Introduction
La technologie LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) a révolutionné le paysage de l'Internet des objets (IoT), en offrant un moyen de connecter des appareils sur de longues distances sans nécessiter une consommation d'énergie importante. Cette innovation révolutionnaire a propulsé des avancées dans divers secteurs tels que les villes intelligentes, l'agriculture, la gestion de la chaîne d'approvisionnement et la surveillance de l'environnement.
Comprendre comment les facteurs influencent la portée de LoRaWAN est essentiel pour la planification, l’expansion et l’optimisation des performances du réseau, ce qui en fait un sujet d’intérêt technique et commercial considérable.
La capacité à maximiser la portée des réseaux LoRaWAN permet le déploiement de réseaux de capteurs sans fil sur de vastes étendues géographiques, un exploit qui était autrefois prohibitif sur le plan financier et logistique. Cependant, atteindre cette couverture étendue n'est pas sans poser de défis. La portée d'un réseau LoRaWAN est soumise à de multiples influences qui découlent des spécifications techniques, des conditions environnementales, des limites réglementaires et des caractéristiques inhérentes à la propagation des fréquences radio.
Cet article a pour objectif d'examiner en profondeur la multitude de facteurs qui affectent la portée des réseaux LoRaWAN. Il explorera les fondements techniques du protocole, l'interaction de différents paramètres environnementaux, l'importance de la topologie du réseau et les contraintes imposées par le respect des cadres réglementaires. Grâce à cet examen approfondi, nous fournirons aux lecteurs une compréhension complète des déterminants de la portée de LoRaWAN, renforcée par des études de cas et des applications concrètes.
Comprendre LoRaWAN
Avant de s’intéresser aux différents facteurs qui influencent la portée d’un réseau LoRaWAN, il est essentiel de comprendre les caractéristiques fondamentales de cette technologie et les principes qui sous-tendent son fonctionnement. LoRaWAN se situe à l’intersection de deux composants clés : LoRa, la couche physique ou la technique de modulation qui encode les données en ondes radio, et LoRaWAN, le protocole réseau qui définit l’architecture du système et les protocoles de communication.
- LoRa : la couche physique
LoRa est un dérivé de « Long Range » et est une technique de modulation à spectre étalé qui utilise la technologie Chirp Spread Spectrum (CSS). Cette méthode est connue pour maintenir la communication sur de grandes distances, atteignant des portées pouvant s'étendre sur plusieurs kilomètres dans les zones rurales ouvertes. L'un des principaux avantages de la modulation LoRa est sa résilience aux interférences de signal et ses faibles besoins en énergie, ce qui permet aux appareils fonctionnant sur batterie de fonctionner pendant des années sans avoir à les recharger. - LoRaWAN : le protocole réseau
LoRaWAN définit le protocole de communication et l'architecture système du réseau tout en utilisant la couche physique LoRa. Il s'agit d'un protocole de couche de contrôle d'accès au support (MAC) qui maintient l'intégrité et la sécurité du réseau. LoRaWAN permet une communication bidirectionnelle, une fonctionnalité cruciale pour les appareils IoT qui doivent envoyer des données (telles que des relevés de capteurs) et recevoir des commandes (comme des messages de contrôle d'actionneur).
Comment fonctionne LoRaWAN
- LoRaWAN permet aux appareils de communiquer avec des applications connectées à Internet via des connexions sans fil longue portée. L'architecture réseau est généralement conçue selon une topologie en étoile, où les appareils finaux utilisent une communication sans fil à saut unique vers une ou plusieurs passerelles LoRaWAN, toutes connectées à un serveur réseau central.
- La technologie fonctionne dans la bande ISM (industrielle, scientifique et médicale) sans licence, qui varie selon les régions (par exemple, 868 MHz en Europe, 915 MHz en Amérique du Nord). Les réseaux LoRaWAN peuvent gérer des millions de messages par jour, ce qui les rend évolutifs et polyvalents pour diverses applications.
Critères de description d'un réseau en technologie radio
Il existe essentiellement trois caractéristiques qui peuvent être utilisées pour décrire un réseau en technologie radio :
- Gamme
- Vitesse de transfert des données
- Consommation d'énergie
Il est difficile d'accorder la même importance à ces trois critères, car les lois de la physique ont des limites claires. Par exemple, LoRaWAN peut transmettre des données sur de longues distances avec relativement peu d'énergie, mais à des débits de données très faibles.
