LoRa

Qu’est-ce que la technologie LoRa ?

La technologie LoRa est largement répandue dans le monde de l’internet des objets (IoT). Elle permet notamment la transmission de données de faible volume par des capteurs fixes. Le principe des réseaux LoRa est de transmettre des données par liaison hertzienne depuis des capteurs à faible puissance d’émission, potentiellement isolés ou difficile d’accès, fonctionnant sur batterie pour 5 à 10 ans.

Fonctionnellement, les capteurs mesurent et stockent leurs données avant de les transmettre sur le réseau LoRa. Ils envoient leurs trames à une (ou plusieurs) gateway(s) (ou concentrateur(s)) qui fait office de relais entre un grand nombre de capteurs dans son rayon de couverture et les serveurs de stockage et de traitement de données ad hoc. Gateways et serveurs sont interconnectés sur réseau cellulaire, en fibre optique, ou en liaison cuivre selon les cas de figure.

En LoRa les liaisons bidirectionnelles sont possibles, c’est-à-dire capteurs à SI et SI à capteurs. Cette fonctionnalité peut avoir son importance s’il y a des mises à jour du firmware[1] à effectuer par exemple. Même si le débit dépend aussi du protocole implémenté sur la modulation LoRa, retenons qu’il ne dépasse pas 150kbit/s dans le sens montant (capteurs à SI), et dans le sens descendant (SI à capteurs) il est de l’ordre de 50kbit/s. Bien qu’il soit bidirectionnel, le protocole est plutôt optimisé pour la remontée de données.

Contrairement au Sigfox, le nombre de messages par capteurs (aussi bien montants que descendants) est illimité sur les réseaux LoRa. La voix ne peut être transmise sur les réseaux LoRa, et le protocole n’assure pas non plus la gestion du handover, c’est-à-dire la gestion de capteurs mobiles.

En termes de couverture, une gateway peut recevoir les capteurs dans un rayon de 5km en zone urbaine, et dans un rayon de 15km en zone rurale. Les objets enterrés peuvent être reçus dans une certaine mesure, retenons que la couverture indoor est bonne, mais celle des réseaux Wize (169 MHz) et NB-IoT est meilleure.

Quelle est différence entre LoRa et LoRaWAN ?

Les notions de LoRa et LoRaWAN sont parfois confondues, alors qu’il s’agit d’éléments incomparables sur le plan technique. En effet, comme dit précédemment, LoRa est une technologie de modulation de signal qui permet la transmission de données en respectant un protocole, LoRaWAN par exemple. Ce protocole est le principal protocole LoRa existant, qui a été établi par la LoRa Alliance avec pour ambition de standardiser un protocole d'échange de données avec les objets connectés. Sur la modulation LoRa, différents protocoles peuvent être implémentés. Par exemple, Link Labs a développé le protocole Symphony Labs, spécialement dédié aux Amériques.

Typiquement, Link Labs a développé le protocole Symphony Labs, spécialement dédié aux Amériques d’ailleurs. Les capteurs doivent être capable de moduler en LoRa au moment de l’émission (et de démoduler en réception), et ils appliquent le protocole LoRaWAN qui fixe les règles de communication sur le réseau (en matière de format de trames, de temps d’émission, d’encodage, etc.). La seule société fabricante de chipset LoRa à l’heure actuelle est la société Semtech, qui a acquis en 2013 la start-up grenobloise Cycléo, qui avait développé le standard LoRa en 2009. Le protocole LoRaWAN régit la communication depuis le capteur jusqu’au serveur d’application, et la transmission LoRa se limite au périmètre de communication radio bas débit (jusqu’à la gateway).

Cas d’usage à titre illustratif

Grâce à la technologie LoRa, une société en charge de la gestion des déchets d’une ville peut connaître le niveau de remplissage des bennes pour optimiser les tournées de ses camions : une benne pleine sera privilégiée à une benne qui n'est pas encore pleine.

Comment ça marche ? Dans chaque benne a été installée un capteur de remplissage fonctionnant par ultrason. Sur batterie, ce capteur a une partie émettrice qui envoie toutes les N minutes la valeur du niveau de remplissage relevée par le capteur ultrasonique à cet instant. L’information respectant les règles du protocole LoRaWAN est envoyée en LoRa et une gateway la reçoit. Techniquement, la gateway renvoie un accusé de réception de la trame, sans quoi le capteur aurait renvoyé l’information après un temps donné. Cette même gateway collecte les données de X capteurs répartis sur son périmètre de couverture, et les retransmet au système d’information (SI) cible en 4G (par exemple).

En respectant le protocole LoRaWAN, la gateway émet sur le réseau 4G les données collectées, qui sont reçues et décodées par l’interface réseau du SI cible. Le serveur les stocke selon les règles ad hoc et les met à disposition des applications métiers qui réalisent le traitement pour lequel elles ont été implémentées. L’application affiche sur une carte le taux de remplissage des bennes supervisées afin que le responsable de gestion des déchets de la ville puisse modifier le cadencement ou le parcours des tournées de maintenance en fonction de ces indicateurs.

Qu’est-ce que la LoRa Alliance ?

Créée en 2015, la LoRa Alliance se compose de plus de 500 membres, institutionnels, industriels et opérateurs de réseaux, et ne cesse de s’élargir. Les membres fondateurs de la LoRa Alliance sont IBM, MicroChip, Cisco, Semtech, Bouygues Telecom, Singtel, KPN, Swisscom, Fastnet et Belgacom. Le profil des industriels membres de l’Alliance va de celui de fabricant de composant électronique à celui d’intégrateur de solutions et d’opérateur télécom. Début 2019, la LoRa Alliance comptait 100 opérateurs de réseaux LoRaWAN parmi ses membres.

