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Gros plan sur LoRaWAN et le réseau des objets

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Tenant la distance, l'architecture de réseau LoRaWAN et la prise en charge TTN.

Cet article commence par présenter ce qui permet à LoRaWAN de couvrir des distances nettement supérieures à celles des systèmes sans fil classiques, avant d'explorer l'architecture réseau, en étudiant certaines options matérielles et le soutien du réseau de données IoT financé par la production participative, le réseau des objets.

Vitesse de transmission et portée

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LoRa spectogram, © 2016 RevSpace CC BY-SA 3.0

Le secret de LoRaWAN (le facteur qui lui permet d'atteindre une telle portée au prix d'une puissance de l'émetteur particulièrement modeste) réside dans la modulation LoRa de Semtech. Dérivé du spectre étalé Chirp (CSS, Chirp Spread-Spectrum), cette technique exploite à merveille le fait que la diffusion d'un signal sur une plus large bande de fréquences du spectre permet de créer un système qui sera capable de fonctionner avec un rapport signal/bruit (SNR) médiocre.

Dans les systèmes à spectre étalé, cet étalement est généralement obtenu en multipliant le signal de données d'origine par un code ou une séquence d'éléments binaires d'étalement. Résultat : une vitesse nettement supérieure au signal de données, permettant d'étaler la largeur de bande du signal au-delà de la largeur d'origine.

LoRa permet de générer un signal Chirp dont la fréquence varie continuellement et sur lequel le signal de données est ensuite modulé après étalement/séquence d'éléments binaires. En fonction de la largeur de bande de modulation fixe (quantité du spectre radioélectrique occupée par le signal transmis), il est possible de varier la quantité de l'étalement, afin d'échanger le débit de données disponibles contre une portée plus étendue et une meilleure résilience aux interférences.

7 à 12 facteurs d'étalement (SF) sont utilisés. Chaque augmentation entraîne un gain supplémentaire de 2,5 dB du budget de liaison, les CI de modem Semtech étant dotés d'une impressionnante sensibilité de -134dBm pour un facteur d'étalement de 12. En outre, en raison de leur forme orthogonale et de leur interférence minimale au niveau du récepteur, la capacité totale du canal radio correspond à leur somme pour chaque facteur d'étalement.

La modulation doit également prévoir la correction d'erreur. Au-delà des remarquables capacités de faible consommation et de longue portée, d'autres propriétés clés sont sa relative simplicité, la résistance au multichemin/évanouissement et au décalage Doppler, et son utilisation possible avec des amplificateurs de puissance RF économiques à haut rendement.

Pour une description plus détaillée, voir l'excellent article Note d'application sur les principes de base de la modulation LoRa.

Mise en réseau étendu à faible consommation

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LoRaWAN Classes, © 2015 LoRa™ Alliance.

LoRaWAN s'appuie sur la modulation LoRa pour permettre la création de réseaux LPWAN (réseaux étendus à faible puissance) qui peuvent être établis par l'utilisation d'un spectre exonéré de licence. En d'autres termes, vous n'avez pas besoin d'attendre que les opérateurs réseau s'occupent de vous ; grâce à l'exceptionnelle performance de LoRa, il y a beaucoup à attendre des faibles niveaux de puissance généralement associés à un spectre de ce type (et également très souhaitable avec des nœuds alimentés par batterie) !

Aloha, feu à éclats et permanence

Dans LoRaWAN, une passerelle est l'équipement assurant le pontage entre les domaines filaires et sans fil (qui pourrait autrement être connue comme station de base ou point d'accès). On compte trois classes de circuit de nœud de jonction d'extrémité :

  • Classe A. Dans ce mode le plus élémentaire, la transmission en liaison montante repose sur le besoin et une base temps aléatoire (protocole de type ALOHA). Deux fenêtres de réception courte s'ouvrent à l'issue de la liaison montante.
  • Classe B. La passerelle fournit un signal régulier avec feu à éclats sur lequel les circuits peuvent se synchroniser afin de planifier avec précision d'autres fenêtres de réception.
  • Classe C. Ces circuits reçoivent en permanence les signaux et ne cessent d'écouter que pendant la transmission.

Au premier abord, le comportement décrit ci-dessus peut sembler étrange, mais il est en fait parfaitement logique quand on sait que LoRaWAN est optimisé pour une consommation réduite. La pire chose à faire est donc de garder constamment sous tension le récepteur installé dans un nœud de capteur distant alimenté par batterie. En outre, la liaison montante représente une exigence beaucoup plus fréquente que la liaison descendante pour la plupart des applications IoT.

