Explication de LoRa et principales raisons de l'utiliser

Ce que cela signifie pour les communications sans fil basées sur l'IdO

Barcelone, janvier 2020
L'adoption croissante des technologies de l'Internet industriel des objets (IIoT) a intensifié la nécessité de mieux comprendre le fonctionnement des systèmes IoT, les options disponibles sur le marché et ce qui les différencie en termes de performances. Lorsqu'on utilise la technologie IoT pour surveiller les risques des actifs ou des infrastructures critiques, tous ces éléments contribuent à garantir la fiabilité des opérations. Latechnologie de réseau LoRa, en particulier, est souvent désignée comme la solution industrielle la plus courante pour connecter des capteurs sans fil et transmettre des données.
Dans cet article, Albert Zaragoza, directeur technique chez Worldsensing, leader mondial de l'IdO, aborde les options de connectivité et fournit des détails sur la manière de rendre les systèmes de réseau plus compréhensibles.

Albert Zaragoza, directeur technique de Worldsensing

Q : De plus en plus de secteurs industriels adoptent les technologies IoT pour améliorer leurs programmes de gestion des risques, optimiser leurs opérations et réduire leurs coûts. D'un point de vue technique, quels sont les défis actuels de l'IdO ?

L'IdO a été largement adopté par de nombreux secteurs et entreprises, mais nous ne pouvons pas oublier que l'écosystème est encore jeune. De nombreux fournisseurs de technologies IoT ne connaissent pas encore les défis que représentent le matériel, les communications et les logiciels de construction.
L'interopérabilité, c'est-à-dire la capacité d'échanger et d'utiliser des informations, entre tous les nœuds et capteurs de différents fournisseurs est un défi évident. Nous sommes encore loin d'avoir des plates-formes, des structures de données et des interfaces différentes qui échangent des données de manière efficace afin d'en faire profiter les utilisateurs finaux.
La sécurité est un autre défi qui ne devrait pas seulement préoccuper l'écosystème IoT, mais aussi toutes les entreprises du monde entier. Des mécanismes de cryptage doivent être adoptés pour garantir l'intégrité des données, et les utilisateurs finaux doivent pouvoir contrôler totalement qui peut voir et exploiter leurs données.
En outre, les données de l'IdO transitent par des réseaux de transmission sans fil et un défi évident consiste à garantir qu'un grand nombre de dispositifs de détection puissent transmettre des données sans causer de perte de données en raison de la congestion du réseau, d'interférences ou de hameçonnage externe.
Il ne fait aucun doute que l'espace IdO nous réserve des moments difficiles mais passionnants.

Stands de Worldsensing et de LoRa Alliance lors du congrès mondial Smart City Expo en novembre 2019.

Q : Pour connecter sans fil des "objets" fonctionnant sur batterie à l'internet dans des réseaux régionaux, nationaux ou mondiaux, un système de communication radio est nécessaire. Existe-t-il une variété de systèmes ou de réseaux pour cela ? Pouvez-vous nous expliquer ?

Comprendre le problème que nous essayons de résoudre ou les exigences du cas d'utilisation est essentiel pour sélectionner la bonne technologie pour le travail. Il existe de nombreuses technologies de communication sans fil, mais nous pouvons les diviser en trois groupes :

• Courte portée,
• Cellulaire,
• Longue portée.

Les technologies à courte portée comprennent des technologies telles que Bluetooth, NFC/RFID ou Zigbee, parmi beaucoup d'autres, mais elles ne sont absolument pas adaptées aux scénarios qui nécessitent des communications sur de longues distances.
Les technologies cellulaires [2G, 3G, 4G, etc.] peuvent fournir une plus grande couverture, mais elles consomment également beaucoup d'énergie du dispositif et ne sont pas idéales pour une utilisation avec des dispositifs à faible puissance.
Les caractéristiques susmentionnées et les besoins de nombreux cas d'utilisation industrielle de l'IdO ont stimulé le développement d'une nouvelle vague de technologies de communication sans fil connue sous le nom de réseau étendu à faible puissance ou LPWAN. L'IoT à bande étroite (NB-IoT), Sigfox ou LoRa, pour n'en citer que quelques-uns, sont des exemples de mises en œuvre LPWAN. Elles sont idéales pour les environnements industriels et gagnent en popularité en raison de leurs caractéristiques de communication à longue portée, à faible puissance et à faible coût.

