Les bandes de fréquences LoRa sont les bandes ISM non licenciées que LoRa utilise dans chaque région : 915 MHz (902–928 MHz) en Amérique du Nord, 868 MHz en Europe, 433 MHz dans une grande partie de l'Asie, et 470 MHz en Chine. Comme LoRa ne fonctionne que sur le spectre non licencié, les canaux autorisés, les cycles de service et les limites de puissance de transmission varient d'un pays à l'autre — et la bande sur laquelle vous déployez détermine quelle antenne, connecteur et câble LoRa vous devez utiliser. Ce guide explique chaque bande, la portée réelle à laquelle vous pouvez vous attendre, et comment choisir la bonne antenne LoRa pour une liaison IoT LoRaWAN fiable.

Bandes de fréquence LoRa par région

La bande de fréquences LoRa exacte que vous utilisez dépend des réglementations régionales du spectre. LoRa opère exclusivement dans  les bandes industrielles, scientifiques et médicales (ISM) non autorisées, mais les canaux autorisés, les cycles de service et la puissance maximale d'émission varient selon le pays et la région. Le tableau ci-dessous résume les bandes LoRa principales et leur application.  

Qu'est-ce que LoRa ?

LoRa (Long Range) est une technologie de modulation sans fil à faible puissance initialement développée en France et désormais détenue et sous licence par Semtech (États-Unis). Elle constitue la couche physique (PHY) de nombreux systèmes de réseaux à faible consommation (LPWAN) et est gouvernée par la LoRa Alliance, un consortium mondial de fournisseurs de technologies, d'opérateurs de réseau et de fabricants d'appareils.

LoRa est conçu pour supporter la communication longue portée avec une consommation d'énergie extrêmement faible, ce qui le rend bien adapté aux applications Internet des objets (IoT) et machine à machine (M2M). Il utilise la modulation Chirp Spread Spectrum (CSS) pour atteindre des budgets de liaison élevés et des performances robustes dans des environnements RF bruyants. Selon la bande passante et le facteur d'étalement sélectionnés, LoRa prend en charge des débits de données allant d'environ 0,3 kbps jusqu'à 50 kbps. Des débits binaires plus élevés sont obtenus en réduisant la portée et en augmentant la consommation d'énergie.

La bande des 915 MHz

915 MHz est la fréquence centrale de ce que l'on appelle la bande des 33 centimètres, qui tire son nom de la longueur d'onde à cette fréquence. Elle est également appelée bande des 900 MHz et s'étend de 902 MHz à 928 MHz. La bande de 915 MHz est désignée par l'Union internationale des télécommunications (UIT) comme une bande non autorisée industrielle, scientifique et médicale (ISM), ce qui signifie qu'elle peut être utilisée à travers l'Amérique du Nord pour le réseau LoRa avec un minimum de restrictions. Sa capacité à supporter efficacement les transmissions longue portée est avantageuse. D'autres usages notables de cette bande de fréquences incluent la radioamateur, comme discuté plus loin.

Pourquoi les antennes LoRa sont importantes

L'antenne 915 MHz utilisée pour le réseau LoRa supporte une connectivité longue portée comparable à des fréquences basses comme la bande 433 MHz (bien que les antennes 915 MHz aient un gain plus élevé). Aux États-Unis, l'utilisation de la bande 433 MHz est restreinte par la réglementation de la FCC, cette bande de fréquences plus élevée est donc la seule bande sub-gigahertz disponible pour supporter la connectivité LoRa.

La performance de l'antenne est souvent le facteur le plus critique déterminant la portée et la fiabilité de la LoRa dans le monde réel. Le gain de l'antenne, le diagramme de rayonnement, la qualité du plan de masse, la hauteur de montage et les pertes de câbles affectent tous directement le budget de liaison et la capacité du réseau. Choisir la bonne antenne — et un câble d'antenne à faible perte   avec le bon connecteur — est donc aussi important que de choisir le chipset LoRa lui-même.

Propagation du signal à 915 MHz

La ligne de vue est le principal moyen de transmission du signal, ce qui signifie que les antennes et répéteurs à 915 MHz sont souvent installés à une hauteur dépassant les obstacles comme les bâtiments ou les collines. Avec une puissance d'émission équivalente, le signal d'une antenne LoRa à 915 MHz peut parcourir environ 75 % de la distance d'une antenne à 433 MHz. La pénétration des bâtiments et des fenêtres est efficace, surtout comparée à des fréquences plus élevées comme 2,4 GHz.

