Modules LoRa pour l’IoT industriel et la communication à longue portée

LoRa (Long Range) est une technologie de modulation sans fil basée sur Chirp Spread Spectrum (CSS). Elle permet une transmission de données économe en énergie sur de longues distances à faible débit. LoRa fonctionne sur des bandes de fréquences sans licence, telles que 868 MHz (Europe), 915 MHz (Amérique du Nord) et 433 MHz (Asie), et utilise divers facteurs d’étalement (SF7 – SF12) pour ajuster la portée et le débit.

LoRaWAN est un protocole réseau pour les applications IoT basé sur LoRa. Son architecture se compose de plusieurs composants :

• Appareils finaux (End Nodes): Capteurs ou actionneurs avec puces LoRa qui envoient et reçoivent des données (émetteur-récepteur).
• Passerelles : Reçoivent les signaux LoRa et les transmettent via IP (Ethernet, LTE, Wi-Fi) au serveur réseau. Une seule passerelle peut couvrir de grandes surfaces. Transmet les paquets envoyés du côté serveur aux appareils finaux.
• Serveur réseau (NS): Gère la communication, filtre les messages dupliqués et contrôle la charge du réseau.
• Serveur de connexion (JS): Authentifie les appareils et génère des clés de sécurité pour le chiffrement.
• Serveur d’application (AS): Traite les données de capteurs déchiffrées et les transmet à l’application IoT ou à la plateforme cloud.

Il existe deux façons de connecter un appareil final à un réseau LoRaWAN :

Activation Over-the-Air (OTAA):

• Méthode sécurisée avec génération dynamique de clés.
• L’appareil final envoie un message Join Request au serveur réseau.
• Le serveur de connexion génère des clés de session (AppSKey & NwkSKey) pour le chiffrement et l’authentification.
• Après une authentification réussie, l’appareil peut envoyer et recevoir des messages.

Activation par personnalisation (ABP):

• Méthode plus rapide mais moins sécurisée, car les clés sont stockées de manière permanente dans l’appareil.
• Aucune procédure de jonction n’est requise ; l’appareil peut transmettre immédiatement.
• Inconvénient : la sécurité est plus faible car les clés ne sont pas renouvelées régulièrement.

OTAA est recommandé, car il génère de nouvelles clés sécurisées pour chaque enregistrement.

LoRaWAN utilise plusieurs mécanismes de sécurité :

Cryptage des données :

• Cryptage AES-128 bits selon la norme IEEE 802.15.4/2006.

Deux clés distinctes :

• Clé de session réseau (NwkSKey): Assure l’intégrité des messages.
• Clé de session d’application (AppSKey): Crypte les données de la charge utile.

Sécurité lors de l’activation :

• OTAA utilise des valeurs DevNonce dynamiques pour empêcher les attaques de réplique.
• Chaque nouvel enregistrement génère de nouvelles clés pour contrer les tentatives d’écoute.

Protection contre les attaques :

• Code d’intégrité des messages (MIC): Assure que les messages ne sont pas altérés.
• Mécanisme de compteur de trame : Empêche les attaques de réplique.
• Cryptage de bout en bout : Garantit que même le serveur réseau ne peut pas accéder aux données de la charge utile.

Ces mécanismes rendent LoRaWAN fiable et sécurisé pour les applications IoT.

La portée dépend de la fréquence, de la puissance de transmission, de la sensibilité du récepteur, des conditions environnementales, des caractéristiques de l’antenne et d’autres facteurs. Les murs, les bâtiments et les interférences peuvent réduire considérablement la portée. La portée théorique peut être calculée en utilisant le budget de liaison et la "formule de perte de chemin en espace libre".

LoRaWAN est adapté aux réseaux IoT sans fil à grande échelle.

La portée dépend également du facteur d’étalement (SF) utilisé. Les portées suivantes sont généralement spécifiées :

• Zones rurales : Jusqu’à 15 km avec SF12.
• Zones urbaines : 2–5 km, selon la densité de construction.
• Environnements industriels : 1–3 km, car les structures métalliques atténuent les signaux.

Les portées pratiques devraient être vérifiées avec des modules RF et des applications spécifiques.

LoRaWAN est adapté à de nombreuses applications IoT, y compris :

• Villes intelligentes : Éclairage public intelligent, gestion du stationnement, capteurs de qualité de l’air.
• Agriculture : Capteurs d’humidité du sol, suivi du bétail, stations météorologiques.
• Industrie 4.0 : Suivi des actifs, surveillance des processus, maintenance des machines.
• Surveillance environnementale : Détection des inondations, systèmes d’alerte précoce pour les incendies de forêt.

LoRaWAN est idéal pour les réseaux IoT à grande échelle et économes en énergie.

