introduction aux réseaux lpwa - disk91.coml’objet émet son message 1 fois sur 1 de ses canaux...

IntroductionauxréseauxLPWA

NécessaireconnectivitésansfilLeplusindépendantpossibledel’infrastructuredomestiqueouindustrielle,

Autonomied’alimentationSurladuréedevieduproduitautantquepossible

PérennitédessolutionsLaencoresurladuréedevieduproduit

IndépendancegéographiqueSedoitdefonctionnern’importeoùsansimpacterlafabricationoulasupply.

ConnecterdesobjetsLe M2M est connu depuis bientôt 20 ans pour descommunications Machine à Machine, entre autre dansl’industrie. L’Internet des objets ne semble pas unenouveauté et pourtant, si une machine est un objet, unobjet n’est pas forcement une machine :

Deuxenjeuxmajeurs

Ces réseaux répondent ainsi aux besoins d’autonomie des objetsmais impliquent des conditions d’usage spécifiques :• Une communication bas débit (pas d’image/son)• Des limitations dans la fréquence d’émission• Accepter/manager la perte de messages

Uneconsommationd’énergietrèsfaibleDessolutionspermettantuncoutdecommunicationmoyenbieninférieurà1mAhavecdespicdeconsode40mA. Facteur10vsduwifiou3G

UnecommunicationtrèslongueportéeCouvreplusieursdizainesdeKMquandunréseauGSMestdel’ordrede1à2km.Offreunecouverturelargepourunfaiblecoûtderéseau.

LoRaWanTechnologiedeSemtech,surlaquelleestbâtiparunconsortiumunenormedecommunicationréseau.OpéréepardesOrange,Bouygues…ouprivés.

SigFoxTechnologieetopérateurtélécommondial.Opérationneldepuis3ans.

DeuxgrandestechnologiesS’affrontent sur ce marché, toutes les deux d’origineFrançaise mais développée avec des fonds étrangers.

2technologiesFrançaises

- NéeaTOULOUSEen2009- RéseauxFRdéployéfin2013- Levéesdefond

- 15Men2014- 100Men2015- 150Men2016

- SolutionHw delapartdetouslesgrandsfondeurs

- 32Paysdéployésetvuscommeunseulréseau

- NéeàGRENOBLEen2009- Acheté5M$parSemtech en2012

- 1 fondeurdechip+1souslicence- LoRaWan 1.0released en2015- Déployéparlesopérateurstélécomslocaux

- 5paysdéployésconnus- Déployable atitreprivé

- 1réseaumondialouvert(TTN)

UnmodenonconnectéContrairement aux réseaux classiques les LPWAN utilisent desmode non-connectés qui permettent d’économiser beaucoupd’énergie et résistent au parasitages.Il n’y a pas de contrôle d’accès au réseau, mais celui-ci étantcentralisé, il y a un tri à l’entrée selon les autorisations.

UnespaceradiopartagéLes fréquences de communication sont publique, libre d’usagemais toutefois réglementées pour permettre à chacun de pouvoirles utiliser. La notion de coefficient d’utilisation limite horaire(aussi appelé duty cycle) vient restreindre le temps de parole dechaque objet, dans la majeure partie des cas à 1%.

865Mhz-870HzLégislationFrançaise(etEuropéenne)surlabandeditedes868MHz

Larèglementationestrégiepardifférentstextes,auniveauEuropéenl’ERC-REC-70-03EetenFranceparladécisiondel’ARCEP2012-0612et2014-1263publiéeauJORFle30/01/2015.

Lecoefficientd’utilisationlimiteestdéfinitcommeétantlerapportdetemps,sur1heure,durantlequelundispositifémeteffectivementdanslabandedefréquenceconcernée.

1%25mW

1%25mW 10mW

1%25mW

0.1%25mW

10%500mW

Canauxuplink Canauxdownlink

868.0Mhz-868.6HzLescanauxSigfox etLoRaWan

Sigfox utilise200KHzdebandepassantedanslaquelleilutilise200canauxde100Hzchacun.

LoRaWan utilisedanscettebandedefréquence3canauxde125KHzchacun

CanalStdLoRaWan

CanalStdLoRaWan

CanalStdLoRaWan

2approchesdifférentespour1mêmeobjectifEtreentendusurdetrèslonguesdistancesmalgrélebruitambiant

SigFox – UltraNarow BandEmettreunsignalsurunebandedefréquencelaplusfinepossiblepourainsimaximiserlapuissanceenunpointetpasseraudessusdubruit.

LoRa – Etalementdespectre

Emettreunmêmesignalsurplusieursfréquencespour« contourner »lesbruits

Unusagetrèsdifférent duspectre radio

LoRa

ArchitectureLoRaWANLesobjetscommuniquentversdesGatewayLoRaWAN,plusieursgateway peuventcapterlesmessagesémisparlesobjets.

