Bureau d’étude Dimensionnement d’interface radio pour réseaux mobiles - Dimensionnement d'un réseau LoRa pour une application de « stationnement intelligent »

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1 Bureau d’étude Dimensionnement d’interface radio pour réseaux mobiles - Dimensionnement d'un réseau LoRa pour une application de « stationnement intelligent » - Etude théorique Alexandre Boyer

2 Question 1 Quelles sont les principales performances attendues d'une technologie dite LPWA ? Low Power Wide Area  dédié aux applications M2M et IoT Pour les applications avec un grand nombre de nœuds faibles coûts réparties sur de grandes distances, transférant une faible quantité d’informations plusieurs fois par heure, devant fonctionner sur batterie pendant plusieurs années, « scalable ». Quelques exemples de technologies concurrentes : RPMA LTE-M1, LTE-NB1 Technologie non-cellulaire, bande sans licence, DSSS Technologie non-cellulaire, bande sans licences, CSS EC-GSM-IoT Scalability : en français, il n’y a pas de termes officiels pour le traduire, mais on pourrait proposer : évolutivité, adaptabilité au changement d’échelle, à la monté en charge, sans pertes de performances. Weightless-N Technologie cellulaire, Narrow band Technologie non-cellulaire, bande sans licence, (Ultra) narrowband

3 Question 2 Quelles sont les bandes de fréquence utilisables par LoRa en Europe ? Quelles sont les limitations associées (puissance, rapport cyclique, dwell time, FHSS) ? Sont-elles identiques partout dans le monde ? Bandes ISM (sans licences) autour de 868 MHz, telles que définies par la recommandation ERC pour les Short Range Devices à but non spécifique : Puissance limitée à 14 dBm (hormis bande G3 avec 27 dBm) Pas de limitations sur le dwell time (contrairement à l’Amérique du Nord) Restriction sur le rapport cyclique selon la technique d’accès au spectre RF Sous-bandes pour la bande « g »à 868 MHz et restriction (pour modulation type DSSS, équipements non spécifiques) : Bande Limites freq (MHz) Puissance Rapport cyclique g 863 – 870 ≤ 14 dBm erp ≤ 0.1 % ou LBT + AFA g1 868 – 868.6 ≤ 1 % ou LBT + AFA g2 868.7 – 869.2 g3 869.4 – ≤ 27 dBm erp ≤ 10 % ou LBT + AFA g4 Dwell time = durée d’émission. Duty cycle = pourcentage de temps correspondant à l’émission. LoRaWAN LBT : Listem Before Talking AFA : Adaptative Frequency Agility

4 Question 2 Quelles sont les bandes de fréquence utilisables par LoRa en Europe ? Quelles sont les limitations associées (puissance, duty cycle, dwell time, FHSS) ? Sont-elles identiques partout dans le monde ? Spécifications LoRaWAN pour l’Europe (class A device only - gateway ou end device) : Canaux (MHz) Bande passante(kHz) Puissance Rapport cyclique Débit binaire 868.1 125 14 dBm erp par défaut ≤ 1 % 300 bps  5 kbps (DR0  DR5) 868.3 868.5

5 Question 3 Quel standard harmonisé faut-il suivre pour la certification CEM d’un module radio LoRa en Europe ? Identifier les principales exigences pour ce module. ETSI EN et -2 : Electromagnetic compatibility and Radio spectrum Matters (ERM); Short Range Devices (SRD); Radio equipment to be used in the 25 MHz to MHz frequency range with power levels ranging up to 500 mW; Part 1: Technical characteristics and test methods Testé par le fabricant ou un laboratoire indépendant Principaux tests (pour différentes températures): Frequency error and stability vs. battery voltage Puissance conduite RF moyenne Puissance rayonnée RF (ERP) Adjacent channel power Modulation bandwidth Unwanted emission (spurious), conduite sur la sortie RF ou rayonnée Rapport cyclique Sensibilité Adjacent channel selectivity, blocking, spurious response rejection

