Chapitre 3-Partie 2 : Les Réseaux LPWAN PDF

Chapitre 3-Partie 2: Les réseaux LPWAN 1  Pourquoi des réseaux LPWAN? Les technologies Zigbee, Wifi, etc. ont une portée limitée, L’utilisation de ces technologies est consommatrice de la batterie leur coût peut être élevé. La solution des réseaux cell...

Chapitre 3-Partie 2: Les réseaux LPWAN 1  Pourquoi des réseaux LPWAN? Les technologies Zigbee, Wifi, etc. ont une portée limitée, L’utilisation de ces technologies est consommatrice de la batterie leur coût peut être élevé. La solution des réseaux cellulaires traditionnels est surdimensionnée pour les applications IoT Un coût élevé, une grande infrastructure, grande puissance, débit important. Les réseaux LPWAN (Low Power Wide Area Networks) est une réponse adaptée au monde de l’IoT 2 Grande portée mais avec une faible consommation d’énergie Pourquoi des réseaux LPWAN? Les technologies LPWAN (Low Power Wide Area Network) sont des réseaux "bas débit, longue portée". Ils sont spécialement conçus pour des applications peu gourmandes en données et en bande passante : télémétrie, relevé de compteurs, stations météorologiques, surveillance de températures etc. Ce sont des réseaux sans fil, basse consommation, bas débit et longue portée, optimisés pour les équipements ayant besoin d’une autonomie de plusieurs années Les LPWAN regroupent les réseaux: non cellulaire: Lorawan, Sigfox cellulaire: Nb-iot, LTE-M Comment les différencier ? Chacune de ces technologies disposent de caractéristiques qui lui sont propres : réseau public vs réseau opéré ou privé, portée, temps d'émission, duty cycle, débit maximal, nombre de trames etc 3 Positionnement des réseaux LPWAN http://www.linuxembedded.fr/2017/12/introduction-a-lora/ 4  Domaines d’utilisation de LPWAN https://www.cisco.com/c/dam/en/us/products/collateral/se/internet-of-things/at-a-glance-c45-737308.pdf 5  Technologies LPWAN: LoraWAN LoRaWAN pour Long Range Radio Wide Area Network est un réseau LPWAN L’origine de cette technologie est la startup grenobloise Cycléo en 2010, rachetée en 2012 par Semtech (entreprise californienne de semi- conducteurs) La LoRa Alliance fait la promotion de la technologie open source LoRa base de lorawan LoRa Alliance : une organisation à but non lucratif de plus de 500 entreprises membres. 6  LoRaWAN: caractéristiques LoRaWAN est un réseau basse consommation d’énergie, longue portée, adaptés aux objets connectés dont l’application requiert une autonomie importante (des mois, voir des années) Utilise des bandes de fréquence à usage libre ISM (Industrial, Scientific , Medical) (partagée par d’autres technologies sans fil) Nécessite le respect des règles d’utilisation (puissance d’émission, rapport cyclique et bande passante) Exemples d’applis : smart cities, industrie connectée, agriculture de précision, etc. 7  LoRaWAN: caractéristiques LoRa est la couche physique qui permet des communications sans fil longue distance LoRaWAN définit le protocole de communication et l’architecture réseau LoRa utilise les bandes de fréquences ISM (868 MHz en Europe et 915 MHz aux USA) Une portée comprise entre 15 et 20 km dans les zones rurales et entre 3 et 8 km dans les zones urbaines 8  LoRaWAN: caractéristiques Modulation à étalement de spectre: technique de transmission radioélectrique dans laquelle un signal est transmis sur une largeur spectrale plus grande que l’ensemble des fréquences qui composeraient le signal original Débit faible entre 300bps et 5Kbps selon le facteur d’étalement (spreading factor) 9  Architecture d’un réseau LoRaWAN LoraWan: protocole, ou méthode de transmission qui définit un format de trame spécifique pour etre compris par un network server et un application server 10  Architecture d’un réseau LoRaWAN End-devices: Des cartes électroniques avec des modules LoRa et un/des capteurs ou actionneurs implémentés. Ces cartes sont localisées à distance. LoRa gateway: Les passerelles reçoivent et/ou envoient les données du module LoRa. Elles sont connectées au serveur du réseau en utilisant des connexions IP. Server (réseau et Application) : Le serveur du réseau LoRa gère le flux de données arrivant des gateways. Le serveur agit pour éliminer les paquets dupliqués et adapte le débit des données. PC distant (ou application) : Il contrôle les actions des end-devices ou rassemble leurs données. 