Le Wi-Fi et le Bluetooth permettent d'atteindre des débits de données élevés, mais la consommation d'énergie est relativement élevée et la portée est faible. Tous les utilisateurs de smartphones connaissent bien cette soif d'énergie. Les stations de base des grands opérateurs de télécommunications offrent des débits de données élevés et des distances relativement longues, mais doivent pour cela fournir beaucoup d'énergie. L'alimentation électrique est donc un facteur essentiel dans de telles installations.
Équilibrage de la transmission de puissance
Le bilan de puissance de transmission indique la qualité du canal de transmission radio. Il peut être calculé en additionnant la puissance de transmission, la sensibilité du récepteur, le gain d'antenne et la perte de trajet en espace libre (FSPL).
LoRaWAN calcule le bilan de transmission de puissance.
La perte de trajet représente l'énergie perdue dans l'espace libre sur une distance entre l'émetteur et le récepteur. Plus le TX est éloigné du Rx, plus l'énergie est faible.
La perte de trajet est généralement exprimée comme
Où signifie:
FSPL = Perte de trajet en espace libre ;
d = distance entre TX et Rx en mètres ;
f = fréquence en Hertz
Il existe également une formule logarithmique largement utilisée pour l’atténuation en espace libre :
Le doublement de la distance (d) signifie une perte de 6 dB.
À l'extrémité réceptrice (Rx), la sensibilité de l'extrémité réceptrice est le facteur qui affecte l'équilibre de la transmission de puissance. La sensibilité Rx décrit la puissance reçue minimale possible et la tolérance au bruit thermique :
Où signifie :
BW = bande passante en Hz ;
NF = facteur de bruit en dB ;
SNR = rapport signal sur bruit.
Il indique à quelle distance le signal doit se trouver par rapport au bruit.
Le récepteur du dispositif LoRa est plus sensible et donc meilleur que le WLAN. Le cas extrême de perte de trajet sans tenir compte du gain d'antenne et d'autres types d'atténuation en espace libre :
Un exemple de calcul d’un bilan de transmission de puissance LoRaWAN :
Puissance d'émission = 14 dBm ;
BW = 125KHz = 10log10 (125000) = 51;
NF = 6 dB (les passerelles dans les réseaux LoRaWAN ont des valeurs NF inférieures) ;
SNR = -20 (pour SF = 12).
La saisie de ces chiffres dans la formule ③ donne une sensibilité Rx de -137 dBm
Sensibilité Rx = – 174 + 51 + 6 – 20 = -137 dBm
Le bilan de transmission de puissance peut alors être calculé comme suit à l'aide de la formule :
Bilan de transmission de puissance = -137 dB – 14 dB = -151 dB
Avec les valeurs spécifiées, le bilan de transmission de la portée LoRaWAN est de 151 dB, ce qui permet de couvrir des distances allant jusqu'à 800 km dans des conditions optimales (atténuation pure en espace libre). La portée LoRaWAN est de 702 km au record du monde.
À Lansitec le record est de 20km:
- La passerelle est installée au sommet d'un bâtiment de 30 m
- Le tracker est sur un bateau en mer
- Puissance d'émission = 20 dBm
Facteurs techniques affectant la portée de LoRaWAN
La portée d'un réseau LoRaWAN n'est pas simplement déterminée par un seul élément, mais résulte de l'accumulation de divers composants techniques. Ces derniers englobent des aspects tels que la puissance de transmission, la sensibilité du récepteur et les caractéristiques de l'antenne, qui déterminent ensemble la capacité fondamentale d'un réseau LoRaWAN à transmettre des données sur de longues distances.
La puissance d'émission est essentielle pour déterminer la distance que les ondes radio peuvent parcourir. Une puissance plus élevée peut être synonyme de portées plus longues. Cependant, cela s'accompagne d'une consommation d'énergie plus importante, ce qui affecte la durée de vie de la batterie de l'appareil. De plus, les limites réglementaires limitent souvent la puissance d'émission maximale autorisée pour éviter les interférences avec d'autres technologies sans fil.
- Restrictions réglementaires:Les différents pays et régions ont des réglementations spécifiques régissant la puissance de transmission. Par exemple, en Europe, selon la réglementation ETSI, la puissance de transmission maximale des appareils LoRaWAN est généralement limitée à 14 dBm dans la bande ISM 868 MHz.
- Amplification de puissance:Certains appareils LoRaWAN peuvent inclure des amplificateurs de puissance pour augmenter leur puissance de transmission, mais ceux-ci sont limités par des limites légales et le compromis avec la durée de vie de la batterie.
