Pour commencer à parler de LoRaWan, nous devons savoir ce qu'est LPWAN :

Low-power wide-area network (LPWAN)) est un type de réseau étendu de télécommunications sans fil conçu pour permettre des communications à longue portée à faible débit entre autres (objets connectés), tels que des capteurs fonctionnant sur batterie. Le débit de données LPWAN varie de 0,3 kbit / s à 50 kbit / s par canal. Il est surtout utilisé dans l'IoT pour sa Longue portée: la portée opérationnelle de la technologie LPWAN varie de quelques kilomètres en zone urbaine à plus de 10 km en milieu rural. Faible puissance: optimisée pour la consommation d'énergie, émetteurs-récepteurs LPWAN Ils peuvent fonctionner sur de petites batteries peu coûteuses jusqu'à 20 ans. Y Faible coût: les protocoles simplifiés et légers de LPWAN réduisent la complexité de la conception matérielle et les coûts des appareils.

Il est important de différencier les deux technologies, car LoRa parle de la couche physique (couche 1 du modèle OSI), c'est-à-dire du type de modulation, de la bande passante, de la fréquence, etc. tandis que LoRaWAN établit la manière dont les communications seront effectuées (cela correspondrait aux couches 2 et 3 du modèle OSI).

LoRa est l'une des technologies LPWAN et présente de grands avantages pour les projets Internet of Things ou IoT (Internet of Things), avec des appareils alimentés par des batteries.

LoRa est une technologie sans fil tout comme le WiFi, Bluetooth, LTE, SigFox ou Zigbee. LoRa utilise un type de modulation de fréquence radio, comme AM ou FM ou PSK; mais breveté par Semtech, un important fabricant de puces radio.

Cette technologie de modulation est appelée Chirp Spread Spectrum, ou CSS, et est utilisée dans les communications spatiales et militaires depuis des décennies. Le grand avantage de ce système est qu'il peut établir des communications sur de longues distances (généralement des kilomètres) et est très robuste contre les interférences.

Les principaux avantages de LoRa sont les suivants:

• Haute tolérance aux interférences
• Haute sensibilité pour recevoir des données (-168dB)
• Basé sur une modulation «chirp»
• Faible consommation (jusqu'à 10 ans avec une batterie *)
• Longue portée de 10 à 20 km
• Faible transfert de données (jusqu'à 255 octets)
• Connexion point à point
• Fréquences de travail: 868 Mhz en Europe, 915 Mhz en Amérique et 433 Mhz en Asie

Tout cela en fait une technologie idéale pour les connexions sur de longues distances et pour les réseaux IoT où des capteurs qui ne sont pas alimentés par le réseau sont nécessaires. Pour cette raison, il a de grandes possibilités d'application pour les villes intelligentes, les endroits à faible couverture cellulaire tels que les applications agricoles ou d'élevage sur le terrain, ou pour construire des réseaux privés de capteurs et / ou d'actionneurs.

Lora utilise le spectre sans licence dans le cadre de la bande radio ISM (industrielle, scientifique et médicale).

Dans toute l'Europe, un plan de fréquences sans licence est utilisé autour de 868Mhz, alors qu'aux États-Unis, il est de 915Mhz et en Asie de 433Mhz.

L'utilisation d'une bande de fréquences radio sans licence permet à quiconque de configurer et d'utiliser facilement son propre réseau.

LoRaWAN est un protocole de réseau de couche liaison, qui utilise la technologie radio LoRa pour communiquer et gérer les appareils de l'Internet des objets qui utilisent LoRa. Certaines caractéristiques du protocole sont les suivantes:

• Il s'agit d'un protocole complètement bidirectionnel, qui permet la livraison fiable des messages (confirmations).
• Comprend un chiffrement de bout en bout pour la sécurité et la confidentialité des données.
• Permet l'enregistrement en direct (OTA) des nœuds d'extrémité et a une capacité de multidiffusion.
• La norme garantit l'interopérabilité des différents réseaux LoRaWAN dans le monde.