11  Architecture d’un réseau LoRaWAN Les nœuds extrémités utilisent le protocole LoRa pour communiquer en un seul saut avec l’ensemble des passerelles qui les couvrent (non pas exclusivement avec une passerelle définie). Les transmissions entre end-devices et passerelles doivent respecter les règles suivantes : Le end-device change de canal de manière pseudo-aléatoire à chaque transmission. Respect du rapport cyclique autorisé (1% en Europe, soit 36 secondes par heure). Respect de la puissance maximale d’émission autorisée (25mW Europe). Le serveur réseau gère la sécurité (E2E, end to end), le débit adaptatif et la redondance. 12  La technologie LORA LoRa est l’acronyme de Long Range: Type de modulation Permettant d’envoyer des donnees entre devices Cette technologie sans fil permet à un émetteur (node) de faible consommation de transmettre des petits paquets de Node basé sur une données (0,3 kbps à 5,5 kbps) à un récepteur sur une carte arduino longue distance. mkrwan 1310 Les données passent par une passerelle (gateway) qui peut gérer des centaines de périphériques en même temps. Passerelle LoRaWAN d’intérieure Dragino LPS8 13  NODE Un node LoRa est constitué de 3 parties: Un module radio Lora avec antenne. Un microprocesseur. Une batterie. Il est possible de créer ses propres nodes en utilisant des shields arduino ou raspberry. On associe généralement un capteur au node. L’objectif étant de transmettre en lora les données issues de ce capteur (température/humidité/…) 14  Gateway Une gateway (passerelle) LoRa se compose de 3 parties: Un module radio Lora avec antenne Un microprocesseur pour traiter les données Passerelle LoRaWAN Une interface réseau (filaire ou wifi) pour se intérieure Dragino LPS8 connecter à internet Les passerelles sont alimentées par le secteur et connectées à Internet. Passerelle LoRaWAN extérieure Dragino DLOS8 15  Gateway Pour une passerelle indoor: il faut compter un rayon de 100m. Passerelle LoRaWAN intérieure Dragino LPS8 Pour une passerelle outdoor, la couverture peut atteindre un rayon de plusieurs kilomètres mais son coût est plus élevé. Passerelle LoRaWAN extérieure Dragino DLOS8 16  L’architecture du réseau Le réseau LORAWAN LoRaWAN possède une topologie en étoile. La communication entre le node et la passerelle est bidirectionnelle et alternée (half duplex) Ce qui signifie que le node peut envoyer des données à la passerelle, mais qu’il peut aussi recevoir des données de la passerelle. 17/14  UPLINK et DOWNLINK Lorsqu'un node transmet des données à la passerelle, cela s'appelle une liaison montante (uplink) Lorsque la passerelle transmet des données au node, cela s'appelle une liaison descendante (downlink) gateway uplink downlink node 18 Principe de fonctionnement du LORAWAN Un node diffuse (broadcast) ses données sur toutes les passerelles se trouvant à proximité. Les passerelles transmettent ce paquet au serveur de réseau. Le serveur de réseau collecte les messages de toutes les passerelles et les filtre pour ne pas dupliquer les données. Il détermine alors la passerelle qui offre la meilleure réception. Le serveur de réseau transfère le paquet au serveur d’application approprié où l'utilisateur final peut traiter les données issues de ses nodes. Le serveur d'applications peut éventuellement renvoyer une réponse au node. Dans ce cas, lorsqu'une réponse est envoyée, le serveur de réseau reçoit la réponse et détermine quelle passerelle utiliser pour retransmettre la réponse au node. Il choisit la passerelle ayant mesurée, lors de la réception, le niveau de réception le plus élevé (le RSSI) 19  RSSI Le RSSI (Received Signal Strength Indication) est la puissance du signal reçu. Cette valeur peut être utilisée pour évaluer la qualité de réception d’une passerelle recevant un message issu d’un node. Le RSSI est mesuré en dBm( décibels par milliwatt). Sa valeur est négative. Plus le chiffre est proche de 0, meilleur est le signal. Si RSSI = -30dBm : le signal est fort Si RSSI = -120dBm : le signal est faible 20 Protocole en couche du réseau LORAWAN Le protocole LoRaWAN fonctionne avec une architecture à 3 couches, à savoir : la couche physique, la couche MAC (Medium Access Control) et la couche applicative. Le réseau LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) est défini par la LoRa Alliance. des nodes et des gatways compatibles avec LoRa (Long Range), désigne l’interface radio (couche physique) assurant la transmission la fréquence européenne de 868 MHz des données entre les objets connectés et la passerelle. LoRaWAN (Long Range Wide Area Network), désigne