La norme LoRaWAN tire avantage d’une approche de protocole ouvert menée par la LoRa Alliance qui fédère la spécification, le développement et le déploiement de la norme, élabore les guides de certification et assure l’interopérabilité entre les fournisseurs d’infrastructures radio, les vendeurs de cœurs de réseaux et les concepteurs et fabricants de dispositifs terminaux. L’Alliance est l’autorité de certification de produits LoRaWAN. La certification LoRaWAN garantit l’interopérabilité entre les produits (capteurs, gateway) et leur conformité de fonctionnement avec la norme, et elle offre une visibilité marketing accrue.

Le succès de LoRaWAN repose essentiellement sur la modulation LoRa qui permet une démodulation correcte dans des conditions de rapport signal/bruit très mauvaises.

Si le protocole LoRaWAN est ouvert, il est vrai que Semtech est le principal fabricant de cartes électroniques LoRa à l’heure actuelle. En 2013, Semtech avait racheté Cycléo, la start-up française qui avait posé un brevet sur cette technologie. Il semble cependant que Microchip et Murata produisent des puces LoRa, et que ST Microelectronics et Renesas aient placé cette modulation prometteuse dans leur roadmap.

Quelles sont les classes de produits LoRaWAN ?

Le protocole LoRaWAN catégorise les équipements de réseau en trois types :

• Classe A : Cette classe a la consommation énergétique la plus faible. Lorsque l'équipement a des données à envoyer il le fait sans contrôle puis il ouvre 2 fenêtres d'écoute successives pour des éventuels messages provenant du serveur, les durées recommandées sont de 1 puis 2 secondes. Ces 2 fenêtres sont les seules durant lesquelles le serveur peut envoyer à l'équipement les données qu'il a précédemment stockées à son attention.
• Classe B : Cette classe permet un compromis entre la consommation énergétique et le besoin en communication bidirectionnelle. Ces équipements ouvrent des fenêtres de réception à des intervalles programmés par des messages périodique envoyés par le serveur.
• Classe C : Cette classe a la plus forte consommation énergétique mais permet des communications bidirectionnelles n'étant pas programmées. Les équipements ont une fenêtre d'écoute permanente.

Comment s'effectue la gestion et la scalabilité du réseau LoRaWAN ?

En LoRaWAN, c’est dans le serveur de réseau (network server) qu’est centralisée l’intelligence de gestion du réseau, c’est-à-dire le filtrage des paquets redondants, les tests de sécurité, l’optimisation des envois d’acquittements vers la meilleure gateway, la gestion des temps de communication, etc. Bien que le protocole LoRaWAN ne permet pas le handover, le suivi d’un capteur mobile peut néanmoins être assuré grâce au network server. C’est aussi grâce à cet élément de réseau que des objets LoRa peuvent être géolocalisés par triangulation, et grâce à la remontée de l’information de qualité de réception des trames.

Une même gateway peut concentrer les communications avec très grand nombre de capteurs. Par conséquent, la scalabilité est une propriété caractéristique des réseaux LoRaWAN. Elle est assurée par la présence de transmetteurs multi-modems multi-ports sur les gateways, et par adaptation du débit (« adaptative data rate »). Jouer sur le data rate revient à travailler sur le facteur d’étalement de spectre, permettant de recevoir simultanément sur un même port des signaux (orthogonaux) de différents capteurs. Selon la proximité d’un capteur avec la gateway, le data rate pourra être augmenté pour réduire le temps de transmission/réception, et donc la consommation d’énergie associée. Cette démarche a pour ambition d’optimiser les communications avec les capteurs plus difficiles à atteindre (plus éloignés, ou enterrés typiquement) en augmentant le facteur d’étalement de spectre, ce qui revient à diminuer le débit de données. En outre, cette fonctionnalité permet aussi d’optimiser la gestion des batteries des capteurs.

La méthode d’activation des devices LoRa (via le network server) est importante. Elle dépend des capacités, aussi bien de l’équipement en question que du réseau. L’activation OTAA (« Over The Air Activation ») est meilleure car plus simple et plus sûre. En effet, en termes de sécurité, les clés sont échangées lorsque le device se connecte pour la première fois au réseau et qu’il y envoie sa demande d’accès. Dans le mode ABP (« Activation by Personnalisation »), il faut prédéfinir les clés et les encoder sur le device au préalable, i.e. en usine, ainsi que sur le network server.

Quelles sont les mesures de sécurité du protocole LoRaWAN ?

La sécurité des réseaux IoT est une préoccupation majeure des parties prenantes, que la norme LoRaWAN a nativement pris en compte dans ses spécifications. D’une part, l’encryptage AES est utilisé, qui repose sur un principe d’échange de clés d’authentification entre les éléments de réseau. D’autre part, la gestion de la sécurité est double, comprenant une couche de sécurité de réseau et une couche de sécurité d’applications. La couche de sécurité réseau assure l’authenticité des capteurs au sein du réseau, c’est-à-dire qu’elle garantit la bonne provenance des données transmises. La sécurité de la couche applicative garantit que l’opérateur de réseau n’a pas accès aux données de l’utilisateur final.

[1] Les capteurs doivent être capables de moduler en LoRa au moment de l'émission (et de démoduler en réception), et ils appliquent le protocole LoRaWAN typiquement qui fixe les règles de communication sur le réseau (en matière de format de trames, de temps d'émission, d’encodage, etc.).