La couche physique (PHY) assure la transmission et la réception des données par voie hertzienne. Son schéma de modulation détermine la transmission des bits d'information bruts sous forme de signaux électromagnétiques et leur reconversion en signaux en bande de base à la réception. La portée d'une liaison de communication radio dépend de la puissance d'émission, de la sensibilité du récepteur et de la fréquence de communication. La sensibilité du récepteur est déterminée par sa bande passante (B), son facteur de bruit (NF) et le rapport signal sur bruit (SNR) minimal du démodulateur, qui dépend du schéma de modulation.
Le choix de la bande de fréquence est limité, son utilisation étant réglementée par les autorités de la région où le système opère. Toutefois, les bandes de fréquences inférieures au GHz offrent généralement une portée supérieure à celle des bandes 2,4 GHz. La puissance d'émission est également soumise à des normes régionales, ce qui nous laisse la sensibilité du récepteur et le schéma de modulation comme les deux principaux paramètres sur lesquels nous pouvons intervenir. En général, le compromis s'opère entre le débit de données et la sensibilité : une plus grande portée de communication se fait au détriment d'un débit plus faible. (Il convient également de noter qu'une sensibilité accrue peut se traduire par une meilleure résistance aux interférences.)
Figure 1. La sensibilité du récepteur (en dB) dépend du bruit du récepteur (NF), de la bande passante du filtre (BW) et du rapport signal/bruit du démodulateur (SNR).
Modulation et démodulation.
Les schémas de modulation numérique dans les dispositifs à faible consommation d'énergie sont généralement simples et consomment peu d'énergie. C'est pourquoi les modulations OOK, FSK et leurs variantes, telles que MSK et GMSK, ont été historiquement utilisées dans les communications radio au sein des réseaux maillés [1].
La modulation par tout ou rien (OOK) encode les bits d'information sur une onde porteuse RF de manière rudimentaire : une valeur binaire de « 1 » représente l'onde porteuse « activée », et une valeur binaire de « 0 » représente l'onde porteuse « désactivée ». Cette modulation est facile à générer et à détecter, mais très vulnérable aux interférences et à de nombreux autres problèmes, et nécessite un rapport signal/bruit (SNR) du récepteur d'environ +16 dB pour un taux d'erreur binaire (BER) de 1 %. [2].
La modulation par déplacement de fréquence (FSK) convertit l'information numérique en modulation de fréquence du signal porteur en alternant entre deux fréquences distinctes, f1 et f2, représentant respectivement un bit « 1 » et un bit « 0 ». La FSK est facile à recevoir et offre une meilleure immunité aux interférences, mais nécessite un rapport signal/bruit (SNR) du démodulateur d'environ +9 dB pour un taux d'erreur binaire (TEB) de 1 %. [3].
Modulation LoRa (® )
Pour clarifier la différence entre LoRa et LoRaWAN : LoRa est une modulation de couche PHY et LoRaWAN est une architecture de réseau LPWAN de couche 2 basée sur le schéma de modulation LoRa.
La modulation LoRa utilise l'étalement de spectre par modulation de fréquence (CSS) combiné à une correction d'erreur directe pour répartir l'information à encoder sous forme de modulation de fréquence (variation progressive de la fréquence au fil du temps). De ce fait, elle est moins sensible au bruit, aux interférences à bande étroite et aux interférences de forte puissance par à-coups.
Alors que les modulations OOK et FSK codent des symboles mono-bit (« 1 » ou « 0 »), ce n'est pas le cas de la modulation LoRa. En effet, les symboles LoRa, qui représentent plusieurs bits, sont codés au sein d'un seul chirp. Par exemple, avec un facteur d'étalement (SF) de 7, un symbole unique représente 2⁷ = 128 valeurs possibles (7 bits par symbole). Chaque symbole est représenté par une position différente des fréquences de début et de fin au sein du chirp.
Figure 2. Visualisations des modulations OOK (à gauche), FSK (au centre) et LoRa (à droite).