Q : Donc, selon ce document, LoRa est l'un des protocoles disponibles pour les communications LPWAN. Pourquoi Worldsensing a-t-elle décidé d'utiliser LoRa et non l'un des autres réseaux que vous avez mentionnés ?

Nos clients doivent surveiller des opérations qui exigent à la fois une large couverture de communication et une excellente disponibilité de la connexion. Pour garantir cela, nous devons tenir compte de quatre facteurs importants, le premier étant le volume de données pouvant être transmis. Le volume de données a un impact direct sur la consommation d'énergie des dispositifs de détection, qui fonctionnent sur batterie et doivent durer des années. La portée, c'est-à-dire la distance parcourue par les données, a également une incidence sur l'autonomie de la batterie. Enfin, la facilité de déploiement est primordiale lorsqu'on travaille dans des environnements industriels.
La technologie LoRa permet de trouver le bon équilibre entre tous ces éléments, notamment :

• Couverture : elle garantit une longue distance de transmission, avec une portée prouvée allant jusqu'à 15 km ou 9 miles.
• Faible consommation d'énergie : la durée de vie des piles peut atteindre 10 ans.
• Rentabilité : en particulier pour la surveillance à long terme, la technologie LoRa peut s'avérer plus rentable que les solutions traditionnelles, en réduisant la main-d'œuvre.
• Évolutivité : l'ajout et/ou le remplacement de nœuds au réseau au fur et à mesure de l'évolution du projet est facile et transparent pour l'opérateur, tout en maintenant l'intégrité des données.
• Fiabilité : sa robustesse est avérée et il dispose d'une forte protection contre les interférences.
• Sécurité : la protection et la confidentialité des données sont assurées par un cryptage AES 128 à plusieurs niveaux pour toutes les données envoyées des capteurs au serveur d'application et inversement.

En outre, LoRa est une technologie de couche physique qui module les signaux dans les bandes de fréquences sub-GHz industrielles, scientifiques et médicales. Elle nous permet de créer et de déployer des réseaux privés chez nos clients, sans restriction. C'est un gros avantage par rapport à Sigfox et à l'Internet des objets à bande étroite, qui sont contrôlés par les opérateurs de réseau.
Disposer du programme de certification et de conformité de l'Alliance LoRa, qui garantit l'interopérabilité de tous les produits et technologies LoRaWAN®, est également formidable pour l'écosystème. Cette communauté est en train de devenir l'alliance la plus importante et à la croissance la plus rapide du secteur technologique. Elle travaille constamment à l'amélioration des capacités de la technologie LoRa : nous avons récemment été stupéfaits lorsqu'elle a battu un record mondial de distance en matière de transmission de données.
En somme, avec LoRa, nous pouvons garantir la disponibilité et améliorer la précision des données, ce qui est très important pour nous afin de servir efficacement nos clients et partenaires.

Q : Y a-t-il d'autres éléments qui peuvent avoir un impact significatif sur les performances et la qualité de la transmission des données ?

Lorsqu'on parle de la façon dont les différents composants et appareils communiquent sans fil au sein d'un réseau IoT, la définition et la sélection de la bonne stratégie de topologie sont essentielles. Les topologies diffèrent grandement dans la manière dont elles offrent des fonctionnalités en matière de sécurité, de consommation d'énergie, de coût et de complexité, c'est pourquoi il est essentiel de choisir la bonne pour éviter les problèmes plus tard.
Lors de l'architecture d'une solution de réseau IoT sans fil, deux topologies principales peuvent être utilisées : en étoile et en maillage. Une topologie en étoile organise les appareils autour du contrôleur central, également appelé passerelle. D'autre part, une topologie maillée connecte chaque dispositif à un autre dispositif avec une liaison point à point.