le réseau de communications. LoRa est propriétaire (SEMTECH) et LoRaWAN est ouvert (LoRa Alliance) 21 22  La couche MAC Les classes LoRa MAC offre trois classes de services: Classe A « All »: offre une communication bidirectionnelle dans laquelle une transmission montante (uplink) est suivie par deux courtes fenêtres de réception (downlink) définies aléatoirement (ALOHA). Classe B « Beacon »: Le fonctionnement est le même que pour la classe A avec l’ajout d’un slot de réception programmé en plus des deux fenêtres aléatoires. La planification est permise par l’envoi d’un beacon de synchronisation par la passerelle. Classe C « Continuous » : concerne les end-devices qui écoutent le réseau continuellement. Ce mode de fonctionnement est réservé aux périphériques qui n’ont pas de contraintes d’énergie. 23  La couche MAC Classes Decription A(ll) Dispositifs alimentés par batterie. Lorsqu’un périphérique envoie un message à la passerelle (uplink), la transmission est suivi de deux courtes fenêtres de réception (downlink). B(eacon) Identique à la classe A, mais ces périphériques ouvrent également des fenêtres de réception supplémentaires à des instants prédéfinis. C(ontinuous) Identique à la classe A, mais ces appareils écoutent en permanence. Ils consomment alors plus d’ énergie et sont souvent alimentés par secteur ou panneaux solaires. 24 25 Technologies LPWAN: SigFox Née à Toulouse en 2009, est un opérateur de télécommunications français spécialisé dans l’Internet des objets Fournit une connectivité bas débit à travers son propre réseau cellulaire basé sur la technologie radio Ultra Narrow Band (UNB): 26  Technologies LPWAN: SigFox Plus de 7 millions d’objets l’utilisent en fin 2015 (d’après une interview avec le PDG de SigFox) Sigfox offre un débit de 100 bits par seconde Un capteur muni d’un module SigFox peut envoyer jusqu’à 140 messages par jour de 12 octets (charge utile) chacun Le protocole de Sigfox est spécialement conçu pour la transmission de petits messages, d’une taille comprise entre 0 et 12 octets. Chaque message est transféré à un débit de 100 bits par seconde 27  Technologies LPWAN: SigFox Le réseau couvre une grande partie du territoire français et plusieurs pays européens (Espagne, Pays-bas, Royaume-Uni, Portugal, etc.), Quelques Services: – contrôler des panneaux publicitaires – gérer le système de ventilation et de chauffage des immeubles professionnels ou privés, – gérer des alarmes d’une maison (détecteur d’incendie, détecteur de fuite de gaz, alarme de sécurité…) – mieux prévoir les dangers qui menacent la nature (flux d’eau, climat, tremblement de terre, etc.) 28  Sigfox versus LoRaWAN : quel réseau IoT choisir ? Système fermé propriétaire (Sigfox) contre une solution collaborative ouverte (LoRaWAN): LoRaWAN peut être déployé en privé sans l’intermédiaire d’opérateurs, et c’est là toute sa flexibilité. Ce protocole permet de créer une infrastructure radio privée, économiquement et écologiquement performante, sans faire appel à des solutions propriétaires, ce qui permet une maîtrise totale et autonome des données collectées. LoRaWAN se distingue par son étonnante capacité d’adaptation à des environnements et des applications IoT très différents. 29  Sigfox versus LoRaWAN : quel réseau IoT choisir ? Lorawan privé vs lorawan public Le réseau public est déployé et administré par des opérateurs téléphoniques, par exemple orange, il faut 1. Acheter un abonnement 2. Déclarer les capteurs sur la plateforme de l’opérateur 3. Activer les capteurs 4. Récupérer la donnée sur la plateforme de l’opérateur et la rediriger (ou non) vers une plateforme de traitement de données. Le réseau public va être mutualisé et utilisé par plusieurs utilisateurs 30  Sigfox versus LoRaWAN : quel réseau IoT choisir ? Le réseau privé va être installé dans le contexte d’une utilisation par une seule et unique entité. Avec un réseau privé, l’utilisateur peut lui-même administrer sa flotte de capteurs IoT ainsi que son infrastructure réseau. Dans un réseau privé, l'entreprise peut connecter son système interne au réseau sans avoir besoin d'utiliser Internet, voici la marche à suivre : 1. Acheter une ou plusieurs passerelles selon le besoin 2. Les déployer sur son site 3. Déclarer les capteurs dans les passerelles 4. Créer les connexions entre les passerelles et la plateforme de traitement de la donnée 5. Activer les capteurs 31 Sigfox versus LoRaWAN : quel réseau IoT choisir ? Sigfox ne désigne donc pas seulement un protocole réseau, c’est avant tout un réseau propriétaire. Le réseau et le transport d’informations sont entièrement gérés par Sigfox l’utilisation de Sigfox est donc soumise à la souscription d’un abonnement, qui varie en fonction du nombre d’objets connectés et de la quantité de données transmises Abonnement auquel il faut ajouter l’achat de modems radio Sigfox et de modules de connexion radio. 