Rapport signal/bruit (SNR) :
Pour décoder un signal modulé, un récepteur RF doit pouvoir distinguer le signal utile du bruit. Comme vu précédemment, les modulations OOK et FSK requièrent une puissance de signal nettement supérieure au bruit de fond du récepteur (respectivement 10 à 15 dB et 6 à 10 dB) : un SNR positif est donc nécessaire. En revanche, avec la modulation LoRa, la capacité du récepteur à corréler le chirp à spectre étalé reçu en dessous du bruit de fond permet la réception de signaux avec un SNR négatif, inférieur au bruit de fond de l’émetteur-récepteur. De plus, à débit de données égal, la réception avec un SNR négatif offre un gain de sensibilité de 8 à 9 dB par rapport à la modulation FSK. La capacité de LoRa à recevoir des signaux en dessous du bruit de fond est donnée par le facteur d’étalement.
Cette capacité permet aux systèmes LoRa d'offrir une liaison radio plus fiable en environnements perturbés et une portée supérieure à celle des modulations traditionnelles. Cette caractéristique est à la base de la technologie LoRaWAN LPWAN, où les réseaux sont organisés en étoile autour d'une passerelle. La haute sensibilité offre une portée comparable à celle de la téléphonie mobile avec une faible puissance d'émission, permettant ainsi une communication réseau sur plusieurs kilomètres.
génération
qui se distingue des réseaux maillés traditionnels, tels que ZigBee, BLE Mesh, Thread, Z-Wave, etc., par sa grande évolutivité, sa décentralisation complète et sa très faible consommation d'énergie pour tous les appareils du réseau.
Les réseaux maillés traditionnels reposent sur des appareils aux fonctions variées. Certains, à faible consommation et aux fonctionnalités limitées, ne fonctionnent efficacement que s'ils se trouvent à portée d'autres appareils plus performants (non basse consommation). Seuls les appareils alimentés par le secteur peuvent servir de routeurs, indispensables pour étendre la portée du réseau. Enfin, les réseaux maillés traditionnels dépendent d'un « maître » central qui gère le réseau.
NeoMesh utilise exclusivement des appareils complets, chacun pouvant faire office de routeur et étendre la portée du réseau en relayant les données vers d'autres appareils. Tous les appareils NeoMesh fonctionnent en mode synchronisé, ce qui leur permet de rester efficacement en veille lorsqu'aucune activité n'est requise. Grâce à cette fonctionnalité, tous les appareils du réseau peuvent fonctionner sur batterie pendant de nombreuses années.
Dans NeoMesh, le routage est assuré par le protocole propriétaire SpeedRouting, optimisé pour les grands réseaux maillés et capable de gérer des réseaux à topologie non statique, tels que les nœuds mobiles. De plus, SpeedRouting ne présente aucune limitation du nombre de sauts, ce qui le rend idéal pour les grands réseaux.
Le protocole NeoMesh n'est pas spécifiquement lié à une couche physique particulière. Lors de son lancement en 2014, NeoMesh fonctionnait dans la bande des 2,4 GHz avec une modulation FSK à 500 kbit/s. Par la suite, en 2015, les bandes inférieures à 1 GHz de 868 MHz (UE) et 915 MHz (États-Unis) ont été ajoutées, toujours avec une modulation FSK, mais à 250 kbit/s.
Bien que la version 2,4 GHz permette aux utilisateurs de NeoMesh de créer des produits utilisables dans le monde entier, ses performances en termes de portée et de résistance au bruit ne sont pas exceptionnelles. Les versions sub-GHz offrent une portée bien supérieure, notamment en intérieur ou sous terre.
Bien que les variantes de NeoMesh basées sur les fréquences FSK 2,4 GHz et sub-GHz aient permis aux utilisateurs de NeoMesh de créer de nombreuses solutions innovantes dans les bâtiments intelligents, l'agriculture intelligente, l'industrie, les transports et d'autres domaines, certaines applications nécessitent une plus grande portée entre les nœuds du maillage ou de meilleures performances dans les environnements bruyants.
NeoMesh et LoRa : le meilleur des deux mondes
L'association de NeoMesh et de LoRa offre la possibilité d'une plus grande portée entre les nœuds du réseau maillé et d'une meilleure immunité au bruit. Cependant, l'intégration de ces deux technologies innovantes ne se résume pas à un simple branchement.
Bien que LoRa offre les performances de liaison améliorées requises, son débit binaire au niveau de la couche RF est limité. Comme mentionné précédemment, NeoMesh fonctionne généralement à un débit de données minimal de 250 kbit/s. Ce débit élevé n'est pas destiné à transmettre de grandes quantités de données, mais plutôt à transmettre de petits paquets de données en un temps très court, ce qui permet à NeoMesh d'atteindre une consommation d'énergie ultra-faible. Par ailleurs, ce temps de transmission court permet à NeoMesh de respecter les réglementations européennes strictes relatives aux cycles d'utilisation dans la bande 868 MHz.