Diagrammes montrant les topologies de réseau : étoile (à gauche) et maillage (à droite).

Nous pouvons énumérer les avantages et les inconvénients suivants pour chaque topologie lorsqu'elle est appliquée à des scénarios de réseaux IoT sans fil.
Avantages du maillage :

• Gère de grandes quantités de trafic. Plusieurs appareils peuvent transmettre des données simultanément.
• La défaillance d'un dispositif n'entraîne pas de rupture du réseau ou de la transmission des données. Pour être mis en œuvre, le réseau doit comporter des mécanismes d'autoréparation.

Topologie maillée - Inconvénients :

• Très coûteux à installer. En particulier pour les scénarios à longue distance, le nombre de répéteurs nécessaires augmente rapidement.
• Configuration et gestioncompliquées du réseau, en raison du nombre élevé de connexions.
• Consommation d'énergie élevée. Malgré une faible puissance d'émission, les nœuds doivent rester éveillés et écouter chaque message qui doit être relayé.
• Vulnérabilité aux attaques de sécurité. Une brèche dans l'un des nœuds met en péril l'ensemble du réseau.

Topologie en étoile - Avantages :

• Lescoûts et les efforts d'installation sont contrôlés en raison de la complexité réduite de la mise en place du réseau. Le concentrateur est installé en un point central et les nœuds sont ajoutés selon les besoins pendant la durée de vie du projet.
• Leréseau peut être facilement étendu. Les nouveaux nœuds sont connectés directement au hub sans avoir d'impact sur le reste du réseau.
• Consommation de batterie plus faible des nœuds. Elle peut être mieux contrôlée car elle est facilement calculée en fonction de la quantité de communication avec le hub.
• Résilience. Le dysfonctionnement d'un seul nœud n'affecte pas le reste du réseau.

Topologie en étoile - Inconvénients :

• Pour les petits réseaux, le coût du concentrateur peut représenter un investissement important.
• Point de défaillance unique. Un dysfonctionnement du concentrateur entraîne l'arrêt de tout le réseau. Il est crucial de choisir un partenaire expert disposant de solutions robustes et éprouvées et de mécanismes de surveillance fiables.

Q : Existe-t-il des applications ou des secteurs spécifiques où l'utilisation de LoRa est plus adaptée ou peut se traduire par un avantage significatif ?

En règle générale, LoRa convient parfaitement aux projets complexes qui présentent des défis de surveillance très spécifiques, comme les exploitations minières à ciel ouvert qui couvrent généralement de vastes zones ou les grands projets de construction.
Dans les projets de construction et de creusement de tunnels où les points de surveillance sont généralement répartis sur plusieurs kilomètres, les opérateurs ont besoin que les données soient transmises sur de longues distances par des dispositifs qui ont besoin de très peu d'énergie et ne dépendent pas de la couverture du signal. Il s'agit en fait d'une exigence du marché de la géotechnique en général. Il faut garder à l'esprit que pour la construction de tunnels, en particulier, la dimension de chaque projet couvre généralement plus de 3 km ou 1,9 miles, et la distance entre les points de surveillance peut également être importante (plus de 100 m ou 110 yards).
Évidemment, cela est également valable pour la surveillance des infrastructures et des actifs critiques pour lesquels aucune interruption de service n'est possible en raison de l'impact que cela représenterait. Ces actifs dépendent de la transmission de données pour gérer des opérations qui nécessitent des performances sans interruption.
LoRa sera un avantage partout où un programme de surveillance fiable en temps réel est nécessaire pour garantir l'intégrité d'une structure, comme les ponts, les barrages, les bâtiments ou d'autres infrastructures.
En outre, LoRa offre la possibilité de déployer des réseaux privés, ce qui permet à l'utilisateur d'avoir le contrôle et d'être indépendant des grands opérateurs de réseau. Pour les projets où cela est une exigence, LoRa est l'option la plus appropriée.
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