Dans les déploiements réels, les plages typiques de LoRa à 915 MHz sont :

• 2 à 5 km dans des environnements urbains denses
• 5 à 15 km en banlieue ou en zone rurale
• 15+ km en vue ouverte

Caractéristiques clés de la connectivité LoRa

1. Bande passante et scalabilité fréquentielle
2. Faible puissance de sortie des émetteurs
3. Résistance aux interférences intrabande et hors bande
4. Résilience de la transmission du signal face à l'estompage et au décalage Doppler
5. Prise en charge de la connectivité longue portée
6. Capacité à supporter des réseaux à haute capacité
7. Capacité à prendre en charge la localisation via des nœuds en réseau

La technique de modulation utilisée est dérivée du Chirp Spread Spectrum (CSS). Cela consiste à augmenter la bande passante du signal transmis pour compenser la dégradation du rapport signal/bruit et à varier le débit de données pour améliorer la couverture ou le taux de consommation d'énergie selon les besoins. Cela rend également les transmissions résilientes contre le défilement multipath sans augmenter la puissance de transmission. Pour obtenir des performances à faible consommation et à large zone, le débit de données est le principal compromis. Les données sont décomposées et codées en plusieurs « chirps » qui sont transmis ou « diffusés » à des vitesses variables (en utilisant des variations de fréquence), selon la disponibilité du temps d'antenne. Le taux de chirp est appelé facteur de diffusion (SF). Ce débit binaire évolutif facilite l'utilisation la plus efficace du réseau. La correction d'erreur directe est également utilisée pour prévenir davantage les interférences.

Le protocole réseau LoRaWAN

Ce protocole réseau est développé pour LoRa et spécifie l'architecture système (point à multipoint), le contrôle (fréquences utilisées et débits de données) et la communication au sein des réseaux LoRa déployés. Les dispositifs individuels en réseau ne transmettent que lorsqu'ils ont des données à envoyer. Les données de l'émetteur sont relayées via plusieurs nœuds en amont vers le serveur central du réseau dans une topologie en étoile. Le réseau LoRa peut être limité en ce qu'il n'existe aucune disposition pour que les accusés de réception des données soient transmis aux nœuds en aval. La couverture peut aller jusqu'à 15 kilomètres (10 miles). Il existe trois classes de communication par nœud :

• La classe A impliqué la diffusion asynchrone des nœuds (chaque fois qu'ils en ont besoin). Lorsqu'ils n'ont pas de données, ils restent en sommeil.
• La classe B implique une communication centrale vers les nœuds via des messages balises diffusés à intervalles réguliers. Les nœuds récepteurs sont alimentés par batterie et peuvent donc écouter à intervalles programmés le signal transmis.
• La classe C est composé de nœuds « actifs » alimentés en continu qui peuvent recevoir des signaux à tout moment. Ce n'est pas une activité à faible consommation d'énergie et nécessite généralement une alimentation en courant alternatif.

Antennes IoT 915 MHz

LoRa est l'une des technologies clés qui devraient soutenir l'expansion continue de l'Internet des objets (IoT). Les appareils connectés à l'IoT utilisent souvent des réseaux à haut débit comme le WiFi ou le réseau cellulaire, mais LoRa offre une connectivité mieux adaptée aux systèmes basés sur des capteurs qui n'envoient que des paquets de données minuscules à intervalles irréguliers. LoRa permet également aux appareils IoT de fonctionner dans des lieux isolés où l'alimentation est inconstante et où il y a une dépendance aux batteries, qui peuvent durer jusqu'à 10 ans sur le terrain.

Pour intégrer la connectivité LoRa dans un appareil, un chipset conforme à la LoRa et sous licence Semtech est nécessaire. L'Alliance LoRa regroupe plus de 500 entreprises ayant développé des solutions avec interopérabilité LoRa et contribuant à son écosystème mondial sur un marché valant plusieurs milliards de dollars. De plus en plus, les puces compatibles LoRa sont intégrées dans une gamme d'appareils sans fil comme les ordinateurs portables et les appareils domestiques.