Selon la bande de fréquence et la version de l'émetteur-récepteur utilisées, le débit binaire LoRa est limité à 203 kbit/s (2,4 GHz, facteur d'étalement = 5, bande passante = 1 625 kHz). Bien que cette configuration d'émetteur-récepteur LoRa n'offre ni la plus grande portée ni le meilleur rapport signal/bruit, elle reste supérieure à celle de la modulation FSK, par exemple, à puissance d'émission égale.
Avec des configurations pour les longues portées, telles que SF=12, BW=125 kHz et un fonctionnement dans la bande 868 MHz, le débit binaire chute à 292 bits par seconde (et non kilobits !). Il va sans dire qu'avec un débit aussi faible, le temps de transmission pour une taille de données donnée sera considérablement augmenté, de même que la consommation électrique moyenne, ce qui rendra difficile le respect des limitations de cycle de service de l'UE.
Bien entendu, toutes les applications ne nécessitent pas une faible consommation d'énergie ; prenons l'exemple des compteurs électriques ou des contrôleurs d'éclairage public. Certaines applications n'exigent pas une longue portée mais bénéficieraient d'une meilleure immunité au bruit, comme les solutions pour bâtiments intelligents ou la surveillance des conteneurs maritimes, qui seraient des candidates idéales pour un déploiement sur la bande 2,4 GHz en raison de sa disponibilité mondiale. Ces applications profiteraient également d'une meilleure immunité au bruit car cette bande est souvent fortement utilisée par d'autres applications, telles que le Wi-Fi et le Bluetooth.
L'association de NeoMesh à la modulation LoRa améliore non seulement la portée et les performances d'une liaison NeoMesh standard, mais offre également une meilleure couverture en intérieur, en milieu souterrain et en profondeur, grâce à sa topologie de réseau multi-sauts, comparativement aux réseaux LPWAN. De plus, NeoMesh assure une communication bidirectionnelle améliorée et une connaissance de bout en bout du réseau. Enfin, sa fonction de transfert de fichiers permet la distribution des mises à jour de firmware à tous les appareils du réseau.
NeoMesh dans LoRa : désormais disponible
En novembre 2023, NeoCortec a présenté pour la première fois NeoMesh utilisant la modulation LoRa lors du Wireless Congress de Munich. Un an plus tard, au salon Electronica de Munich, NeoCortec et Embit (fabricant italien de modules sans fil) ont lancé le premier système de module NeoMesh utilisant LoRa. Basé sur l'émetteur-récepteur LoRa Connect™ SX1281 de Semtech, ce module était conçu pour la bande de fréquence 2,4 GHz. Environ quatre mois plus tard, en mars, au salon Embedded World de Nuremberg, NeoCortec et Embit ont lancé un module basé sur l'émetteur-récepteur LR1121 de Semtech. Ce module offre les fonctionnalités de réseau maillé NeoMesh dans diverses configurations. Il s'agit d'un module multibande compatible avec les bandes de fréquences ISM sub-GHz 2,4 GHz, 868 MHz et 915 MHz. De plus, le module peut être configuré pour une large gamme de paramètres de modulation LoRa, permettant à l'utilisateur d'optimiser la portée et les performances. Enfin, le module peut également être configuré pour utiliser la modulation (G)FSK si la portée et l'immunité au bruit offertes par LoRa ne sont pas nécessaires.
Outre les modules, NeoCortec ( http://www.neocortec.com ) propose également la pile de protocoles NeoMesh sous licence. Cette option est particulièrement intéressante pour les applications aux exigences spécifiques ou à fort volume de trafic.
[1] Exemples de réseaux maillés utilisant FSK et OOK -> https://en.wikipedia.org/wiki/Z-Wave
[2] https://www.researchgate.net/publication/324564954_Impact_of_Error_Control_Code_on_Characteristic_Distance_in_Wireless_Underground_Sensor_Networks
[3] https://ietresearch.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1049/iet-cds.2018.5458
Article fourni par NeoCortec – http://www.neocortec.com