Un récepteur plus sensible augmente la portée LoRaWAN car il peut capter des signaux plus faibles qui seraient autrement perdus en raison de la perte de trajet et de facteurs environnementaux.
- Qualité et conception des récepteurs:Les récepteurs de haute qualité avec de meilleurs facteurs de bruit améliorent la sensibilité du système. Cela est essentiel dans les scénarios où les signaux doivent être détectés à des distances considérables ou dans des conditions difficiles.
- Impact sur la conception du réseau:La mise en œuvre de récepteurs à haute sensibilité pourrait potentiellement réduire le nombre de passerelles nécessaires dans un déploiement LoRaWAN puisque chaque passerelle peut détecter et traiter les signaux provenant d’appareils plus éloignés.
Type et emplacement de l'antenne
L'antenne est un élément crucial de la configuration matérielle LoRaWAN. Sa conception, son emplacement et l'environnement qui l'entoure peuvent avoir un impact significatif sur la portée du réseau.
- Gain d'antenne:Le gain d'une antenne reflète sa directivité et son efficacité. Une antenne à gain élevé concentrera l'énergie plus efficacement dans une direction particulière, augmentant ainsi éventuellement la portée. Cependant, les antennes à gain élevé peuvent également avoir des largeurs de faisceau plus étroites, ce qui peut constituer un inconvénient dans certains scénarios de déploiement.
- Type d'antenne:Les antennes omnidirectionnelles diffusent la puissance uniformément dans toutes les directions horizontales, tandis que les antennes directionnelles concentrent la puissance dans une direction spécifique. Le choix entre ces types dépend de l'application particulière et de la zone à couvrir.
- Placement et environnement:L'emplacement de l'antenne peut être aussi important que sa conception. Les antennes doivent être montées à l'écart de tout obstacle et avec une bonne visibilité sur la zone de couverture. Les bâtiments, le feuillage et le terrain peuvent tous avoir un impact sur la propagation du signal, affectant ainsi la portée.
Facteur d'atténuation de l'espace libre
En doublant la distance, l'atténuation en espace libre LoRa augmente de 6 dB, de sorte que l'atténuation de la propagation radio suit une fonction logarithmique (voir formule ci-dessous).
- FSPL= Perte de trajet en espace libre ;
d = distance entre TX et Rx en mètres ; f = fréquence en Hertz
[FSPL (dB) = 20log10 (d) + 20log10 (f) -147,55].
Outre la perte d’énergie causée par la portée LoRaWAN, la réflexion et la réfraction des ondes radio sur les objets peuvent également provoquer un chevauchement des ondes radio.
Facteurs environnementaux ayant un impact sur la portée de LoRaWAN
L'environnement dans lequel fonctionne un réseau LoRaWAN joue un rôle important dans sa portée effective. Des facteurs tels que le terrain, les structures artificielles et les conditions météorologiques peuvent affecter la propagation du signal, ce qui présente des défis qu'il faut surmonter pour maintenir de bonnes performances du réseau.
- Terrain——Facteur de zone de Fresnel.
- La géographie physique du paysage peut déterminer de manière significative la propagation des ondes radio. Les signaux LoRaWAN peuvent voyager plus loin dans des zones ouvertes et plates que dans des régions vallonnées ou montagneuses où la ligne de visée peut être fréquemment obstruée.
- La zone de Fresnel est un concept de communication sans fil qui fait référence à une région elliptique située en dehors de la ligne de visée directe entre deux appareils de communication. Cette zone est importante dans la communication sans fil, car les obstacles dans cette zone peuvent provoquer une diffusion du signal et des effets de trajets multiples, qui peuvent affecter la qualité de la communication. Par conséquent, lors de la planification et de l'installation de systèmes de communication sans fil, l'impact de la zone de Fresnel sur la transmission du signal doit être pris en compte et il est important de garantir un espace libre suffisant le long du chemin de communication.
- Il est essentiel d'établir une ligne de visée aussi droite que possible entre l'émetteur et le récepteur si l'on veut couvrir efficacement de longues distances et obtenir un bon équilibre de transmission de puissance. Certaines zones de l'espace entre les lignes de visée de la transmission radio sont des régions de Fresnel. La propagation des ondes sera affectée négativement s'il y a des objets dans ces zones, malgré le contact visuel habituel entre les antennes émettrices et réceptrices. Pour chaque objet dans la ceinture de Fresnel, le niveau du signal diminue et la portée LoRaWAN se réduit (voir Figure 3 Facteur de zone de Fresnel affectant la gamme LoraWAN). Il est donc généralement préférable d'installer un bâtiment LoRaWAN au sommet d'un bâtiment. Plus il est haut, mieux c'est.