Les applications LoRa couvrent toute l'industrie mondiale, et le déploiement de cette technologie est si répandu qu'elle établit la norme pour la connectivité LPWAN et l'IoT/M2M, éclipsant les technologies concurrentes comme NB-IoT ou SigFox. Les secteurs avec des déploiements actifs de réseaux LoRa incluent :

• Surveillance écologique
• Agriculture
• Comptage des services publics
• Suivi des stocks
• Automobile

Alternatives à longue portée et à faible consommation d'énergie à LoRa

Antennes SigFox 915 MHz

Des antennes 915 MHz peuvent également être utilisées pour la connectivité SigFox, qui utilise la même fréquence que LoRa. SigFox est une technologie LPWAN qui utilise le modulation différentielle binaire à décalage de phase (DBPSK) et la clé à décalage de fréquence gaussienne (GFSK) pour la connectivité sub-gigahertz entre objets en réseau. Elle utilise une topologie étoile à un saut qui dépend fortement d'antennes 915 MHz de haute qualité pour un fonctionnement optimal. Elle a un débit de données de 100 bps avec une communication bidirectionnelle limitée et est déployée dans plus de 60 pays.

Autres applications utilisant la bande 915 MHz

La bande de 33 centimètres est également réservée à l'utilisation de la radioamateur, avec la réserve qu'il peut y avoir une vulnérabilité aux interférences provenant des dispositifs l'utilisant comme bande ISM. Une gamme d'activités amateurs comme la télévision amateur (ATV) et les communications radio comme les appels FM, CW et SSB utilisent divers équipements auto-construits ou modifiés. Les passionnés constatent que la propagation à cette fréquence est similaire à celle dans la bande de 70 centimètres. Des antennes externes de 915 MHz peuvent être utilisées avec des radios, des répéteurs et des amplificateurs.

Principaux types d'antennes LoRa 915 MHz

Les antennes pour le réseau LoRa existent en une variété de types avec des caractéristiques permettant une couverture et un fonctionnement efficaces d'un réseau LoRa. Ces antennes peuvent également être utilisées pour des applications à 915 MHz / 33 centimètres. Beaucoup sont équipées de connecteurs SMA, RP-SMA ou TNC, mais  le type de connecteur doit être soigneusement vérifié pour garantir leur compatibilité.

Antenne à fouet quart d'onde 915 MHz

Ces antennes possèdent un élément conducteur qui représente un quart de la longueur d'onde à 915 MHz. Certaines sont enfermées dans un boîtier moulé, mais les antennes fouet sont très flexibles et résistantes aux chocs. Certaines unités disposent d'un câble volant pour faciliter le montage.

Antenne Stub 915 MHz

Les antennes à stub sont essentiellement des antennes hélicoïdaux compressées en une unité compacte et portable, ce qui peut être avantageux dans certaines applications. Les antennes hélicoïdaux possèdent un élément rayonnant enroulé qui réduit la longueur de l'antenne, mais pas autant qu'une antenne à stub.

Antenne dipôle pivotante / articulée à 915 MHz

Les antennes articulées ou rotatives sont très réglables et se verrouillent généralement en position lorsque leur couverture optimale est atteinte. Leur flexibilité augmente également les options de montage potentielles. Beaucoup sont des antennes dipôles à demi-onde.

Antenne omnidirectionnelle 915 MHz

Les antennes omnidirectionnelles sont des antennes dipôles et peuvent être utilisées pour créer une couverture à 360 degrés en intérieur ou en extérieur. Elles ont tendance à avoir un gain inférieur à celui des antennes directionnelles car leur faisceau n'est pas focalisé. Cela signifie que la dépendance à une seule antenne omnidirectionnelle peut ne pas produire la couverture souhaitée, et une combinaison de types d'antennes sera nécessaire pour obtenir de meilleurs résultats. Les antennes omnidirectionnelles extérieures sont robustes avec un radôme étanche bien étanche et une gamme d'options de montage. Certains modèles sont des antennes de montage à travers les trous ; d'autres sont prémontés sur un support métallique avec câble de démarrage fourni.

Antenne directionnelle 915 MHz

Les antennes directionnelles concentrent leur puissance de transmission ou de réception dans une direction spécifique, ce qui les rend capables d'offrir des performances à gain élevé et à longue distance.

