passerelle est également un dispositif matériel qui capte tous les messages de LoRaWAN envoyés depuis les nœuds d’extrémité. Ces messages sont ensuite convertis en un tableau de bits qui peut être envoyé via les réseaux IP traditionnels. La passerelle est connectée au serveur réseau, auquel elle transmet tous les messages.

Les passerelles sont transparentes et offrent une puissance de calcul limitée. Tous les calculs complexes et opérations de veille sont exécutés sur le serveur réseau. En fonction de leur utilisation et de leur type, il existe deux types de passerelles :

• Passerelle pour utilisation en intérieur, par exemple Multitech Conduit, The Things Gateway
• Passerelle pour utilisation en extérieur, par exemple Kerlink IoT Station, LoRiX One

Serveur réseau

Tous les messages des passerelles sont transmis au serveur réseau. C’est là que les processus les plus complexes de traitement des données ont lieu. Les serveur réseau est principalement responsable de :

• L’acheminement/transfert des messages à la bonne application.
• La sélection de la meilleure passerelle pour un message en liaison descendante. Ce choix est généralement pris sur la base d’une indication de la qualité de la liaison, calculée à partir de la RSSI (Received Signal Strength Indication) et du rapport signal/bruit des paquets précédemment reçus.
• La suppression des messages en double s’ils sont reçus par plusieurs passerelles.
• Le décryptage des messages envoyés depuis les nœuds d’extrémité et le cryptage des messages renvoyés aux nœuds.
• Les passerelles sont généralement connectées au serveur réseau sur une adresse IP cryptée. Le réseau contient généralement une interface de mise en service et de supervision des passerelles, qui permet à l’opérateur réseau de gérer les passerelles, de gérer les situations de panne, de surveiller les alarmes, etc.

The Things Network est un réseau de données de l’Internet des objets ouvert et participatif (crowdsourcing) à l’échelle mondiale. Plus de 20 000 personnes, dans plus de 90 pays, développent ce réseau de données de l’Internet des objets mondial avec LoRaWAN.

En savoir plus sur The Things Network ici.

Serveur d’application

Le serveur d’application est l’endroit où se trouve l’IoT réel, qui fait quelque chose d’utile avec les données collectées auprès des terminaux. Les serveurs d’application sont principalement exécutés sur un Cloud privé ou public qui assure l’interface avec le serveur réseau de LoRaWAN, et se chargent du traitement spécifique aux applications. L’interface avec le serveur d’application est régie par le serveur réseau.

Fonctionnalités de LoRaWAN

Communication bidirectionnelle

Un terminal peut envoyer des données à la passerelle et en recevoir, selon la configuration. Cette configuration peut également être appelée à partir de l’application.

Localisation

L’une des caractéristiques intéressantes de LoRaWAN est la localisation sans GPS. Cela s’avère particulièrement utile pour effectuer le suivi des actifs et des capteurs, car cette fonctionnalité préserve la batterie et demande un entretien moins coûteux que les méthodes traditionnelles.

Évolutivité

Le protocole LoRaWAN est conçu pour les déploiements IoT à grande échelle, permettant de connecter des milliers de dispositifs à un nombre réduit de passerelles. Ces passerelles peuvent écouter plusieurs canaux et traiter plusieurs messages en même temps.

Autre caractéristique essentielle de LoRaWAN : la vitesse à laquelle les données peuvent être envoyées. Plusieurs débits de données sont disponibles pour la transmission des données. Ceux-ci sont appelés : facteurs de diffusion (ou SF). Les transmissions plus lentes offrent une plage plus longue et plus fiable.

Par exemple, imaginez que vous essayez d’avoir une conversation avec quelqu’un qui se trouve très près de vous. Vous pouvez parler très vite, l’autre personne entendra tout ce que vous dites. Lorsque vous essayez d’avoir une conversation avec quelqu’un qui se trouve loin, vous devez parler beaucoup plus lentement pour vous faire comprendre. Ce principe est intégré dans le protocole LoRaWAN.

Débit de données adaptatif

L’une des principales caractéristiques de LoRaWAN est le fait que le réseau peut optimiser automatiquement la vitesse à laquelle le dispositif envoie ses données. Cette fonctionnalité est appelée débit de données adaptatif (ou ADR), et elle est essentielle pour accroître la capacité d’un réseau LoRaWAN. L’ADR nous permet de faire évoluer facilement le réseau, simplement en ajoutant une passerelle. Grâce à cette passerelle supplémentaire, de nombreux terminaux vont automatiquement modifier leur facteur de diffusion, pour un temps de diffusion réduit par dispositif, et une capacité accrue du réseau.

Le débit de données adaptatif (ADR) est un mécanisme très simple qui modifie le débit de données en fonction de règles simples :

• Si la puissance du signal radio (appelé budget de liaison) est élevée, le débit de données peut être augmenté ;
• Si le budget de liaison est faible, le débit peut être réduit.

Sécurité

Il est essentiel que tout réseau étendu à faible consommation (LPWAN) intègre des éléments de sécurité. Le protocole LoRaWAN utilise deux couches de sécurité : une pour le réseau et l’autre pour l’application. La sécurité du réseau garantit l’authenticité du terminal sur le réseau, tandis que la couche de sécurité de l’application garantit que l’opérateur de réseau n’a pas accès aux données d’application de l’utilisateur final. Le cryptage AES est utilisé avec l’échange de clés.

• Appelée contrôle d’intégrité, la couche réseau est responsable de l’identification du nœud. Elle vérifie qu’un message vient vraiment d’un certain dispositif. Elle crypte également les commandes MAC.
• La couche d’application est utilisée pour le cryptage et décryptage de la charge utile.

Les deux clés sont cryptées à l’aide d’un cryptage AES 128 bits en mode ECB.

Cas d’utilisation et applications

Le protocole LoRaWAN s’est fait une place unique sur le marché du fait de la variété d’utilisations et d’applications qui peuvent être développées avec cette technologie. Avec ses caractéristiques distinctives, LoRaWAN s’adapte particulièrement aux scénarios suivants :

• Accès à l’alimentation (électricité) limité ou sujet à contraintes
• Lieux ou sites reculés physiquement et difficiles à atteindre
• Nombre de terminaux beaucoup plus élevé que pour une connexion cellulaire traditionnelle
• Terminaux n’ayant pas besoin de diffuser des messages en continu

Cas d’utilisation de Lorawan, verticaux

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Wienke Giezeman, créateur de The Things Network

LoRaWAN - 101 : un aperçu de l’une des technologies IoT les plus populaires à l’heure actuelle ! Publié le 22 septembre 2017 par Farnell