LoRaWAN est la pile de protocoles au-dessus de LoRa. Il s'agit d'un protocole MAC (Media Access Control Layer), qui agit comme un protocole de gestion de réseau pour LPWAN. Il est responsable du routage entre les passerelles et les nœuds d'extrémité. La version 1.0 de la spécification LoRaWAN a été introduite en juin 2015. La LoRa Alliance l'a maintenue avec quelques variantes, à l'exception des correctifs de sécurité.

LoRaWAN définit le protocole de communication et l'architecture du système pour le réseau, tandis que la couche physique LoRa permet la liaison de communication à longue portée. LoRaWAN est également responsable de la gestion des fréquences de communication, du débit de données et de la puissance de tous les appareils. Les appareils transmettent de manière asynchrone lorsqu'ils ont des données à envoyer. Les données transmises par un dispositif de nœud d'extrémité sont reçues par plusieurs passerelles, qui envoient les paquets de données à un serveur de réseau centralisé. Le serveur réseau filtre les paquets en double, effectue des contrôles de sécurité et gère le réseau. Les données sont transmises aux serveurs d'applications. La technologie est très fiable sous des charges modérées.

Dans un réseau LoRaWAN classique, les dispositifs terminaux, et auxquels sont connectés un ou plusieurs capteurs ou actionneurs, sont les soi-disant nœuds qui se connectent aux passerelles et ceux-ci envoient à leur tour toutes les informations qu'ils reçoivent à un serveur, qui en au moyen d'une interface d'application ou d'une API, elle transmet à son tour les données à une application finale pour l'utilisateur.

On peut donc distinguer les éléments suivants dans un réseau LoRaWAN:

• Noeuds finaux
• Passerelles
• Serveurs réseau
• Serveurs d'applications

Les nœuds d'extrémité sont des dispositifs matériels physiques qui contiennent des capacités de détection, une certaine puissance de calcul et un module radio pour traduire les données en un signal radio, en plus des capteurs ou actionneurs auxquels ils se connectent. Typiquement, les nœuds peuvent être construits à partir des modules et d'un certain type de microcontrôleur tels que Arduino ou d'autres avec une puissance de calcul supérieure à laquelle nous associons différents capteurs et / ou actionneurs.

Les nœuds envoient ou reçoivent des données vers ou depuis des passerelles LoRaWAN ou des passerelles, vers ou depuis Internet via une connexion de données Ethernet, 3G-4G ou similaire. Un nœud peut atteindre une autonomie de plusieurs années de vie avec une petite batterie s'il est programmé pour passer en mode veille profonde pour optimiser la consommation d'énergie et ne se réveille que lors de la transmission de données via LoRa. C'est l'un des plus grands avantages de cette technologie.

Lorsqu'un périphérique final envoie un message à la passerelle, il est appelé liaison montante «Uplink». Lorsque vous recevez un message de la passerelle, il est appelé «Downlink» ou liaison descendante.

Sur cette base, il existe trois façons différentes de différencier ou de classer les périphériques de nœud LoRa:

• Classe A
• Classe B
• Classe C

Les appareils de cette classe sont ceux qui consomment le moins d'énergie. Cependant, ils ne peuvent recevoir une liaison descendante qu'après l'envoi d'un message de liaison montante. Les appareils de classe A peuvent être utilisés de deux manières:

• envoyer des données à un intervalle de temps (par exemple, toutes les 15 minutes)
• ou envoyer des données avec des événements (par exemple lorsque la température dépasse 21º ou inférieure à 19º).

Les nœuds d'extrémité qui utilisent le type B autorisent plus d'espaces de message sur la liaison descendante que la classe A. Cela réduit la latence du message mais en même temps le rend moins économe en énergie.

Enfin, la classe C possède des fenêtres de réception continues qui ne se ferment que lorsque l'appareil envoie un message de liaison montante.

