27. avril 2024

LoRa

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Qu’est-ce que LoRa ?

LoRa signifie “Long Range, low Power” et fait référence à une technologie de communication sans fil développée pour transmettre des données sur de longues distances. Cette technologie est souvent utilisée pour l’Internet des objets (IoT) et la communication machine-to-machine (M2M). LoRa permet de transmettre des données sans fil sur de longues distances avec une faible consommation d’énergie, ce qui la rend particulièrement adaptée aux appareils fonctionnant sur batterie et aux applications nécessitant une longue durée de vie de la batterie.

Les principales caractéristiques de LoRa sont les suivantes :

  1. Grande portée : la technologie LoRa permet de transmettre des données sur des distances allant de plusieurs kilomètres à plusieurs dizaines de kilomètres, en fonction des conditions environnementales et du matériel utilisé.
  2. Faible consommation d’énergie : les appareils LoRa sont peu gourmands en énergie et peuvent donc être alimentés par des piles ou d’autres sources d’énergie peu gourmandes en énergie. Cela les rend idéaux pour les applications où la consommation de piles doit être minimisée.
  3. Faibles débits de données : LoRa offre des débits de données relativement faibles par rapport à d’autres technologies sans fil comme le Wi-Fi ou la 4G/5G. Cela est toutefois suffisant pour de nombreuses applications IoT qui ne nécessitent qu’une transmission occasionnelle de petites quantités de données.
  4. Longue durée de vie de la batterie : en raison de la faible consommation d’énergie et de l’efficacité des appareils LoRa, ils peuvent souvent fonctionner pendant des années sans changer de batterie.

LoRa est basé sur une technique de modulation qui permet de recevoir des signaux même dans de mauvaises conditions radio. Cette technologie est souvent utilisée en combinaison avec un LoRaWAN (LoRa Wide Area Network), un protocole de réseau sans fil spécialement conçu pour communiquer avec des appareils LoRa. LoRaWAN permet la communication entre les appareils LoRa et un serveur réseau LoRaWAN central qui traite et transmet les données collectées auprès des appareils.

LoRa et LoRaWAN ont un large éventail d’applications, y compris les villes intelligentes, la surveillance de l’environnement, le suivi des actifs, l’agriculture, les bâtiments intelligents et bien plus encore. Ils offrent un moyen rentable de fournir une connectivité sans fil pour les applications IoT réparties sur de vastes zones géographiques.

Bande passante vs. portée

LoRaWAN est adapté à la transmission de petites données utiles (comme les données de capteurs) sur de longues distances. La modulation LoRa offre une portée de communication nettement plus grande avec une bande passante plus faible que d’autres technologies concurrentes de transmission de données sans fil. L’illustration suivante montre quelques technologies d’accès qui peuvent être utilisées pour la transmission de données sans fil et leur portée de transmission prévue par rapport à la bande passante.

Gammes de fréquences

Voici les bandes de fréquences les plus courantes pour LoRa (en fonction de la région et des dispositions réglementaires) :

  1. 868MHz : En Europe, la bande de fréquences la plus utilisée pour la technologie LoRa en raison de ses excellentes propriétés de portée et de pénétration. En Amérique du Nord, la bande 915 MHz est utilisée. Les bandes de fréquences exactes peuvent varier d’un pays à l’autre, car les autorités de régulation déterminent l’utilisation de certaines fréquences.
  2. Bande 433 MHz : la bande 433 MHz est également utilisée en Suisse pour les communications LoRa, bien qu’elle soit moins courante que la bande 868 MHz. Cette bande est idéale pour les applications radioamateur.
  3. Bande de 2,4 GHz : dans certaines régions, LoRa est également utilisé dans la bande de 2,4 GHz. Cette bande est utilisée dans le monde entier pour le WLAN et d’autres technologies sans fil, et l’utilisation de LoRa dans la bande 2,4 GHz peut donc être soumise à des interférences plus importantes.

Taux de transmission

Les taux de transmission pour LoRa dans la bande sub GHz se situent, selon la configuration, entre 125 bps (bits par seconde) au maximum et quelques bits par seconde si une grande portée est recherchée.

Puissance d’émission

La puissance d’émission des appareils courants est de 15dBm. Il n’est permis d’émettre que pendant 1% du temps.

Type de modulation “Chirp Spread Spectrum” (CSS)

LoRa (Long Range) utilise un type de modulation spécial appelé “Chirp Spread Spectrum” (CSS). Chirp Spread Spectrum est un type de modulation de fréquence dans lequel la fréquence du signal porteur est modifiée de manière linéaire dans le temps, ce qui est appelé “chirp”. Ce chirp nécessite une très grande largeur de bande (typiquement 125kHz).

