Mode de fonctionnement en relais : extension de la couverture LoRaWAN

Le mode relais est une toute nouvelle fonctionnalité puissante de la technologie LoRaWAN permettant d'étendre la portée et la couverture de Réseaux LoRaWAN et d'améliorer leur fiabilité. Cette nouvelle fonctionnalité LoRaWAN présente deux avantages principaux : premièrement, elle étend la portée des réseaux LoRaWAN ; deuxièmement, elle améliore la couverture et la fiabilité des appareils LoRaWAN dont la connexion avec les passerelles est faible en raison de leur éloignement (par exemple, les compteurs d'eau et de gaz en sous-sol ou les parcmètres). La fonctionnalité de relais LoRaWAN facilitera également l'adoption et le déploiement massifs de l'IoT. Les nœuds relais, similaires aux appareils et capteurs LoRaWAN, fonctionnent sur batterie et sont donc simples à déployer et peu coûteux. De plus, les nœuds relais contribueront à garantir une couverture réseau robuste et fiable pour tous les appareils. Appareils LoRaWAN Grâce aux capteurs, le nombre de retransmissions est réduit, ce qui permet, dans certains cas, de diminuer considérablement les coûts réseau, car les opérateurs n'ont plus besoin de déployer de passerelles supplémentaires pour quelques appareils ou capteurs. Pour mieux comprendre le nouveau mode de fonctionnement Relais et les nœuds Relais, examinons les avantages spécifiques qu'ils offrent et comment ils y parviennent.

Comment fonctionne la connectivité LoRaWAN standard ?

Le protocole LoRaWAN prend en charge le déploiement de passerelles, conçues pour recevoir et envoyer des messages depuis et vers des dispositifs et capteurs finaux. La norme LoRaWAN implique que la passerelle reçoit les messages et les transmet au serveur réseau. La passerelle peut gérer plusieurs canaux ; ainsi, une seule passerelle reçoit généralement les réponses de milliers de dispositifs. Appareils LoRaWAN Les capteurs et leurs messages sont transmis au serveur réseau. Réciproquement, les messages reçus du serveur réseau sont envoyés à chaque appareil et capteur LoRaWAN. C'est pourquoi on utilise le terme « passerelle » plutôt que « station de base » : ce dernier terme impliquerait un traitement des messages similaire à celui des technologies 4G/5G avant leur envoi au serveur réseau ou aux appareils et capteurs.

Protocole de sécurité

Le protocole de communication standard LoRaWAN utilise le chiffrement pour sécuriser le transfert des données. Les transmissions LoRa sont sécurisées par un chiffrement 128 bits. Ce chiffrement repose sur l'utilisation de deux clés de session : l'une est détenue par le serveur réseau et l'autre par le serveur d'application. Chaque clé de session est générée lors de l'échange de clés entre le terminal et le serveur réseau. Une fois connecté au réseau, le terminal peut envoyer et recevoir des données en toute sécurité. La clé de session du serveur réseau (NwkSKey) garantit l'intégrité des messages, tandis que la clé de session de l'application (AppSKey) assure leur chiffrement.

Activation

Pendant Réseau LoRaWAN Lors du processus d'activation, le serveur réseau et le nœud final doivent chacun générer les mêmes clés de session à partir des informations échangées sur l'appareil, des valeurs nonce et de la ou des clés secrètes partagées. Ces clés de session sont utilisées uniquement pour la session en cours du nœud final. Comme elles sont régénérées lors de chaque procédure d'association ultérieure, leur perte ou leur vol est moins critique que celui des clés racine. Il convient de préciser que l'ajout d'un nœud relais ne compromet en aucun cas la sécurité du réseau LoRaWAN et ne doit donc pas susciter d'inquiétude.

Comment fonctionne la fonction de relais LoRaWAN ?

Le mode relais est une nouvelle fonctionnalité LoRaWAN qui permet à une passerelle de recevoir des données d'un appareil trop éloigné pour être transmises sans relais. Afin d'étendre la couverture réseau, LoRaWAN peut utiliser ce mode relais, simple à mettre en œuvre et peu coûteux. Les relais LoRaWAN utilisent les messages de liaison montante et descendante LoRaWAN pour transférer les données. Dès réception du message de liaison montante de l'appareil, le mécanisme de relais l'enrichit d'informations supplémentaires et l'envoie à la passerelle. Celle-ci transmet ensuite ce message au serveur réseau, qui l'identifie comme un message relayé. Idéalement, un module relais bien positionné, robuste et résistant aux interférences permet une communication bidirectionnelle avec les appareils situés hors de portée du réseau d'origine.