ChaqueGatewayremontentunmessageenrichiversunCloudopérateurquigèrentlesobjets,lestockagedesmessagesetcommunicationaveclesapplicationmétiers.

LeCloudopérateurpousseensuitelesmessagesbrutsversl’applicationmétier:callbackHTTP/Ssouslaformed’unerequêtedetypePUSHouGET.

CetteinterfaceCloud<>Applicationmétierestspécifiqueàchaqueopérateur,chaquetechnologie.

CommunicationsurbandeslibresUtilise868MHzenEurope/902auxUSA/433enAsie

Basseconsommation/LonguedistanceEmissionnormaliséeà+14dBpourunecouverturede10à15km

Basdébitbi-directionnelTransmissionentre250et5,4KBpssurunebandepassantede125KHzselonlefacteurd’étalementdespectre(selonlaredondanced’information).11Kbpspour250KHz.

TailledespaquetsvariableEntre51et222octetsselonlesdébitschoisis.

Applicationduduty cycleLepartagedelabandedefréquencelibrelimitel’émissionà1%dutempsmaximumpourtous.

Duty cycleappliquéentrechaqueémissionChaqueémissionconduitàunblocagedel’émetteurles99%detempsrestant.

LoRa – UnecommunicationpointàpointInventéeenFrancemaisrachetéparSemTech /solutiondecommunicationpropriétaire.

LoRaWan - unesurcoucheréseau

Normalisedesfréquencesd’utilisationetméthodesd’attachement3canauxcommuns:868.1/868.3/868.5largeur125KHzCommandeJOINpourenregistrerundevicesurleréseauDeuxmodesd’identifications:- OTAA(OverTheAirActivation)- ABP(ActivationByPersonalization)

Surcouchelogicielle,normaliséeparlaLoRa-Aliance permettantdefairecohabiterdesréseauxd’objetspubliquesetprivésmultiples.Lanormeestimplémentéedanslesmodules,ouàimplémentersoi-mêmedansdeschipssemtech

GèrelaconfidentialitédeséchangesRenduenécessaireparlemixdereseauxpublicsetprivéutilisantlesmêmes fréquences.Utilise2niveauxdeclésdesession:NetworketApplicationkeydérivéesd’uneuniquecléstatique.Uneprotectionsommetoutefaiblecontrel’usurpationd’identité

Communicationbidirectionnelle

Lepremiersurlamêmefrequencemaissondébitpeutêtredifférent.Ilsefaitimmédiatementaprèsl’émissionetdure1secondepardéfautilnepeutêtreimmédiatementréactifàl’émissionsaufpourunsimpleACK

Aprèsuneémissionsuiventdeuxslotderéceptionspossibles

Lesecondsurunefréquencedifférente869.525Mhzpermettantuneémissionà27dBIlimmédiataprèsl’émissionetdure2secondespardéfaut.

Undownlinkdoitêtreacquittéparledevice etplusieursdownlink peuventainsis’enchainer.

LoRaWan – 3classesdecommunicationClasseA:émissionetréceptiondedonnéesàlasuited’uneémissionL’objetémetsonmessage1foissur1desescanauxlibres(nonbusy)avecousansACK.

Silemessagedoitêtreacquittéalorsundownlink estpossible.

LecanalestensuiteBUSYles99%detempsrestant,l’émissionrestepossiblesurlescanauxnonBUSY.

ClasseB:réceptionplanifiéePermetdemettreàjourunobjetàunefréquencedéterminée– rarementemployéeD’économiserdel’énergietoutenmaximisantlaréactivitéd’unobjet

ClasseC:réceptioncontinuePourlesobjetsconnectéàunesourced’énergie

Tempsetfréquencedecommunication

Tempsd’émissiond’unmessagede10Octets

250bps1,4s

5,4Kbps56ms

Fréquenced’émissiond’unmessagede10octets

6messagesémisà250bpsen15minutestoutesles2’18’’

162messagesémisà5,4Kbpsbpsen15minutestoutesles5’’54

Scallabilité LoRaWANPlusieurs facteurs limitants:- Pas de gestion de collision- Partage de 3 canaux par tous les objets et tous les

réseaux public ou privés- Scallabilité limité au-delà de 1000 objets dans une

même zone.

ForcesetfaiblessedeLoRaWAN

Forces Faiblesses

- Lapromessed’unesolutiondegéolocalisationpréciseàquelquesmètressansGPS.

- Possibilitédecréerunréseauprivéàtrèsfaiblecoûtpourunusagelocalisé.