LoRaWAN est optimisé pour des débits de données faibles, avec des vitesses de transmission entre 0,3 kbit/s et 50 kbit/s :

• Facteur d’étalement supérieur (SF12) → Transmission plus lente (~300 bit/s).
• Facteur d’étalement inférieur (SF7) → Transmission plus rapide (~11 kbit/s).

Étant donné que LoRaWAN est conçu pour les transmissions de données périodiques basées sur des capteurs, ces débits de données sont suffisants pour de nombreuses applications IoT.

Lors de la planification d’une application, il convient de prendre en compte des facteurs tels que le cycle de service ("temps d’émission") et la perte de paquets (retransmissions potentielles).

Le taux de données adaptatif (ADR) dans LoRa est un mécanisme conçu pour optimiser le taux de transmission et la puissance de transmission en fonction des conditions réseau actuelles et de la distance entre les appareils et les passerelles.

Voici les points clés :

• Taux de données : ADR optimise le taux de données pour maximiser l’efficacité de la communication. Des taux de données plus élevés facilitent des transmissions plus rapides, tandis que des taux de données plus bas offrent des connexions plus stables.
• Puissance de transmission : En ajustant la puissance de transmission, ADR améliore l’efficacité énergétique. Les appareils proches de la passerelle peuvent transmettre à une puissance inférieure, tandis que les appareils plus éloignés peuvent avoir besoin de plus de puissance pour maintenir la connectivité.
• Ajustement automatique : ADR permet des ajustements automatiques des paramètres en fonction de la réception des accusés de réception et des conditions du réseau, aidant à trouver le bon équilibre entre portée et consommation d’énergie.
• Objectif : Le principal objectif de l’ADR est d’étendre la durée de vie des batteries des appareils IoT tout en assurant une communication fiable.

LoRaWAN fonctionne sur diverses bandes ISM sans licence, qui varient selon la région :

• Europe : 868 MHz (EU868).
• Amérique du Nord : 915 MHz (US915).
• Asie : 433 MHz (AS433) & 920-925 MHz (AS920).
• Australie : 915-928 MHz (AU915).

Ces bandes de fréquences permettent une exploitation sans coût, bien qu’elles soient soumises à des limitations de temps de transmission (restrictions de cycle de service).

Une liste complète des bandes de fréquences spécifiées peut être trouvée dans les "Paramètres Régionaux LoRaWAN® RP002-1.0.4" par la LoRa Alliance.

Remarque : Semtech, le principal développeur de la technologie LoRa, a introduit des puces LoRa supportant 2,4 GHz, comme les émetteurs-récepteurs SX1280 et SX1281. Celles-ci utilisent une version propriétaire, non standardisée de LoRa.

Les appareils LoRaWAN ont une faible consommation d’énergie et permettent une durée de vie de la batterie pouvant atteindre 10 ans (la durée de vie réelle de la batterie doit être calculée en fonction des exigences de l’application spécifique).

Classes d’appareils :

• Classe A (mode standard) : Très économe en énergie, avec des temps de transmission courts uniquement (avec les fenêtres de réception suivantes).
• Classe B (fenêtres de réception programmées) : Permet la communication synchronisée, mais avec une consommation plus élevée.
• Classe C (mode de réception continue) : Haute consommation d’énergie, mais faible latence.

Pour les capteurs alimentés par batterie, la classe A est le meilleur choix.

Une seule passerelle LoRaWAN peut gérer des milliers d’appareils simultanément, en fonction de : • Débit de données et facteur d’étalement : Les valeurs SF plus élevées réduisent la capacité de la passerelle. • Taille des paquets et intervalle de transmission : Des messages plus courts et des intervalles plus longs augmentent la capacité des appareils. • Conditions environnementales : Les interférences d’autres systèmes radio peuvent diminuer la capacité.

Un réseau LoRaWAN bien planifié peut prendre en charge efficacement un grand nombre de capteurs.

L’"Alliance LoRa" est une organisation internationale axée sur la promotion et le développement de la technologie LoRaWAN. LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) est un protocole conçu pour les réseaux sans fil, spécifiquement pour la communication des appareils IoT (Internet des objets) sur de longues distances et avec une faible consommation d’énergie.

Principaux objectifs de l’Alliance LoRa :

• Standardisation : Promouvoir l’acceptation mondiale et la standardisation de la technologie LoRaWAN.
• Interopérabilité : Assurer que les appareils de différents fabricants peuvent communiquer entre eux.
• Développement du marché : Soutenir le développement des marchés et des applications basés sur la technologie LoRaWAN.
• Formation et ressources : Fournir des matériaux de formation, des documentations et des ressources pour les développeurs et les entreprises cherchant à exploiter la technologie LoRaWAN.

Adhésion L’Alliance LoRa se compose de divers membres, y compris des entreprises de télécommunications, de logiciels, de matériel, et plus encore. L’adhésion offre aux entreprises l’opportunité de participer activement au développement continu de la technologie et de bénéficier des ressources partagées.