Pour utiliser la nouvelle fonctionnalité de relais, les appareils LoRaWAN doivent prendre en charge la communication de classe A. Il s'agit d'une communication sans fil bidirectionnelle et asynchrone, permettant à chaque transmission montante de se produire à tout moment, suivie de fenêtres de transmission descendante. La communication de classe A est également utilisée pour l'envoi et la réception de commandes de contrôle du réseau. Elle permet à un terminal LoRaWAN de passer en mode veille basse consommation pendant la durée spécifiée par l'application.

La norme LoRaWAN actuelle, basée sur la norme de couche liaison LoRaWAN, comprend des terminaux et des passerelles. Alors que la spécification réseau LoRa existante n'autorise qu'un seul saut entre les terminaux et les passerelles, l'approche à deux sauts offerte par un module relais présente l'avantage d'améliorer considérablement la zone de couverture. Comme nous l'avons déjà mentionné, un module relais alimenté par batterie est extrêmement économique et capable de transférer les trames LoRaWAN pour atteindre la couverture requise.

Quels problèmes la nouvelle fonctionnalité de relais va-t-elle résoudre ?

L'ajout d'une fonction de relais au réseau IoT permettra d'étendre considérablement la couverture réseau dans de nombreux secteurs clés. Si vous possédez un réseau d'objets connectés et souhaitez une excellente couverture, vous devriez inclure soit une passerelle vers un nœud LoRaWAN, soit une fonction de relais. Demain, vous constaterez que les exigences en matière de couverture réseau ont évolué. C'est pourquoi, pour assurer la pérennité de votre activité technologique, il est essentiel d'intégrer cet élément fondamental à votre connectivité Internet.

La fonctionnalité de relais présente un avantage considérable pour les appareils distants nécessitant une couverture souterraine extrêmement difficile ou une couverture intérieure dense. L'extension de la couverture réseau est essentielle pour les compteurs situés dans des armoires métalliques, les environnements très difficiles (virages, alarmes incendie, feux de forêt, inondations, avalanches, mouvements de terrain) et autres situations similaires exigeant une couverture réseau intérieure robuste et étendue. Dans les villes intelligentes et les zones reculées, les contraintes environnementales peuvent limiter les performances des appareils, faute de couverture réseau complète. L'activation de la fonctionnalité de relais dès demain permettra un déploiement massif de l'Internet des objets (IoT). Grâce aux relais, les communications longue portée seront possibles même dans des environnements souterrains, en béton ou métalliques extrêmement difficiles.

Pourquoi est-il préférable d'utiliser des relais LoRaWAN plutôt que des passerelles supplémentaires ?

Vous pouvez vous poser cette question, et elle est tout à fait justifiée. Vous pourriez penser qu'ajouter une passerelle supplémentaire au système serait plus simple et plus efficace que d'utiliser un relais. Cependant, lorsqu'il s'agit d'étendre la couverture réseau, le choix entre passerelle et relais n'est pas une option. Ajouter une passerelle pour atteindre la couverture souhaitée impliquerait des efforts supplémentaires pour répondre aux besoins en alimentation et en liaison de collecte, et engendrerait des coûts plus élevés. À l'inverse, un nœud relais permet d'obtenir la même couverture plus facilement grâce à l'alimentation par batteries et à la connexion LoRaWAN.

Réduction des coûts

La fonctionnalité de relais LoRaWAN est moins coûteuse que les passerelles IoT traditionnelles, plus facile à intégrer et bien plus efficace pour étendre la couverture réseau. En plus d'être une solution économique, ce mode de fonctionnement est idéal pour les entreprises disposant déjà d'une architecture IoT et connaissant ses limites physiques. Par ailleurs, un programme de certification LoRaWAN robuste, associé à un mécanisme de relais intégré, permet aux entreprises de réduire le nombre de passerelles nécessaires, un facteur clé pour réaliser des économies.

Les points de relais créent une méthode de communication multi-sauts qui améliore la couverture LoRaWAN dans les environnements très difficiles où les passerelles ne peuvent pas recevoir elles-mêmes les signaux des capteurs, garantissant ainsi des communications longue portée. Les membres de la LoRa Alliance ont constaté que l'ajout de la spécification de relais présente plusieurs avantages, notamment un faible coût et une portée accrue. C'est également un excellent choix pour le secteur des services publics, car les capteurs de comptage nécessitent une couverture souterraine, ce qui représente une énorme opportunité de marché pour les dispositifs de relais alimentés par batterie.