Un nœud de classe A peut donc envoyer des données plus ou moins à volonté, mais le réseau ne peut lui envoyer des données qu'après la liaison montante. Si les deux fenêtres de réception courte sont insuffisantes, le réseau peut définir un bit de « trame en attente », demandant que le nœud ouvre une autre fenêtre par l'envoi d'une autre liaison montante.

Si vous avez besoin d'une plus grande capacité ou d'une capacité plus prévisible sur la liaison descendante, optez pour la classe B. Enfin, la classe C est adaptée aux applications lourdes de liaison descendante, pour lesquelles le nœud est alimenté par le secteur.

Ses autres caractéristiques importantes sont les suivantes :

  • Messages de données confirmés (en option) dont le destinataire accuse réception.
  • Vitesse de transmission adaptative (ADR). Dans ce cas, le réseau peut manipuler le facteur d'étalement propre à un nœud, afin d'optimiser l'utilisation du réseau et d'atteindre les vitesses de transmission les plus élevées possible.
  • Fonctionnement mobile via les nœuds exécutant périodiquement une liaison montante vide, afin d'actualiser l'itinéraire de la liaison descendante.

Codage, ABP et OTAA

Le codage est effectué au niveau des couches réseau et application ; une clé de session réseau valide est nécessaire pour participer à un réseau, et la charge utile est décodée à l'aide d'une clé de session d'application. Les clés AES-128 sont utilisées à cette fin, ainsi que pour garantir la confidentialité et la vérification de l'intégrité des messages.

Le mode d'activation ABP permet de configurer manuellement une adresse de circuit 32 bits (7 bits pour l'identificateur de réseau plus 25 bits pour l'adresse de réseau), de même que les clés de session de réseau et d'application.

Le mode d'activation OTAA (Over-the-Activation) est un peu plus complexe. Le nœud est configuré à partir d'un identifiant de circuit, d'un identifiant d'application et d'une clé d'application (une nouvelle fois, AES-128). Il peut ainsi exécuter une procédure de jonction, à l'issue de laquelle il reçoit une adresse et des clés de session.

Idéal pour le prototypage, le mode ABP est adapté aux réseaux plus petits. Par comparaison, le mode OTAA offre une plus grande flexibilité (pour l'adressage notamment), et devrait fournir une sécurité renforcée et une plus grande évolutivité.

Passerelles

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Détail de la carte de concentrateur IMST ic880A SPI LoRaWAN

Plusieurs passerelles LoRaWAN prêtes à l'emploi sont proposées, dont certaines au moins semblent reposer sur la même conception de référence/cœur, à savoir deux transceivers Semtech SX1257 plus un processeur de bande de base SX1301. Cette combinaison permet de recevoir en même temps jusqu'à 8 paquets envoyés sur des canaux différents avec des facteurs d'étalement différents.

De même, il semblerait que le logiciel/micrologiciel de certaines de ces passerelles repose fort logiquement sur les mises en œuvre de référence de Semtech. Les fournisseurs de passerelle chercheront bien sûr à différencier leurs produits en offrant des solutions clés en main, proposant des capacités matérielles variables et intégrant d'autres fonctions souhaitables pour une évolutivité et une gestion efficaces des réseaux.

Quoique disponible en option, la fourniture de données GPS est une caractéristique du matériel essentielle, permettant à une passerelle de signaler avec une plus grande précision sa position dans le réseau et d'offrir aux nœuds de distribution une temporisation haute résolution. En outre, lorsque cette précision du positionnement et de la temporisation est disponible sur plusieurs passerelles, il devient possible de faire appel à la technique TDOA (« Time Difference Of Arrival ») pour déterminer la position d'un nœud en fonction de la différence de temps dans un message en liaison montante reçu sur plusieurs passerelles.

Il convient également de noter que les clients qui disposent d'un budget limité et/ou qui souhaitent en apprendre davantage sur le fonctionnement interne de ces systèmes peuvent assez facilement construire leur propre passerelle à l'aide d'une plate-forme Raspberry Pi sécurisée.

Options de nœud

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Les solutions radio pour les nœuds sont réparties en deux catégories :

  • Les solutions qui intègrent un processeur plus une pile LoRaWAN et fournissent l'interface correspondante.
  • Les solutions radio uniquement, qui nécessitent l'exécution d'une pile sur un processeur connecté.

