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LoRa

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LoRa
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Ne doit pas être confondu avec LORAN.

LoRa (pour long range, « longue portée ») est une technique de radiocommunication propriétaire basée sur la modulation à étalement de spectre[1] créée en 2009 par la start-up grenobloise Cycléo, et rachetée par l'entreprise américaine Semtech en 2012.

LoRa est utilisée comme couche physique pour plusieurs protocoles, le plus connu étant LoRaWAN, un protocole de réseau étendu à faible consommation (LPWAN) qui connecte à Internet des appareils alimentés par batterie[2]. Il existe d'autres protocoles pour les applications hors-réseau, comme Meshtastic.

LoRa et ses surcouches réseau offrent une solution pour connecter des appareils basse consommation sur de longues distances, ce qui en fait une technologie clé pour l'Internet des objets (IoT). Cette technologie est principalement utilisée pour des applications nécessitant la transmission peu fréquente de faibles quantités de données depuis des zones difficiles d'accès, comme dans l'agriculture de précision, la surveillance industrielle et le suivi de flotte[3]. La norme LoRa est désormais gérée par l'Alliance LoRa[4].

Caractéristiques

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LoRa utilise des bandes de fréquences radio inférieures à 1 GHz dépendantes de la région du monde : EU433 ( LPD433 ) ou EU868 (863–870/873 MHz) en Europe, AU915/AS923-1 (915–928 MHz) en Amérique du Sud, US915 (902–928 MHz) en Amérique du Nord, IN865 (865–867 MHz) en Inde et AS923 (915–928 MHz) en Asie[5].

LoRa permet des transmissions longue portée avec une faible consommation d'énergie[3]. Cette technologie couvre la couche physique, tandis que d'autres technologies et protocoles tels que LoRaWAN couvrent les couches supérieures du modèle OSI. Elle peut atteindre des débits de données compris entre 0,3 kbit/s et 27 kbit/s, en fonction du facteur d'étalement[6].

Applications

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Les dispositifs LoRa possèdent des capacités de géolocalisation permettant la trilatération de la position des appareils grâce à l'horodatages fourni par les passerelles. Cette caractéristique, combinée à la longue portée et à la faible consommation d'énergie, généralement complétée par le protocole réseau LoRaWAN, la rend adaptée à un large éventail d'applications de l'Internet des objets (IoT) où les ressources sont dispersées et où l'autonomie des batteries est cruciale[7].

Suivi des puces et logistique

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LoRa est largement utilisé pour le suivi de flotte, notamment pour les dispositifs non alimentés nécessitant un système de suivi de grande autonomie. Ne dépendant pas des réseaux cellulaires, LoRa constitue une technologie efficace pour la surveillance d'objets en mouvement dans des zones à faible couverture GSM, comme dans les régions isolées ou à l'intérieur de grands conteneurs métalliques[8]. Une application courante concerne le suivi des engins de chantier et ferroviaires. Par exemple, en Suisse, des traceurs LoRa sont utilisés pour surveiller la position des wagons de chantier, améliorant la sécurité contre le vol et la logistique des flottes[9].

Agriculture de précision

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En agriculture de précision, les capteurs LoRa servent à créer des systèmes d'information qui optimisent les opérations agricoles. Déployés sur de vastes parcelles, ces capteurs basse consommation surveillent l'humidité, la température et la teneur en nutriments du sol, permettant ainsi d'améliorer l'irrigation et la fertilisation. Cette technologie est également utilisée pour suivre la localisation et l'état de santé du bétail[10].

Ville intelligente et services publics

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LoRa est utilisé pour les applications de villes intelligentes. Les collectivités peuvent le mettre en place pour divers services, notamment :

  • les compteurs communicants pour relever automatiquement la consommation d’eau et de gaz sans avoir besoin d’envoyer un technicien.
  • la gestion des déchets où des capteurs installés dans les poubelles publiques peuvent signaler lorsqu'elles sont pleines, permettant ainsi d'optimiser les itinéraires de collecte.
  • le stationnement intelligent, où des capteurs installés dans les places de stationnement peuvent détecter si une place est occupée et remonter les données en temps réel.
  • les armoires de commande de l'éclairage public pour l'extinction, l'allumage ou la modulation de celui-ci, ou encore pour le suivi de consommation et la détection de dysfonctionnements.

LoRa PHY

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LoRa utilise une modulation à étalement de spectre propriétaire, similaire et dérivée de la modulation à spectre étalé par modulation de fréquence (CSS, chirp spread spectrum). Chaque symbole est représenté par un chirp cyclique décalé sur la bande passante centrée sur la fréquence de base. Le facteur d'étalement (SF) est un nombre entier sélectionnable de 5 à 12[11] ; il représente le nombre de bits transmis par symbole et détermine également la durée de diffusion de l'information dans le temps[12].