32 Standards IoT Cellulaires 3GPP pour LPWAN Deux solutions LPWAN normalisées par le 3GPP ( Third Generation Partnership Project ) sous forme de profils additionnels aux profils 4G LTE : LTE-M (LTE for Machine Type Communication) et NB-IoT (Narrowband IoT): LTE-M et NB-IoT ont été développés avec les objectifs suivants : – Couverture intérieure améliorée – Coût du device ultra-faible – Faible consommation d'énergie du device – Architecture réseau optimisée Les technologies LTE-M et NB-IoT sont appelées CIoT (Cellular IoT) pour les distinguer des autres solutions LPWAN. 33 Standards IoT Cellulaires 3GPP pout LPWA eMTC (ou LTE-M): extension logicielle de 4G LTE requiert un canal de 1,4 MHz (à l’intérieur d’un canal LTE de 20 MHz) permet des débits de 1 Mbit/s. une solution adaptée au trafic M2M. NB-IoT: intégrée dans LTE mais utilise une interface radio spécifique. Le profil vient en compétition avec LoRa. Il requiert un canal de 200 kHz permet des débits de quelques dizaines de kbit/s.  Standards IoT Cellulaires 3GPP Dans les réseaux IoT, le débit nécessaire varie en fonction des besoins. Par exemple, le débit nécessaire pour les caméras industrielles est bien plus important que pour un simple capteur connecté. LTE-M est le protocole qui propose le plus grand débit. Il possède d’ailleurs un débit bien supérieur aux technologies comme SIGFOX ou LoRaWan. Cependant, ses spécifications ne lui permettent pas d’atteindre des débits tels que ceux des technologies LTE comme la 4G. D’après ses caractéristiques techniques théoriques, LTE-M permet d’atteindre un débit de l’ordre de 1Mb/s en envoi ou réception (Upload / Download) de données. NB-IoT, quant à lui propose un débit bien inférieur, de l’ordre de 24Kb/s. Celui-ci répondra cependant largement à des besoins IoT simples pour l’envoi de données de capteurs ou d’applications simples  Standards IoT Cellulaires 3GPP Le temps de réponse sera, tout comme le débit, un critère déterminant dans la sélection de la technologie la plus à même de répondre à vos besoins. En effet, un équipement peut être implémenté pour communiquer en temps réel ou pour collecter des données et les envoyer à intervalles de temps régulier. Là aussi LTE-M et NB-IoT diffèrent. LTE-M possède la latence la plus faible (de l’ordre de 10ms). Ce protocole pour réseau mobile est donc particulièrement intéressant pour la communication temps réel. A l’opposé, NB-IoT propose des temps de réponse de l’ordre de la seconde (1 seconde). D’autres différences subsistent bien entendu, comme notamment le coût. Le débit plus élevé et la latence plus faible de LTE-M rendent cette technologie plus coûteuse que NB-IoT.  Standards IoT Cellulaires 3GPP LTE-M et NB-IoT ont chacune des différences clés, comme le temps de réponse (latence ou latency) et le débit, qu’il est important de comprendre afin de sélectionner la technologie la plus apte à connecter vos objets basse consommation. Exemples de cas d’usage pour NB-IoT: Maison intelligente, Smart building, Agriculture, Smart city, … Alors que pour LTE-M on pourra retrouver par exemple: COMPARATIF DES TECHNOLOGIES LPWAN  5 critères pour choisir la connectivité de votre solution IoT 1. La portée du réseau: à quelle portée je souhaite que mes objets communiquent ? La réponse à cette question dépend directement de l’usage que vous souhaitez en faire. 2. La capacité: il est également nécessaire de déterminer le volume de DATA que vous souhaitez faire transiter vers ou depuis votre objet. 3. La qualité de service et de fiabilité du réseau: Le critère de qualité de service concerne principalement l’aptitude d’un réseau à envoyer une information en temps réel. 4. La consommation et la durée de vie: Ce critère est donc à prendre en considération si vous voulez satisfaire au mieux votre clientèle avec une application la plus « low power » possible 5. Le coût du réseau: Le coût de connectivité pour faire communiquer vos objets dépendra du volume de DATA que vous souhaitez transférer et de la fréquence d’envoi que vous choisirez 39