Antenne co-linéaire 915 MHz

Ces puissantes antennes omnidirectionnelles offrent une couverture extérieure étendue  . Elles devraient idéalement être montées en hauteur et sans obstruction pour une visibilité en ligne de visée. Elles sont généralement fabriquées à partir d'éléments à quart d'onde, demi-onde ou dipôles phasés pour offrir une couverture horizontale optimale, et sont logées dans un radôme protecteur en fibre de verre.

LoRa vs. SigFox, NB-IoT et 433 MHz

LoRa versus SigFox : SigFox est positionné davantage comme un opérateur réseau, tandis que LoRa fournit la technologie permettant aux entreprises de construire leurs propres réseaux.

• Les réseaux SigFox ont tendance à être plus simples que les réseaux LoRa.
• La couverture de SigFox est plus large que celle de LoRa.
• LoRa avec CSS utilise beaucoup plus de bande passante que SigFox.
• Le SigFox est conçu pour une transmission peu fréquente et offre une autonomie de batterie plus longue.
• Il n'a que très peu de communication bidirectionnelle entre les nœuds participants ; LoRa est légèrement plus sophistiqué.
• Les modules radio et chipsets SigFox sont moins chers que ceux de LoRa.
• SigFox est efficace lorsque les capteurs transmettent des données de façon rare.
• SigFox montre actuellement une meilleure efficacité pour prévenir les attaques « à ralenti » et « homme au milieu ».

LoRa contre NB-IoT :

1. L'Internet des objets à bande étroite (NB-IoT) est une technologie LTE sous licence  créée par le Third Generation Partnership Project (3GPP).
2. Elle utilise la technologie cellulaire pour ses réseaux.
3. LoRa utilise des bandes ISM non licenciées, tandis que NB-IoT utilise une portion licenciée du spectre.
4. NB-IoT est plus cher que LoRa.
5. LoRa utilise moins de bande passante.
6. LoRa a une meilleure autonomie.
7. LoRa a une latence plus faible.

NB-IoT bénéficie de mécanismes de sécurité de qualité cellulaire inhérents aux réseaux LTE licenciés. LoRaWAN, en revanche, implémente  un chiffrement AES-128 de bout en bout  à la fois au niveau réseau et applicatif, offrant une sécurité solide lorsqu'il est correctement déployé.

LoRa vs. LoRaWAN : LoRa fait référence à la technologie de radiomodulation, tandis que LoRaWAN est le protocole réseau qui définit la communication des appareils avec les passerelles et serveurs. LoRaWAN spécifie les classes d'appareils, les mécanismes de sécurité, les débits adaptatifs et l'architecture réseau. En pratique, la plupart des déploiements IoT basés sur LoRa utilisent le protocole LoRaWAN.

915 MHz contre 433 MHz : Les bandes de fréquences 915 MHz et 433 MHz sont toutes deux utilisées pour les réseaux à faible puissance et à large secteur. La bande 433 MHz est soumise aux restrictions de la FCC aux États-Unis, ce qui signifie que la bande 915 MHz est préférentiellement utilisée pour ce type de connectivité en Amérique du Nord. La bande 433 MHz peut être moins sujette aux interférences, car les téléphones sans fil et autres appareils utilisent la bande 915 MHz ainsi que le radio amateur. Leurs performances sont presque équivalentes, bien que la bande 915 MHz ait une couverture légèrement inférieure et des antennes plus petites en raison de la longueur d'onde plus courte.

Conclusion

La bande ISM de 915 MHz s'est avérée être une base solide et efficace pour le réseau à faible consommation et étendue en Amérique du Nord, avec 868 MHz, 433 MHz et 470 MHz jouant le même rôle dans d'autres régions. La technologie LoRa permet des déploiements IoT évolutifs qui équilibrent portée, efficacité énergétique et coût. Associés à une antenne correctement conçue et installée — et à un câble à faible perte avec le bon connecteur — les réseaux LoRa peuvent offrir une connectivité longue distance fiable pendant des années sur une seule batterie. Parcourez les antennes LoRa / 915 MHz de Data Alliance ainsi que les câbles et adaptateurs correspondants, ou contactez le support technique pour obtenir de l'aide afin d'adapter une antenne et un connecteur à votre déploiement LoRaWAN.