Une antenne omnidirectionnelle est une technologie couramment utilisée dans les réseaux de la gamme LoRaWAN. Ainsi, l'énergie rayonnée se diffuse dans le plan horizontal et les nœuds et passerelles du réseau s'y trouvent. En Europe, la puissance de transmission de la bande ISM est limitée à 14 dBm à 868 MHz. Le gain d'antenne maximal est de 2,15 dBi.
Structures artificielles — Facteur d'amortissement structurel et environnements urbains
- En milieu urbain, les bâtiments peuvent à la fois obstruer et réfléchir les signaux radio, ce qui entraîne une atténuation (perte de signal) et une propagation multitrajet, où les signaux empruntent plusieurs chemins pour atteindre le récepteur, provoquant potentiellement des interférences et réduisant la qualité du signal reçu.
Coefficient d'atténuation structurelle L'atténuation structurelle, c'est-à-dire l'atténuation des signaux radio lorsqu'ils traversent différents obstacles, affecte la réception des signaux transmis et garantit que la portée du signal est considérablement réduite. Par exemple, l'atténuation du verre n'est que de 2 dB. Cela affecte bien moins qu'un mur en béton de 30 centimètres d'épaisseur. Le tableau ci-dessous présente les différents matériaux et leur atténuation typique
Atténuation matérielle |
dB |
|---|---|
|
Verre (6 mm) |
0.8 |
Conditions météorologiques et atmosphériques
- Les conditions météorologiques telles que la pluie, le brouillard et l'humidité peuvent absorber ou disperser les ondes radio, entraînant une perte de signal supplémentaire. Bien que LoRa soit plus résistant à ces effets que les technologies à fréquence plus élevée, des événements météorologiques importants peuvent néanmoins diminuer la puissance du signal et, par conséquent, la portée du réseau.
- Ces facteurs environnementaux soulignent la nécessité de réaliser des études de site complètes et de planifier le réseau pour garantir une connectivité fiable dans différents scénarios de déploiement. Il est important de prendre en compte les implications potentielles en termes de portée lors de l'installation de l'infrastructure LoRaWAN et d'adapter la conception du réseau pour atténuer les impacts environnementaux.
Configuration du réseau et facteurs affectant la portée LoRaWAN
Les choix de conception et de configuration du réseau influencent directement l'étendue opérationnelle d'un réseau LoRaWAN. Ces choix dépendent des facteurs de propagation, des paramètres de bande passante, des taux de codage et de la façon dont le réseau gère les interférences de signal.
- Facteur d'étalement (FS)
Le facteur de propagation dans LoRaWAN module le nombre de chirps par bit de données transmis. Il s'agit d'un paramètre essentiel qui fait le compromis entre le débit de données et la portée. Des facteurs de propagation plus élevés entraînent des débits de données plus faibles mais permettent une portée plus longue puisque le signal peut être détecté sur de plus grandes distances avec un rapport signal/bruit plus faible.
- Dans les réseaux LoRaWAN, le réglage spécifique du débit de transfert de données utilise des facteurs d'étalement (SF). Le réseau LoRaWAN utilise SF7 à SF12. En raison de sa modulation à spectre étalé chirpé et des différentes fréquences de décalage de phase utilisées dans le chirp, le réseau LoRaWAN est insensible aux interférences, à la propagation par trajets multiples et à l'évanouissement. Dans les réseaux de portée LoRaWAN, le côté TX utilise le chirp pour coder les données, tandis que le côté Rx utilise le chirp inverse pour décoder les signaux. Le nombre de chirps utilisés par seconde, la définition du débit binaire et la quantité d'énergie rayonnée par chaque symbole, ainsi que la portée LoRaWAN qui peut être atteinte ont été représentés ci-dessus. Par exemple, le débit binaire de SF9 est 1/4 de SF7, ce que l'évolutivité de LoRaWAN peut atteindre. Plus le débit binaire est lent, plus l'énergie est élevée et le temps d'antenne est long, et plus la portée de chaque ensemble de données est grande.
Facteur de propagation |
Jetons/symbole |
Limite SNR |
Temps de diffusion (paquet de 10 octets) |
Débit binaire |
|---|---|---|---|---|
|
7 |
128 |
-7.5 |
56 ms |
5469 bps |
- En utilisant un SF plus élevé, les signaux LoRa deviennent plus résistants aux interférences et peuvent être reçus sur de plus longues distances, bien qu'avec le compromis d'un temps d'antenne accru et d'une capacité de réseau réduite.