- Supportetrèsbienl’usageenmouvementycomprisàhautevitesse

- Unefréquencedecommunicationélevéepourdubasdébit/unefréquencedecommunicationforte.

- Gestiondecanauxdecommunicationnoncommuncomplexeenmobilité.

- Roaming oumulti-opérateursàl’internationalnonnormalisésetpotentiellementcomplexeàgérerdufaitd’uneintégrationdifférenteavecchaqueopérateur.

- Maturitédesréseauxpublictrèsfaibleauniveaumondialàcejour.Peud’offres.

- Complexitédedéveloppementd’unfirmware robusteassezimportante.

Cas d’usage

Application« flottesurbaines »Offrirunserviceconnectéàuneflottedebusentempsréel

Application« parking »Collecterdesdonnéeslorsdel’arrivéeoul’approched’unparkingdontlataillepeutêtrelarge.

ApplicationsindustriellesettertiairesCouvriravecuneinfrastructuretrèsfaiblelatotalitéd’unsiteindustrielàéquiperdecapteursmobilesoufixes

UsagesprivésLoRaWan offre la possiblité de couvrir degrandes surfaces à moindre coût au sein d’unréseau privé. En fond la couverture deClermont avec une seule antenne positionnéeen hauteur – emission à 5,4Kbps.Investissement matériel : 1400€

AgricultureRelèvesd’informationenpleinchamps,suruncheptel,suivietusagedevéhicules…

MinesCaptured’usages,suividevéhicules,contrôledesconditionsderoulage…

UsagesprivésDes usages particulièrement intéressant pour dessecteurs d’activité mal couverts en terme deréseaux où les capteurs utiles doivent être loin detout.Milieux agricoles et miniers sont deuxenvironnent propices à l’innovation grâce à cestechnologies.Ici en fond une carte de couverture sur uneexploitation agricole couverte par 1 antenne surun bâtiment.

Couverturede32villesàcejourParis,Lyon…..Clermont-Ferrand

CibleFranceàfind’année

Abonnementàl’objetCalquésurlemodèledeSigfox avecdestarifsde1à12€/device /anselonquantitéetusage.

UsagespublicLoRaWan est accessible via des opérateurspublic (Orange et Bouygues). Seul le secondprétend à une couverture digne à ce jour.

Objenious propose :

ApplicationsServiceauxflottesnationalesTracking,assistance,optimisationdefretouconso…

ServiceauxdistributeursOutilsmarketingdéployéschezlesdistributeurs,sanscoûtd’installationnimaintenance

/!\ Danscesuse-casetoujoursévaluerSigfox vsLoRa

Réseaupublicétenduparsesutilisateurs

Vendssespropresgateway low-costProposeuneGatewayà300€pourlecontributeurindividuelsmaisfonctionneavecleGWprodontKerlink avecunpacket forwarder specifique.

UsagesinternationauxActuellement aucun opérateur télécom deniveau mondial ne s’est déclaré et le marchédes opérateurs telecom va rendre cecicompliqué. La norme de Roaming n’est pasclaire

Toutefois, une initiative OpenSource est en trainde naitre au travers de TheThingNetwork

Extensiblelàoùonenabesoinsansavoiràgérerlebackendopérateur

UsagesinternationauxAujourd’hui un réseau massivement urbain,composé d’antenne mal positionnées offrantune couverture faible.Un réseau qui ne demande qu’à être étendugrâce aux gateway low cost financées au traversde projets KickStarter.Ce qui peut conduire à des densités de gatewayimportantes permettant une couverturegénérale suffisante.

Coeurderéseau

UncœurderéseaugratuitOffreàchacunlapossibilitéd’ajoutersesproprespériphériquesetleurpermetdecommuniquerpartoutdanslemondelàoùleréseauestdisponible.

Ilsimplifielagestiondesobjetsetletraitement/stockagedeleurdonnées

Undevice basésurArduinoTheThing Uno estunesolutionpourprototyperrapidemment surLoRaWanavecuneboard Arduino etun

composantLoRaWan MicrochipRN2483(50€)

TheThings UNOcodeexemple#include <TheThingsNetwork.h>#include <Wire.h>#define loraSerial Serial1const char*appEui ="70B3D57EFXXXXXX";const char*appKey ="6484D4207099A8FB2XXXXXXXXXX";

#define freqPlan TTN_FP_EU868TheThingsNetwork ttn(loraSerial,debugSerial,freqPlan);

void setup(){loraSerial.begin(57600);ttn.join(appEui,appKey,2,1000);}void loop(){static bytedata[10]={0x01,0x02,0x03,0x04,0x05,

0x06,0x07,0x08,0x09,0x0A};ttn.sendBytes(data,sizeof(data));delay(30000);

}

Décodagedesdonnéesdanslecœurderéseau

Transfertdeladonnéeverslebackend applicatif

Sigfox

CommunicationsurbandeslibresUtilise868MHzenEurope/902auxUSA/920pourAdS /433enAsie

Basseconsommation/LonguedistanceEmissionnormaliséeà+14dBpourunecouverturede40-60km– recordà981kmCouverturedelaFranceavec1000antennesvs4000LoRaWan vs15000GSM

Basdébitbi-directionnelTransmissionfixeà100b/sTransmissiondescendanteenréponseàuneémission.Limitéà4xjoursgarantiset8octets.