LoRa utilise trois bandes passantes différentes : 125kHz, 250kHz et 500kHz (dans cet exemple, 125kHz est utilisé). Les symboles LoRa sont modulés par une puce up de 125 kHz de bande passante et différents facteurs d’étalement orthogonaux sont utilisés en fonction des exigences de débit et des conditions du canal. LoRa utilise les facteurs d’étalement SF7 à SF12.

Voici un spectrogramme pour différents facteurs d’étalement :

Exemple d’émission en CSS

La couche physique LoRa se compose de 8 symboles de préambule, de 2 symboles de synchronisation, d’une charge utile physique et d’un CRC optionnel.

  • SF8 nécessite exactement le double du temps de SF7 et SF9 exactement le double du temps de SF8.
  • Rapport entre le débit de symboles(r), la largeur de bande(BW) et le facteur de propagation(SF) : RS = BW / (2^SF)
  • Augmenter le facteur de propagation -> Augmenter le temps libre.
  • Réduire le facteur d’étalement -> Débit de données plus élevé.

Voici le spectrogramme de la couche physique LoRa :

Les 8 premiers symboles Up-Chirp sont des symboles de préambule utilisés pour détecter les chirps LoRa, les 2 symboles Down-Chirp suivants sont des symboles de synchronisation utilisés pour la synchronisation temporelle, suivis par les 5 symboles modulés (charge utile). Le saut de fréquence représente le symbole modulé.

Les principales caractéristiques et propriétés de Chirp Spread Spectrum sont les suivantes :

  1. Modulation de fréquence : dans le procédé CSS, l’information est représentée par un changement continu de la fréquence porteuse. Cela s’oppose à la modulation d’amplitude (AM) ou à la modulation de fréquence (FM) traditionnelles, dans lesquelles l’information est représentée par des changements d’amplitude ou de fréquence du signal porteur.
  2. Changement de fréquence linéaire : le processus de chirp est linéaire, ce qui signifie que la fréquence du signal augmente ou diminue à un taux constant dans le temps. Ce changement de fréquence linéaire permet de distinguer les signaux, même lorsqu’ils sont reçus sur de longues distances ou dans des environnements présentant de nombreuses réflexions et interférences.
  3. Bande passante étroite : les signaux à spectre étalé chirp ont généralement une bande passante étroite par rapport aux autres types de modulation. Cela signifie qu’ils nécessitent peu de spectre et que plusieurs signaux chirp peuvent être transmis simultanément dans une même plage de fréquences sans se gêner mutuellement.
  4. Robustesse face aux interférences : Le CSS est robuste aux interférences et à la propagation par trajets multiples, ce qui signifie que les signaux peuvent être reçus de manière fiable même dans des environnements présentant de nombreux obstacles et interférences.
  5. Faible consommation d’énergie : en raison de l’étroitesse de la bande passante et de la possibilité de transmettre des signaux à faible puissance d’émission, le CSS est économe en énergie, ce qui le rend idéal pour les appareils fonctionnant sur batterie et les applications IoT.

Globalement, la modulation à spectre étalé Chirp permet de transmettre des informations sur de longues distances avec une faible consommation d’énergie et une grande fiabilité. Cela la rend particulièrement adaptée aux applications qui nécessitent une communication sans fil sur de longues distances, comme c’est souvent le cas dans les applications IoT.

Applications pratiques de LoRa en radioamateurisme

LoRa-APRS

Un nouveau système APRS a été mis en place dans certaines parties de la Suisse. Il utilise des modules LoRa 433MHz et fonctionne avec beaucoup moins de puissance que l’APRS traditionnel sur 2m (https://github.com/lora-aprs/LoRa_APRS_Tracker ).

Lien : https://www.swiss-artg.ch/index.php?id=170

APRS-iGates der SWISS-ARTG: https://www.swiss-artg.ch/index.php?id=61&tx_news_pi1%5Bnews%5D=295&tx_news_pi1%5Bcontroller%5D=News&tx_news_pi1%5Baction%5D=detail&cHash=a93825eacdb54d2bb184166ba60c2467

Kit LoRa : https://www.swiss-artg.ch/index.php?id=174#c524

Écouter LoRa

LoRa est utilisé par des petits satellites pour la transmission de données télémétriques. Ces satellites peuvent être mis sur écoute (https://tinygs.com/).

LoRaWAN

LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) est un protocole de communication sans fil spécialement conçu pour l’Internet des objets (IoT) et basé sur la technologie LoRa (Long Range). LoRaWAN étend la technologie LoRa en fournissant un protocole réseau qui permet la communication entre les terminaux compatibles LoRa et un serveur réseau central.