Couverture réseau complète

L'extension de la couverture d'un réseau relais peut considérablement accroître la portée de communication. L'ajout d'un module relais simplifie également le déploiement des réseaux LoRaWAN et facilite le déploiement massif de l'Internet des objets (IoT) dans les villes intelligentes et les zones reculées. L'avantage du mode relais par rapport aux réseaux maillés réside dans le nombre réduit de nœuds nécessaires.

La nouvelle fonctionnalité de relais a tout pour devenir un élément clé des réseaux LoRa. Elle permet d'améliorer les performances des capteurs et de résoudre les problèmes de couverture insuffisante. Un module relais garantit une communication de bout en bout fluide pour les compteurs d'eau situés dans des armoires métalliques, les dispositifs de stationnement souterrain et les objets connectés extérieurs sensibles aux conditions climatiques extrêmes. Les relais utilisent les informations d'une passerelle pour déterminer le moment opportun pour transmettre les données au terminal et pour acheminer les trames LoRaWAN. Cette technologie est conçue pour être compatible avec la plupart des applications standard LoRaWAN et devrait donc s'imposer dans la plupart des secteurs clés.

En quoi les passerelles sont-elles supérieures aux nœuds relais ?

Il est important d'envisager l'ajout de passerelles supplémentaires pour une surveillance optimale. Les passerelles offrent une capacité supérieure, de meilleures performances et une consommation d'énergie moindre que la nouvelle fonctionnalité de relais.

Capacité plus élevée

La capacité du réseau dépend de la densité des passerelles. Pour maximiser la capacité du réseau tout en préservant l'autonomie des batteries des nœuds finaux LoRa, Passerelles LoRaWAN Un mécanisme de débit de données adaptatif est utilisé. Ce mécanisme envoie les paquets au débit le plus faible lorsque les capteurs sont les plus proches de la passerelle, et au débit le plus élevé lorsqu'ils sont plus éloignés. Ainsi, les passerelles et les appareils fonctionnent à pleine capacité dans cette configuration.

Consommation d'énergie inférieure

La faible consommation d'énergie est une exigence essentielle pour un module LoRa. Plusieurs facteurs influencent cette consommation, comme le mode de fonctionnement et la durée d'activité de l'appareil. En général, les modes actifs consomment plus d'énergie que les modes veille. Il est donc nécessaire de prendre en compte ces deux facteurs pour calculer la consommation d'énergie d'un module LoRa. Appareil LoRaWAN.

Les réseaux LoRaWAN sont toujours configurés en topologie en étoile, où les passerelles servent de relais entre les dispositifs finaux et envoient les messages au serveur réseau. En ajoutant une passerelle supplémentaire au lieu du mode relais, vous optimiserez le débit de données transférées et minimiserez la consommation d'énergie. Le mode basse consommation des passerelles permet aux dispositifs finaux de passer en mode veille. De plus, ce mode peut être maintenu aussi longtemps que nécessaire pour l'application.

Les terminaux LoRaWAN doivent être des systèmes basse consommation. Il est essentiel d'éviter l'ajout excessif de fonctionnalités, qui entraîne une surconsommation d'énergie. La fréquence d'horloge et la taille de la mémoire doivent également être réduites, car ces facteurs influent sur la consommation des terminaux LoRaWAN. L'ajout d'une passerelle supplémentaire ne représente qu'un coût minime, les dépenses énergétiques étant extrêmement faibles.

Meilleures performances

Les passerelles sont bien plus performantes que les nœuds relais grâce à leur matériel robuste, leurs capacités d'émission et de réception, et leurs filtres RF. Elles peuvent ainsi gérer un plus grand nombre d'appareils et garantir de meilleures performances pour l'ensemble de votre système intelligent.

Quels sont les points importants à prendre en compte concernant la fonction relais ?

À première vue, le mode relais semble être la solution idéale à tous les problèmes du marché de l'IoT. Cependant, il convient de rester objectif et d'analyser la question avec un esprit critique, sans se laisser influencer par une campagne promotionnelle. Tout d'abord, pour étendre la couverture grâce aux relais, les entreprises devront intégrer de nouveaux appareils dotés d'un firmware compatible. Si cela ne pose pas de problème pour les petites entreprises, pour les multinationales ou les villes intelligentes, l'acquisition d'un grand nombre de nouveaux appareils uniquement pour utiliser le mode relais peut s'avérer excessivement coûteuse et déraisonnable.