6 Question 4 LoRa est-il protocole de couche physique ou de couche MAC ? Décrire la topologie d'un réseau LoRa(WAN). Quelles sont ces avantages pour une application IoT ? LoRa définit la couche physique (PHY), LoRaWAN définit la couche MAC (protocole de communication et architecture du réseau). LoRaWAN est proposé par LoRa Alliance. Réseau en étoile longue portée formé d’un grand nombre de noeuds (émetteurs) et de quelques gateways (récepteurs), transmission asynchrone, bidirectionnel, protocole de type ALOHA Par rapport à un réseau maillé (mesh network) où chaque nœud peut relayer l’info d’un autre nœud  potentiellement très grande portée, un réseau en étoile augmente la capacité du réseau, la durée de vie des batteries des nœuds et réduit sa complexité. Par rapport à un réseau cellulaire, un nœud n’est pas affecté à un gateway, ce qui réduit la complexité du réseau (la gestion est transférée vers le serveur de réseau) et le coût de déploiement du réseau. LoRa Alliance, Nov. 2015

7 Question 5 Qu'est-ce qu'une DSSS ? Que représente le gain de traitement (processing gain) ? DSSS = Direct Sequence Spread Spectrum  modulation à étalement de spectre Pourquoi accroître la bande passante ? La bande passante B d’un signal numérique dépend du débit de symbole transmis DS. Pour les communications dites bande étroite (narrowband) : Capacité d’un canal de transmission (débit binaire max. pouvant être transmis sans erreur sur un canal de bande passante B en présence d’interférences) Pour de faibles SNR, il faut accroître B pour maintenir la capacité. Accroître le produit B˟Ts améliore l’immunité aux effets de la propagation multi trajet et à l’effet Doppler (fading lent et rapide)

8 Facteur d’étalement (spreading factor) :
Question 5 Principe de la modulation à étalement de spectre Chaque bit du signal à transmettre est multiplié (xor) par un code pseudo-aléatoire unique, appartenant à une famille de codes orthogonaux. La séquence du code est unique, elle constitue aussi la clé de codage et est constitué de N éléments appelés CHIP. Le signal résultant est étalé sur une bande de fréquence ≈ chip rate DC. Source Encodage chip Décodage chip Réception Sw S’w Sn ε() Canal ε-1() S’n Sn+Iw Période Tb Période Tc N I Facteur d’étalement (spreading factor) : Signal étalé Sw Dc Signal original Sn fréquence Db dsp En DSSS, le chip est le symbole élémentaire du code utilisé pour coder les bits de données. Le chip rate dans un code est le nombre d'impulsions par seconde auquel le code est transmis. Par définition, la bande passante du signal codé est égale au chip rate. Sn = Signal bande étroite , modulé, de période binaire Tb  débit binaire Db = 1/Tb ε() : fonction d’étalement. Période chip = Tc  chip rate Dc = 1/Tc. Si le code est constitué de N chips  Tb = N*Tc et Dc = N*Fb. Sw : signal étalé de largeur de bande Ws ≈ Dc. N : bruit thermique, large bande, -174 dBm/Hz à 25°c. I : interférence co-canal (utilisateur émettant à la même fréquence) ou adjacente (utilisateur émettant à une fréquence différente). S’w = Sw + I + N ε-1() : fonction d’étalement inverse. ε-1() = ε(). Il convient d’avoir une synchronisation parfaite entre le signal étalé et la fonction de désétalement. S’n : signal en sortie du récepteur = Sn + Iw Iw : signal lié à l’interférence + bruit après désétalement. Si l’interférence n’a pas étalé à l’aide de la séquence ε(), alors Iw est étalé et dégrade très peu le signal Sn. Le rapport entre Dc et Db est appelé facteur d’étalement (Spreading Factor SF). Il s’agit aussi du rapport entre la bande passante du signal étalé et celle du signal original non étalé. SF est aussi égal au rapport entre les puissances du signal original et du signal étalé  la densité spectrale du signal étalé étant plus faible que celle du signal non étalé, il est possible d’émettre sous le seuil de bruit. SF

