Grâce à la technologie radio LoRa, les capteurs peuvent communiquer sur de longues distances, de 200 m à 20 km, dans la bande 868 MHz libre. La technologie LoRa se caractérise par une très faible consommation d’énergie et une grande portée et convient aux débits de données faibles. Il existe différentes solutions LoRa qui utilisent généralement une puce LoRa de Semtech.
Bases de LoRa
LoRa utilise une modulation spéciale de spectre à étalement de fréquence (angl.: spread spectrum). Fondamentalement, cette modulation peut être utilisée sur toutes les fréquences, les gammes de fréquences libres 433 MHz et 868 MHz sont courantes en Europe. On utilise souvent la fréquence 868 MHz, parce que cette bande est moins occupée et mieux régulée et offre donc une meilleure base radio.
Il existe déjà un protocole LoRaWAN standardisé qui nécessite un concentrateur spécial et transmet les données à un serveur Internet. Le concentrateur, qui peut recevoir plusieurs canaux simultanément, offre des avantages pour les très grandes installations, mais le protocole LoRaWAN ne supporte pas la communication directe de nœud à nœud et est trop coûteux et compliqué pour de nombreuses applications.
Nous avons développé un nouveau logiciel de protocole radio LoRa (« RadioShuttle ») qui permet d’envoyer des messages entre des modules LoRa simples de manière très efficace, rapide et sûre. Ce logiciel peut être utilisé comme nœud ou serveur et supporte différentes puces LoRa (RFM95_SX1276, MURATA_SX1276, SX1276MB1MAS, SX1276MB1LAS).
Les modules LoRa
Il existe un grand nombre de modules différents équipés d’un modem radio LoRa intégré. Cependant, la plupart des modules sont distribués sans logiciel et sont donc inutiles pour les utilisateurs et les développeurs.
Informations générales sur la portée LoRa
De nombreux facteurs influent sur la portée : antenne, murs, plafonds en béton armé, réflexions radio, autres émetteurs sur des fréquences identiques et bien plus encore. On parle donc d’une portée de 200 m à 20 km, ce qui est en tout cas bien meilleur que les autres technologies radio avec LoRa.
Les modulations standard 868 MHz (sans LoRa), qui utilisent la puissance d’émission de 14 dBm autorisée en Allemagne, peuvent parcourir environ 50 mètres à l’extérieur et à travers un mur dans les bâtiments. Dans la pratique, avec une modulation standard de 868 MHz, il y a déjà des problèmes de réception dans un appartement.
Avec la modulation LoRa 868 MHz – également avec une puissance d’émission de 14 dBm – nous avons effectué des tests dont la réception a même fonctionné sur 9 étages dans un grand complexe immobilier. La technologie radio LoRa a également fonctionné sans faille lors de tests supplémentaires dans une grande salle de conférence équipée de 5.000 smartphones et de nombreuses autres technologies de transmission radio. Un avantage essentiel de la LoRa est que la modulation LoRa fonctionne également en superposition sur les canaux radio standard 868 MHz.
Réflexions générales sur la modulation LoRa
Facteur d’étalement de LoRa
Le facteur d’étalement détermine le nombre de symboles utilisés pour coder les données utilisateur. Ceci est spécifié pour la modulation LoRa de SF6 à SF12. Par exemple, SF7 utilise 128 symboles, SF11 utilise même 2048 symboles pour coder des données utilisateur identiques. SF7 est le facteur d’étalement standard avec une durée de fonctionnement d’environ 120 millisecondes pour une transmission de données de 64 octets. Avec SF11, le temps de fonctionnement est même nettement supérieur à une seconde. Le résultat est donc le suivant :
Petit facteur de étalement (par ex. SF7) :
- Temps de transmission court
- 10 transactions par seconde possibles
- Moins de consommation d’énergie
- Portée réduite
- Plus de nœuds possibles dans le réseau
- Petite cellule radio
Facteur d’étalement important (par ex. SF11) :
- Longue durée de transmission
- Une seule transaction par seconde possible
- Consommation d’énergie nettement supérieure (10x)
- Portée plus large
- Moins de nœuds possibles dans le réseau
- Grande cellule radio
Par conséquent, on peut dire que le facteur d’étalement SF7 standard offre de nombreux avantages, puisque simplement plus d’abonnés travaillent dans une petite cellule radio et donc les cellules radio étrangères ne sont pas perturbées.
Largeur de bande de fréquence LoRa
La largeur de bande pour la modulation LoRa peut être ajustée, définie entre autres comme 31,25 kHz, 41,7 kHz, 62,5 kHz, 125 kHz, 250 kHz et 500 kHz. Une bande passante plus étroite nécessite beaucoup plus de temps pour la transmission des messages. Les largeurs de bande inférieures à 125 kHz ne fonctionnent qu’avec du matériel LoRa spécial, qui utilise un TCXO (Temperature Compensated Crystal Oscillator) et possède un support matériel spécial. Stable avec tous les chipsets LoRa, il fonctionne à partir de 125 kHz. Seule la largeur de bande 125 kHz est définie pour le protocole LoRaWAN. Le protocole RadioShuttle supporte toutes les largeurs de bande, mais 125 kHz est également recommandé.
La largeur de bande est également importante pour le choix du canal : si, par exemple, le canal 868,1 MHz avec une largeur de bande de 125 kHz est utilisé, le canal libre suivant doit être plus éloigné que la largeur de bande. Cela signifie que 868,2 MHz ne fonctionnera pas, 868,3 MHz sera le prochain canal libre.
Portée avec différents facteurs d’étalement
Vous trouverez ci-dessous un petit aperçu des gammes testées avec une bande passante standard de 125 kHz et différents facteurs d’étalement. En principe, il est également possible d’obtenir des portées nettement plus importantes. Ainsi, par exemple, SF7 peut atteindre plusieurs kilomètres à vue libre et sans perturbations, SF11 peut également atteindre des temps supérieurs à 20 km. Cependant, comme les bâtiments et autres perturbations n’assurent généralement pas une transmission parfaite, nous donnons ci-dessous un aperçu des portées testées dans les zones habitées.
| Facteur d’étalement | Temps de transmission 64 octets (pour une bande passante de 125 kHz) | Portée testée |
|---|---|---|
| SF7 | 120 ms | 100-500 m |
| SF8 | 220 ms | |
| SF9 | 390 ms | > 1 km |
| SF10 | 700 ms | |
| SF11 | 1320 ms | > 2 km |
| SF12 | 2470 ms |