De ce fait, il est le moins économe en énergie et nécessite dans la plupart des cas une source d'alimentation constante pour fonctionner.

Les passerelles ou passerelles sont également appelées modems, points d'accès ou passerelles. Une passerelle est également un périphérique matériel qui collecte tous les messages LoRaWAN des nœuds finaux. Ces messages sont convertis en bits qui peuvent être envoyés sur les réseaux IP traditionnels. La passerelle est connectée au serveur réseau auquel elle transmet tous les messages.

Les passerelles sont transparentes et avec une puissance de calcul limitée, toute la complexité et l'intelligence s'exécutent sur le serveur de réseau

Tous les messages des passerelles sont envoyés au serveur réseau. C'est là que se déroulent les processus de traitement des données les plus compliqués.

Ils sont principalement responsable de:

• Routage / transfert des messages vers l'application appropriée.
• Sélectionnez la meilleure passerelle pour le message de liaison descendante, généralement basée sur une indication de qualité de liaison, calculée à partir de RSSI (indication de la force du signal reçu) et SNR (rapport signal / bruit) des colis reçus précédemment.
• Élimination des messages en double s'ils sont reçus par plusieurs passerelles.
• Déchiffrez les messages envoyés à partir des nœuds finaux et chiffrez les messages envoyés aux nœuds.

Les passerelles se connectent généralement au serveur réseau sur une liaison IP (Internet Protocol) chiffrée. Le réseau contient généralement une interface de surveillance et de mise en service de la passerelle, permettant au fournisseur de réseau de gérer les passerelles, de gérer les situations de défaillance, de surveiller les alarmes, etc.

Le réseau Things est un réseau mondial de données Internet des objets partagé, géré par les utilisateurs et ouvert. Plus de 40 000 personnes de plus de 90 pays à travers le monde construisent ce réseau mondial de données sur l'Internet des objets à l'aide de LoRaWAN.

Sur les serveurs d'applications, se trouvent les vraies applications IoT. Les serveurs d'applications sont des endroits où des processus utiles sont effectués avec des données collectées à partir des terminaux.

Les serveurs d'applications sont principalement exécutés dans un cloud privé ou public, qui interagit avec le serveur réseau LoRaWAN et effectue un traitement spécifique à l'application. L'interface avec le serveur d'applications est gérée par le serveur réseau. Dans un article ultérieur, nous verrons comment ils fonctionnent et comment utiliser les services de The Things Network.

Dans LoRaWAN, nous pouvons clairement distinguer deux parties du réseau: les passerelles et les nœuds, les premiers sont chargés de recevoir et d'envoyer des informations vers ou depuis les nœuds vers Internet et les seconds sont les derniers appareils qui envoient et reçoivent des informations des capteurs ou des actionneurs à la passerelle.

La structure de la couche réseau, similaire au modèle de réseau OSI, nous montre comment LoRaWAN est une couche qui correspond à une couche similaire à la couche de liaison et est placée au-dessus de la couche LoRa, qui est similaire à une couche physique.

Cette structure nous donne une grande flexibilité pour construire des réseaux de capteurs et / ou actionneurs pour l'IoT, avec les caractéristiques suivantes:

• Topologie en étoile
• Portée de 10 à 15 km en ligne de mire
• Cryptage AES 128
• Prise en charge de 3 classes de nœuds
• Gestion des appareils
• Réseaux publics et privés
• Faible consommation et longue portée
• Faible transfert de données (jusqu'à 242 octets)

Il existe de nombreuses applications où nous pouvons utiliser LoRa ou LoRaWAN:

• Connexions point à point (P2P) ou machine à machine.
• Réseaux de capteurs dans les villes, les campagnes ou l'industrie.
• Réseaux IoT où le transfert vocal ou vidéo n'est PAS requis.
• Suivi de véhicules, d'animaux ou de personnes.
• Réseaux privés qui ne nécessitent pas de connexion aux services cloud ou où il n'y a pas de couverture cellulaire