- Bande passante et taux de codage
LoRaWAN permet d'ajuster la bande passante et le taux de codage, qui affectent la robustesse du signal LoRa contre le bruit et les interférences.
- Bande passante (BW):Une bande passante plus large augmente le débit de données, réduisant ainsi le temps de diffusion mais rendant le signal plus sensible au bruit. À l'inverse, une bande passante plus petite entraîne un débit de données plus faible mais un signal plus résilient.
- Taux de codage (CR):Le taux de codage définit le rapport entre les bits de données et le nombre total de bits transmis, en tenant compte des codes de correction d'erreur. Un taux de codage plus élevé signifie que davantage de données redondantes sont transmises, ce qui offre une résilience accrue aux erreurs de bits au détriment de l'efficacité du débit de données.
- Interférence de canal
LoRaWAN fonctionne dans les bandes ISM non autorisées, où d'autres appareils et technologies transmettent également. La présence d'interférences provenant de ces sources peut affecter la clarté du signal et réduire la portée effective.
- Interférence entre canaux:Lorsque de nombreux appareils transmettent sur le même canal de fréquence, des interférences entre canaux peuvent se produire. L'utilisation de la modulation CSS par LoRa permet d'atténuer ce problème, mais il reste un facteur dans les réseaux densément peuplés.
- Limitations du cycle de service:Certaines régions imposent des limites de cycle de service aux transmissions dans les bandes ISM. Il s'agit du rapport entre le temps de transmission et le temps total et il est conçu pour réduire les risques d'interférences. Cette limitation peut affecter le nombre de messages qu'un appareil peut envoyer et donc influencer la conception du réseau.
Facteurs réglementaires et de conformité
Les facteurs réglementaires sont également essentiels pour déterminer la portée d’un réseau LoRaWAN en raison des limitations et des exigences imposées par les régulateurs du spectre radio.
- Réglementation des fréquences : différentes régions ont désigné des plages de fréquences spécifiques pour la bande ISM. Les organismes de réglementation, tels que la FCC aux États-Unis et l'ETSI en Europe, régissent la fréquence, la puissance et le cycle de service afin d'équilibrer les besoins des différents services partageant le spectre.
- Conformité : le respect des réglementations est essentiel non seulement pour un fonctionnement légal, mais également pour garantir que les appareils sont optimisés pour les fréquences qu'ils utilisent. Le respect de ces réglementations garantit l'interopérabilité et la fiabilité du réseau tout en évitant les pénalités ou les interruptions opérationnelles.
Facteurs technologiques avancés
Les avancées technologiques émergentes offrent de nouvelles solutions pour améliorer la portée et l’efficacité des réseaux LoRaWAN.
- Débit de données adaptatif (ADR):ADR optimise les paramètres de puissance SF et TX pour les nœuds individuels, améliorant ainsi l'efficacité énergétique et les performances globales du réseau.
- Topologie du réseau:Le déploiement de passerelles supplémentaires peut améliorer la couverture et la capacité. Le placement stratégique de ces passerelles, en tenant compte du terrain et des obstacles potentiels, est essentiel pour l'optimisation du réseau. Grâce à ces différentes configurations de réseau et considérations réglementaires, il est possible d'affiner un réseau LoRaWAN pour maximiser sa portée tout en respectant les exigences légales et en optimisant le trafic réseau.
Conclusion et perspectives d’avenir
Pour conclure notre discussion détaillée, nous avons dévoilé la multitude de facteurs qui influencent la portée des réseaux LoRaWAN, depuis les subtilités techniques de la puissance de transmission et de la sensibilité du récepteur jusqu'aux complexités de l'environnement dans lequel le réseau est déployé. Nous avons également vu comment les considérations réglementaires et les configurations réseau avancées peuvent avoir un impact supplémentaire sur l'étendue et l'efficacité de la couverture réseau.
En conclusion, maximiser la portée des réseaux LoRaWAN est un défi dynamique et multiforme qui nécessite une compréhension approfondie des spécifications techniques, une évaluation minutieuse de l’environnement de déploiement, une attention à la conformité réglementaire et la capacité de s’adapter à une technologie en constante évolution.
Alors que nous nous tournons vers l’avenir de l’IoT et des appareils connectés, les enseignements tirés de ces cas et analyses guideront la croissance et l’optimisation continues des réseaux LoRaWAN à travers le monde.
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