Voici les principaux composants de LoRaWAN :

  1. Les terminaux (nœuds LoRa) : Il s’agit des appareils IoT qui collectent ou contrôlent les données et communiquent avec le réseau LoRaWAN. Ces appareils sont généralement équipés de modules radio LoRa et peuvent contenir différents capteurs, actionneurs ou autres composants IoT.
  2. Passerelles : les passerelles LoRaWAN sont des appareils qui reçoivent les données des terminaux et les transmettent au serveur réseau central. Ces passerelles sont placées stratégiquement dans une zone afin d’assurer une bonne couverture.
  3. Le serveur de réseau : Le serveur réseau central est le cœur d’un réseau LoRaWAN. Il reçoit les données des passerelles, les traite, les transmet aux bonnes applications et s’assure que la communication est sûre et fiable.
  4. Les applications : Applications et services qui accèdent aux données collectées par les terminaux et les utilisent pour répondre à des besoins spécifiques. Il peut s’agir d’applications de surveillance des conditions environnementales, de suivi des actifs, de villes intelligentes et bien d’autres encore.

Lien : https://www.lora-wan.de/

Kits etc : https://de.elv.com/technik-fuer-elektronik-projekte/bausaetze/lorawan/?utm_source=google&utm_medium=cpc&utm_campaign=perfmax_shopping_de&refid=Gads&Gads_PerfMax_Shopping&gad_source=1&gclid=Cj0KCQjwqP2pBhDMARIsAJQ0Czpkdp2Rwm80b1cehZSXyMocex50AnT-WZ7uN8WKL_7fbtUyDFvwXvkaAtSSEALw_wcB

LoRa Alliance

La LoRa Alliance est une organisation indépendante à but non lucratif qui joue un rôle important dans la promotion, le développement et la normalisation de la technologie LoRaWAN. Ses principaux objectifs et missions comprennent :

  1. Standardisation : LoRa Alliance travaille au développement et à la promotion de normes ouvertes pour LoRaWAN. Cela permet d’assurer l’interopérabilité entre les différents appareils et réseaux LoRaWAN et de promouvoir une large acceptation de la technologie.
  2. Certification : la LoRa Alliance gère un programme de certification qui garantit que les appareils et les réseaux LoRaWAN sont conformes aux normes établies. Cela favorise la qualité et la fiabilité des implémentations LoRaWAN.
  3. Promotion de la technologie : la LoRa Alliance s’efforce de sensibiliser à LoRaWAN et à ses cas d’application. Cela se fait par le biais d’initiatives de marketing, d’événements et d’efforts éducatifs.
  4. Défense des intérêts : LoRa Alliance défend les intérêts de ses membres et de la communauté LoRaWAN au niveau politique et réglementaire. Cela inclut la collaboration avec les autorités de régulation et le soutien des politiques qui encouragent l’utilisation de LoRaWAN.
  5. Construction d’écosystèmes : La LoRa Alliance encourage la construction d’un écosystème LoRaWAN complet en réunissant des entreprises, des instituts de recherche, des développeurs et des utilisateurs. Cela contribue à l’innovation et au développement de LoRaWAN.
  6. Construire un écosystème : La LoRa Alliance encourage la création d’un écosystème LoRaWAN complet en réunissant des entreprises, des instituts de recherche, des développeurs et des utilisateurs. Cela contribue à l’innovation et au développement de LoRaWAN.
  7. Développement de spécifications : La LoRa Alliance travaille au développement de spécifications LoRaWAN afin de garantir que la technologie réponde aux exigences et aux défis changeants de l’IdO.

La LoRa Alliance compte une large base de membres, dont des entreprises, des instituts de recherche et d’autres organisations intéressées par la promotion et le développement de LoRaWAN. Leurs efforts ont contribué à faire de LoRaWAN une technologie largement répandue et acceptée pour l’Internet des objets (IdO) et à promouvoir la disponibilité mondiale de réseaux et d’appareils LoRaWAN.

The Things Network

Il s’agit d’un réseau LoRaWAN créé par des passionnés et composé de nombreuses passerelles privées et d’un réseau ouvert. Il peut être utilisé gratuitement par tous les capteurs.

Helium

Il s’agit d’un réseau LoRaWAN fermé, utilisé principalement pour l’extraction d’une crypto-monnaie. La participation se fait aux risques et périls de l’utilisateur.

Il existe en outre quelques réseaux LoRaWAN commerciaux. En Suisse, l’un d’entre eux est exploité par Swisscom.

Lien : https://www.thethingsnetwork.org/docs/lorawan/what-is-lorawan/
Lien : https://lora-alliance.org/
Spécifications LoRa (également LoRaWAN) : https://resources.lora-alliance.org/technical-specifications
Quelle : https://chat.openai.com/share/a9cdf312-c8ba-4ef4-8d7e-1c15def48177
Quelle : https://www.sghoslya.com/p/lora-is-chirp-spread-spectrum.html