LoRa

Ne doit pas être confondu avec LORAN.

LoRa

Basé sur	Chirp spread spectrum (en)

modifier - modifier le code - modifier Wikidata

LoRa (pour long range, « longue portée ») est une technique de radiocommunication propriétaire basée sur la modulation à étalement de spectre 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. 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. La norme LoRa est désormais gérée par l'Alliance LoRa.

Caractéristiques

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.

LoRa permet des transmissions longue portée avec une faible consommation d'énergie. 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.

Applications

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.

LoRa PHY

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), un nombre entier sélectionnable de 5 à 12, représente le nombre de bits transmis par symbole et détermine également la durée de diffusion de l'information dans le temps, ${\displaystyle Ts=2^{\mathrm {SF} }/B}$.

Il y a un nombre ${\displaystyle M=2^{\mathrm {SF} }}$ de différentes fréquences initiales de chirp décalé sur la bande passante autour de la fréquence centrale. Le débit de symboles est déterminé par ${\displaystyle R_{s}=B/M}$. LoRa permet de régler le compromis entre débit de données et sensibilité, en supposant une bande passante fixe ${\displaystyle B}$ 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. 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 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. 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, en espace libre.

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. Les répéteurs LoRa sont appelés LoRaX (range extender).

Protocoles

LoRaWAN

Article détaillé : LoRaWAN.

Alors que LoRa définit la couche physique inférieure, LoRaWAN constitue un protocole de couche MAC et une architecture système de réseau en étoile. LoRaWAN définit le protocole de communication permettant de gérer les échanges entre les terminaux basse consommation et les passerelles vers internet.

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.
• 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^,.

Réseaux maillés

Du fait du fort développement de cartes à microcontroleurs compatibles LoRa, des protocoles émergent permettant la mise en œuvre de réseaux maillés décentralisé et hors réseau, contrairement à LoRaWAN. La partie logicielle est souvent sous licence libre. Ces protocoles permettent la communication de messages textuels courts ou de petites quantités de données, soit en broadcast soit en pair-à-pair. Leur objectif principal est de permettre une communication longue portée à faible consommation sur la bande ISM. Ils fonctionnent à des niveaux de puissance ne nécessitant aucune licence d'émission.

Les terminaux de ces réseaux peuvent être des ordinateurs, des téléphones cellulaires ou d'autres cartes à microcontroleurs.

Meshtastic

Article détaillé : Meshtastic.

Meshtastic, créé en 2020, est un protocole de communication radio en architecture maillée. 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.

Meshcore

Article détaillé : en:Meshcore.

Apparu plus récemment, en 2024, le protocole Meshcore, et les ressources logicielles associées, est basé sur la technologie LoRa. Le protocole Meshcore distingue entre les terminaux et les répéteurs, et optimise le routage des trames de données. Il diminue ainsi le facteur de charge du réseau.

Alliance LoRa

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. 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.

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

Voir aussi

• 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

Bibliographie

• Olivier Bernard, André Seller. Wireless communication method, U.S. Patent No. 9,647,718. 9 September 2015.
• Lee, Chang-Jae, Ki-Seon Ryu et Beum-Joon Kim. Periodic ranging in a wireless access system for mobile station in sleep mode, U.S. Patent No. 7,194,288. 20 March 2007.
• Sakshama Ghoslya, « How to generate LoRa Symbols », sur All About LoRa and LoRaWAN, 17 avril 2019
• Quigley, Thomas J. et Ted Rabenko. Latency reduction in a communications system U.S. Patent No. 7,930,000. 19 April 2011.
• Bankov, D.; Khorov, E.; Lyakhov, A. "On the Limits of LoRaWAN Channel Access". 2016 International Conference on Engineering and Telecommunication (EnT): 10–14.
• Seneviratne, Pradeeka. Beginning LoRa Radio Networks with Arduino - Build Long Range, Low Power Wireless IoT Networks Apress, 2019, eBook (ISBN 978-1-4842-4357-2), Softcover (ISBN 978-1-4842-4356-5), Ed: 1

Liens externes

• Alliance LoRa
• Portail des développeurs LoRa
• Application LoRa de Semtech

• Portail des télécommunications