Un autre point majeur d'inquiétude concerne la réduction de l'autonomie de la batterie. Les appareils finaux, fonctionnant grâce à la fonction relais, devraient voir leur autonomie réduite de moitié, voire des deux quarts, par rapport à un appareil classique de classe A. Cette réduction est due aux processus supplémentaires induits par le fonctionnement en mode relais. Par exemple, l'appareil devra envoyer un signal WakeOnRadio énergivore pour activer le relais, ce qui devrait représenter la plus forte augmentation de la consommation d'énergie. Bien entendu, nous ne pouvons l'affirmer avec certitude avant les tests en conditions réelles, mais ces estimations sont plausibles et doivent être prises en compte.

Il est important de noter que, même si un relais permet d'étendre la couverture et est bien moins coûteux qu'une passerelle supplémentaire, il consomme toujours de la capacité réseau. Les passerelles offrent une solution plus stable et plus performante. Le choix de cette nouvelle fonctionnalité de relais dépend donc principalement de vos objectifs.

Comment TEKTELIC compte-t-il aborder la nouvelle fonctionnalité de relais ?

TEKTELIC est leader sur le marché LoRaWAN grâce à son vaste portefeuille de passerelles, d'appareils, de capteurs et de solutions de qualité opérateur. Nous cherchons constamment à apporter une valeur ajoutée à nos clients et à l'écosystème LoRaWAN dans son ensemble. À l'écoute de nos clients, nous comprenons leurs problématiques. Nous sommes convaincus que le mode relais permettra de résoudre plusieurs problèmes rencontrés par nos clients actuels et de réduire le coût total de possession (TCO) pour l'opérateur. Nous contribuons à son développement et à son intégration dans la norme LoRaWAN et avons décidé de vous en faire part et de nous engager dans cette voie. Nous connaissons de nombreuses applications où le mode relais facilitera la surveillance des infrastructures fixes dans les villes intelligentes, le secteur des services publics, les parkings, etc. Membre sponsor de l'association LoRaWAN, TEKTELIC compte aujourd'hui plus de 450 clients, est un acteur majeur de l'adoption massive de l'IoT et est persuadé que cette fonctionnalité sera utilisée par nombre de ses clients actuels et futurs. Soucieux d'objectivité, nous vous présentons ici tous les avantages et les inconvénients.

Principaux plats à emporter

Appareils LoRa Les dispositifs LoRa offrent de nombreuses fonctionnalités intéressantes pour les applications IoT. Conçus pour une faible consommation, ils peuvent être déployés sur les réseaux publics et privés. Ils s'intègrent également facilement aux infrastructures existantes. Le nouveau mode relais, quant à lui, représente une véritable révolution dans les environnements complexes. Un nœud alimenté par batterie résoudra le problème du transport des paquets LoRaWAN depuis… porte vers les dispositifs et capteurs LoRaWAN à travers des murs épais, des plaques métalliques au sol, des parkings souterrains, des cadres métalliques et d'autres environnements difficiles d'accès.

Actuellement, tous les membres sponsors et contributeurs de l'Alliance LoRa, dont TEKTELIC, collaborent étroitement pour finaliser les spécifications du module relais afin que les entreprises puissent le fabriquer, le tester et le proposer à leurs clients. Pendant que notre équipe R&D travaille sur le relais proprement dit, notre objectif est de vous présenter ici de manière claire et simple cette nouvelle fonctionnalité et ses avantages.

Nous constatons toujours la liste des défis qu'il pourrait être important d'aborder, tels que :

• Compatibilité des relais avec les appareils actuels et nécessité d'en acheter de nouveaux prenant en charge un firmware compatible avec les relais ;
• Autonomie de batterie réduite prévue pour les appareils finaux (½ à ¼ de l'autonomie de la batterie par rapport aux appareils de classe A actuels) ;
• Augmentation de la consommation de capacité du réseau ;
• Incapacité à construire un réseau MESH ; (son objectif est plutôt d'étendre significativement la couverture de l'architecture en étoile sur laquelle LoRaWAN est basé).

Il est difficile de dire pour l'instant quelle sera l'efficacité de ce mode relais, mais lorsque nous aurons une vue d'ensemble des avantages et des inconvénients potentiels, la prise de décision sera beaucoup plus facile.

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