TailledespaquetsfixeMaximumde12octetsparmessages.Autrestaillespossibles:4ou8octets

Applicationduduty cycleLepartagedelabandedefréquencelibrelimitel’émissionà1%dutempsmaximumpourtous.Soit140messagesparjour.

ApplicationduDuty-Cyclesouslaresponsabilitédudeveloppeur.Possibilitéd’émettre2messagesimmédiatementl’underrièrel’autre.

SigFox – SimpleetefficaceInventéeenFrancefinancéparIntel/Samsung…

Sigfox – Bienplusqu’unetechnologie

Sigfox estdéployédéjàlargementdanslemonde- Présencedans32pays- 2,3MKM2couverts- 589Mdepersonnescouvertes

Sigfox estopérateurdetélécommunicationavecunpositionnementmonde.Unobjetsigfox peutémettreden’importeoùdanslemondesansconditionsdeRoaming

Unaccentmissurlasimplicitéd’usageTouslesparamètresréseauxsontfigés,pasdeprocéduredejoin....Ledéveloppementestsimplifiéetletempsdepriseenmaindelatechnologiesefaitenquelquesheures.

X2en18mois

Sigfox – Sécurité- fiabilité

ProtectiondesdonnéestransmisesLesdonnéesSigfoxsonttransmisestelles-qu’elles.Ilrestepossiblededevelopperunecouchedesécuritéauniveaudel’applicationéquivalenteàcequenousavonsvusurLoRaWan

Protectioncontrel’usurpationLesmessagessontsignés,indexésetattendussurdesfréquenceschangeantesselonunalgorithmeprotégépours’assurerquel’identitéd’unobjetnepuisseêre usurpée

ProtectioncontrelebrouillageSigfoxnedemandantaucuneréceptiondedonnéescotésensorpourfonctionnerilestpratiquementimpossibled’empêcheruneemissiondontlapuissanceestconcentréesurunefréquencetrèspréciseetnonanticipable.

FiabilitédestransmissionsChaquemessageestémis3foissur3fréquencesdifférentesetcaptéparplusieursantenne.Délivrabilitéde99,9xxx%dansleszonescouvertes.

Scallabilité SigFoxTrès forte scallabilité :200KHz de bande passante utilisée pour des canaux de100Hz soit 2000 canaux disponibles pour fairecommuniquer des objets moins de 1% du temps.

CouverturemondialeLe réseau est en cours de déploiementdepuis 4 ans. La couverture Europe permetdes applications mobiles allant du nord despays-bas jusqu’au sud de l’Espagne.De grandes zone américaines sont en coursde déploiement pour 2016.Les réseaux sont déployés en propre(France, USA…) ou au travers d’opérateurslocaux (UK, Espagne…)

Ø 32 Pays couvertsØ 589M de personnes

ForcesetfaiblessedeSigfox

Forces Faiblesses

- Technologiesimple/rapided’accès- CouvertureexistanteauniveauEuropéen- AbsencedeproblématiquedeRoaming au

seind’unemêmezone- Largedechoixdecomposants/module/

eco-système largeetcroissant- Dynamismedel’entrepriseetdeces

membres- Possibilitéd’étendreleréseaupublicdansun

parcprivé.- Fiabilitédestransmissions

- Pasdedéploiement100%privépossible–doncmodèledecoûtcontraintàl’objet

- Fréquencedesmessageslimitésà1par10minutesenmoyenneet12octetsmaximum

- Capacitéd’cquittementdemessageslimitéa4parjour.

- Pertedenombreuxpaquetsendéplacement

Unlargeécosystèmedekitsdedéveloppementhttps://partners.sigfox.comhttps://makers.sigfox.com

UnaccompagnementfortdeSigfox adestinationdesmakers etdesstartups.

TheSmartEverything exemple#include <Arduino.h>void setup(){SerialUSB.begin(9600);delay(200);SigFox.begin(19200); //defaultbaudrate tobe useSigFox.print("+++"); //setthemoduleincommandmodedelay(500);SigFox.print("AT$SF=010203\r");//send thesigfox message

}

void loop(){if(SigFox.available()>0){ //just print what modemSerialB.write(SigFox.read());//send back...OK

}}

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