Il y a un nombre de différentes fréquences initiales de chirp décalé sur la bande passante autour de la fréquence centrale[13]. Le débit de symboles est déterminé par . LoRa permet de régler le compromis entre débit de données et sensibilité, en supposant une bande passante fixe en sélectionnant le facteur d'étalement (SF), c'est-à-dire le niveau d'étalement utilisé. Un SF plus faible correspond à un débit de données plus élevé mais à une sensibilité moindre, tandis qu'un SF plus élevé implique une meilleure sensibilité mais un débit de données plus faible[14]. Comparé à un SF plus faible, l'envoi de la même quantité de données avec un SF plus élevé nécessite un temps de transmission plus long, appelé temps d'émission. Un temps d'émission plus long implique que le modem transmet plus longtemps et consomme donc plus d'énergie.

Les modems LoRa classiques prennent en charge des puissances d'émission jusqu'à +22 dBm[11] cependant, la réglementation du pays concerné peut limiter la puissance d'émission autorisée. Une puissance d'émission plus élevée se traduit par une puissance de signal plus élevée au niveau du récepteur et donc par un bilan de liaison plus important, mais au prix d'une consommation d'énergie accrue. Des études de mesure des performances de LoRa existent concernant la consommation d'énergie, les distances de communication et l'efficacité d'accès au support[15]. Selon le portail de développement LoRa, la portée de LoRa peut atteindre 5 km en zone urbaine, et jusqu'à 15 km ou plus dans les zones rurales (à vol d'oiseau)[16].

De plus, LoRa utilise un code correcteur d'erreurs sans retour pour améliorer sa résistance aux interférences. La portée élevée de LoRa est caractérisée par un bilan de liaison sans fil élevé, de l'ordre de 155 à 170 dB[17]. Les répéteurs LoRa sont appelés LoRaX (range extender).

Protocoles

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LoRaWAN

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Article détaillé : LoRaWAN.
Architecture réseau LoRaWAN

Alors que LoRa définit la couche physique inférieure, LoRaWAN constitue le protocole de couche MAC et l'architecture système du réseau. LoRaWAN définit le protocole de communication permettant de gérer les échanges entre les terminaux basse consommation et les passerelles.

L'architecture du réseau LoRaWAN se compose de trois éléments principaux :

  • Terminal (end device) : un petits capteur ou traceur alimentés par batterie, déployé sur le terrain doté d’une puce LoRa qui lui permet de transmettre de petits paquets de données.
  • Passerelle (gateway) : une station de réception connectée à Internet qui capte les signaux LoRa émis par les terminaux situés à sa portée et les transmet au serveur central du réseau sans les traiter[2].
  • Serveur réseau : un logiciel central qui gère l’ensemble du réseau. Il reçoit les données de toutes les passerelles, supprime les messages en double, puis achemine les données vers le serveur d’application approprié[18],[19].

Meshtastic

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Article détaillé : Meshtastic.

Meshtastic est un protocole de communication radio en architecture maillée décentralisé et hors réseau, contrairement à LoRaWAN. Son objectif principal est de permettre une communication longue portée à faible consommation sur la bande ISM. Il fonctionne à des niveaux de puissance ne nécessitant aucune licence d'émission. Conçu pour l'échange de messages texte et données dans des environnements hors réseau, il trouve des applications potentielles dans les projets IoT où un système de communication décentralisé est nécessaire sans accès à une infrastructure existante.

Alliance LoRa

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L'Alliance LoRa est une association ouverte à but non lucratif dont la mission déclarée est de soutenir et de promouvoir l'adoption mondiale de la norme LoRaWAN pour les déploiements IoT à grande échelle, ainsi que pour les déploiements dans des endroits reculés ou difficiles d'accès.

Les membres collaborent au sein d'un écosystème de fabricants d'appareils, d'intégrateurs de systèmes et d'opérateurs de réseaux, assurant l'interopérabilité nécessaire au déploiement mondial de l'Internet des objets (IoT), grâce à des réseaux publics, privés, hybrides et communautaires. L'Alliance se concentre principalement sur l'agriculture de précision, les bâtiments, les villes intelligentes, l'industrie, la logistique et les services publics.

Parmi les principaux membres contributeurs de l'Alliance LoRa figurent Actility, Amazon Web Services, Cisco, Everynet, Helium, Kerlink, MachineQ, Microsoft, MikroTik, Minol Zenner, Netze BW, Semtech, Senet, STMicroelectronics, TEKTELIC et The Things Industries[20]. En 2018, l'Alliance LoRa comptait plus de 100 opérateurs de réseaux LoRaWAN dans plus de 100 pays ; en 2023, on en dénombrait près de 200, assurant une couverture dans la quasi-totalité des pays du monde[21].

Le 1er octobre 2024, Cisco a annoncé son « retrait du marché LoRaWAN » sans migration prévue pour ses passerelles LoRaWAN[22].