Les premières solutions sont beaucoup plus simples et certains modules sont même dotés de la certification LoRaWAN. Les dernières solutions permettent d'exécuter l'application et la pile de mise en réseau sur le même circuit, avec à la clé une réduction des coûts et certains avantages supplémentaires associés à une intégration plus étroite, comme une économie d'énergie plus importante ou le contrôle plus intelligent de la couche MAC.

Parmi les modules clés en main les plus populaires figurent le Microchip RN2483, certifié LoRaWAN. Doté d'une interface via connexion UART avec niveaux logiques 3V3, il est contrôlé à l'aide d'un jeu de commandes ASCII facile à utiliser.

Les adeptes de la solution radio uniquement peuvent opter pour la pile de référence LoRaWAN de Semtech, et la pile « LoRa WAN in C » d'IBM, qui a été notamment portée vers mbed.

Prise en charge TTN

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Au moment de la rédaction de ce document, l'architecture du réseau des objets (TTN) est essentiellement considérée comme un prototype et elle ne prend en charge que les opérations de classe A, sans confirmation des messages ni prise en charge de l'ADR (autrement dit, facteur d'étalement/vitesses de transmission fixes), la configuration du nœud étant effectuée via le mode ABP. Un plan des canaux a été établi pour la bande 868 MHz, incluant un schéma pour les doubles passerelles SX1257.

Se joindre à une passerelle sur le réseau des objets (TTN) est une opération d'une incroyable simplicité : une fois que vous disposez du matériel, il vous suffit de quelques paramètres pour configurer un module de transmission de paquet, tels que la longitude et la latitude s'il n'est pas doté de la fonction GPS, ainsi que des détails de mise en réseau pour le serveur TTN. Les passerelles possèdent un identifiant unique, qui peut contenir le numéro de série du matériel, ou dans le cas d'une solution « maison » basée sur Raspberry Pi, créé en utilisant un préfixe plus l'adresse MAC de l'adaptateur Ethernet.

Pour faire partie du TTN, la passerelle doit utiliser une clé de session de réseau connue courante. Si la même clé AES-128 est également utilisée comme clé de session d'application, cela signifie que le serveur TTN peut également décoder la charge utile et fournira cette information en plaintext via l'API RESTful ou MQTT. Cependant, une clé de session d'application privée pourrait aussi être utilisée pour les données de charge utile sensibles.

Dans un article précédent portant sur la configuration du réseau des objets pour la communauté de Calderdale, j'ai brièvement présenté l'architecture TTN actuelle, qui est assez simple. Dans une mise à jour technique datée du 29 février, TTN a donné un aperçu de la nouvelle architecture, introduisant de nouveaux éléments du réseau et proposant la fin mai comme date de mise en production, avec déclassement de l'ancienne plate-forme avant la fin août.

TTN s'est engagé pour les normes ouvertes et l'open source, en se fixant comme objectif la compatibilité totale avec LoRaWAN v1.0 et le développement de tous les logiciels en open source via GitHub. En outre, l'objectif final est le développement d'un système distribué, totalement indépendant des services d'hébergement TTN.

Une période excitante

LoRaWAN semble fournir une combinaison presque parfaite associant faible coût, faible consommation, portée, résilience, simplicité et opportunité. Simple non seulement en raison du matériel nécessaire, mais aussi par le fait qu'elle atteint la portée fixée à partir d'une topologie en étoile de base, elle s'affranchit complètement de la complexité, voire de la nature parfois problématique des réseaux maillés. Offrant d'innombrables possibilités, dans la mesure où tout utilisateur peut bénéficier d'une expérience pratique sur LoRaWAN, elle crée des réseaux étendus à faible consommation sans passer par un opérateur.

Permettant désormais aux nœuds sans fil à alimentation par batterie de couvrir une distance de 15 km sans obstacles, LoRaWAN s'impose comme une technologie de référence et un acteur clé de l'IoT. Il a suscité une formidable adhésion l'année dernière. Si l'on en croit l'intérêt démontré dans le réseau des objets (une seule initiative), ce mouvement ne peut que prendre de l'ampleur.

Andrew Back

Open source (hardware and software!) advocate, Treasurer and Director of the Free and Open Source Silicon Foundation, organiser of Wuthering Bytes technology festival and founder of the Open Source Hardware User Group.

7 Apr 2016, 11:17

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