Voir aussi

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  • DASH7 – une alternative ouverte populaire à LoRa
  • IEEE 802.11ah – norme non propriétaire à faible consommation et longue portée
  • CC430 – un microcontrôleur et émetteur-récepteur RF
  • IoT à bande étroite
  • SCHC – compression d'en-tête de contexte statique

Références

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  1. ↑ (en) « What is LoRa? », Semtech (consulté le )
  2. ↑ a et b J. Haxhibeqiri, F. Van den Abeele, J. Hoebeke et I. Moerman, LoRaWAN for smart city applications, Springer, , 1–25 p., « A Survey of LoRaWAN for the Internet of Things »
  3. ↑ a et b Ramon Sanchez-Iborra, Jesus Sanchez-Gomez, Juan Ballesta-Viñas et Maria-Dolores Cano, « Performance Evaluation of LoRa Considering Scenario Conditions », Sensors, vol. 18, no 3,‎ , p. 772 (PMID 29510524, PMCID 5876541, DOI 10.3390/s18030772, Bibcode 2018Senso..18..772S)
  4. ↑ (en) « Semtech Acquires Wireless Long Range IP Provider Cycleo », Design And Reuse (consulté le )
  5. ↑ « RP002-1.0.3 LoRaWAN Regional Parameters », lora-alliance.org (consulté le )
  6. ↑ Adelantado, Vilajosana, Tuset-Peiro et Martinez, « Understanding the Limits of LoRaWAN », IEEE Communications Magazine, vol. 55, no 9,‎ , p. 34–40 (ISSN 0163-6804, DOI 10.1109/mcom.2017.1600613, Bibcode 2017IComM..55i..34A, arXiv 1607.08011, hdl 10609/93072, S2CID 2798291)
  7. ↑ « 10 years of LoRaWAN: LoRa Alliance shares ambitions », IoT Insider, (consulté le )
  8. ↑ A. Busko et R. D. M. S. D. Rathnayake, « Monitoring of moving objects in the absence of a GSM signal », Scientific Journal of Silesian University of Technology. Series of Transport, vol. 112,‎ , p. 5–14 (DOI 10.20858/sjsutst.2021.112.1, lire en ligne)
  9. ↑ « Ensuring asset security with LoRaWAN tracking solution for construction wagons in Switzerland », Railway Gazette International, (consulté le )
  10. ↑ V. D. Bortnikov et V. V. Semenyuk, « Main Aspects of the Creation of Managing Information System at the Implementation of Precision Farming », International Scientific Agriculture Journal, vol. 6, no 2,‎ , p. 35–39 (DOI 10.24411/2588-0209-2020-10188, lire en ligne)
  11. ↑ a et b « SX1261/2 Datasheet », Semtech SX1276, Semtech (consulté le )
  12. ↑ « LoRa Modulation Basics » [archive du ], Semtech (consulté le )
  13. ↑ M. Chiani et A. Elzanaty, « On the LoRa Modulation for IoT: Waveform Properties and Spectral Analysis », IEEE Internet of Things Journal, vol. 6, no 5,‎ , p. 772 (DOI 10.1109/JIOT.2019.2919151, Bibcode 2019IITJ....6.8463C, arXiv 1906.04256, hdl 10754/655888, S2CID 184486907)
  14. ↑ (en) Qoitech, « How Spreading Factor affects LoRaWAN device battery life », The Things Network (consulté le )
  15. ↑ J.C. Liando, A. Gamage, A.W. Tengourtius et M. Li, « Known and Unknown Facts of LoRa: Experiences from a Large-Scale Measurement Study », ACM Transactions on Sensor Networks, vol. 15, no 2,‎ , Article No. 16, pp 1–35 (ISSN 1550-4859, DOI 10.1145/3293534, hdl 10356/142869, S2CID 53669421)
  16. ↑ « What are LoRa® and LoRaWAN®? », LoRa Developer Portal (consulté le )
  17. ↑ (en-US) Mohan, « 10 Things About LoRaWAN & NB-IoT », blog.semtech.com (consulté le )
  18. ↑ A. Smirnov, A. Ponomarev et T. Levashova, ALIOT: A Multi-Disciplinary Perspective on the Internet of Things, Springer, (lire en ligne), « IoT in Fleet Management », p. 235
  19. ↑ (en-US) « LoRaWAN For Developers », www.lora-alliance.org (consulté le )
  20. ↑ « Member Directory | LoRa Alliance », lora-alliance.org (consulté le )
  21. ↑ (en-US) « LoRa Alliance passes 100 LoRaWAN network operator milestone », Electronic Products & Technology, (consulté le )
  22. ↑ « End-of-Sale and End-of-Life Announcement for the Cisco LoRaWAN », cisco.com (consulté le )

Bibliographie

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Liens externes

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