9 Interférence étalée Iw
Question 5 Modulation à étalement de spectre – Tolérance aux interférences bande étroite Si l’interférence n’est pas corrélée avec le signal étalé : Signal étalé Sw Dc Interférence I fréquence Fi Interférence étalée Iw Fc Signal original fréquence Fb ε-1() Soit une interférence bande étroite I dans la bande passante du signal étalé Sw. Le niveau de l’interférence étant plus haut que celui du signal étalé, I devrait considérablement dégrader la réception du signal Sw. Cependant, après étalement, si il n’y a aucune corrélation entre l’interférence I et la fonction d’étalement inverse, l’interférence résultante Iw se retrouve étalé sur une large bande donc son niveau a diminué. Après un filtrage centré sur le signal correctement étalé, une grande partie de l’interférence Iw est supprimée et il ne reste qu’une interférence résiduelle Iwr. L’effet de l’interférence est donc réduit d’un facteur égal à SF, ou gain de traitement Gp ! Nous allons revenir sur cette notion dans le cas d’une interférence bande large. Interférence résiduelle Iwr L’effet de l’interférence est atténué d’un facteur appelé gain de traitement. Gain de traitement :

10 Question 5 Modulation à étalement de spectre – tolérance aux interférences large bande Utilisation d’un récepteur à corrélation, parfaitement synchronisé avec le signal étalé. Le signal attendu est amplifié par le gain de traitement. Toute interférence large bande non corrélée est atténuée. Considérons 2 signaux étalés par 2 séquences différentes et (quasi) orthogonales. Les 2 signaux étalés s’ajoutent  interférence large bande. Peut-on sortir de ce signal la contribution d’un des 2 signaux transmis ? Si la séquence d’étalement a de bonnes propriétés en terme de corrélation (intercorrélation entre le signal étalé et la séquence PN utilisée  1 et intercorrélation avec les autres séquence  0), la séparation des 2 signaux étalés sera facilitée. Pour avoir une intercorrélation entre le signal étalé et la séquence PN utilisée  1, il est nécessaire de synchroniser parfaitement ces 2 signaux ! Afin d’accroître le rapport entre le signal désétalé et l’interférence désétalée par la mauvaise séquence PN, il convient d’utiliser un récepteur à corrélation. Le processing gain = rapport entre le SNR en sortie du système de desétalement sur celui en entrée du système de desétalement. Ce gain correspond à l’amélioration du SNR apportée par le desétalement, par rapport à un système qui ne desétalerait pas.

11 Question 6 Quel est le principe de fonctionnement de la modulation utilisée par LoRa ? La modulation LoRa est une modulation à étalement de spectre, de type Chirp Spread Spectrum (CSS) Rappel théorique : signal chirp linéaire (up/down chirp) : Fc : Fréq. Centrale B : Bande passante µ0 =+/- B/Tchirp : chirp rate Fréquence instantanée : Chirp = gazouillis. Chirp linéaire : signal sinusoïdal dont la fréquence instantanée augmente linéairement. Etalement de spectre

12 Question 6 Quel est le principe de fonctionnement de la modulation utilisée par LoRa ? Dans une modulation LoRa, l’information est codée en fonction de l’offset fréquentiel des signaux up-chirps (deux signaux down-chirps non codés sont transmis lors du préambule) Le nombre de positions possibles d’offset fréquentiel dépend du paramètre SF (Spreading Factor) et est égale à 2SF. Les valeurs possibles vont de 0 à 2SF-1. Exemple (SF = 7) : Offset = 40 Offset = 80 Offset = 120 Offset = 0

13 Empaquetage mot SF bits
Question 6 Quel est le principe de fonctionnement de la modulation utilisée par LoRa ? Trois paramètres réglables : SF = spreading factor (équivalent à celui défini en DSSS). Deux signaux avec des SF différents sont orthogonaux (SF défini de 5 à 12) B = bande passante du signal chirp (125, 250 et 500 kHz) CR = Coding rate (4/5, 4/6, 4/7, 4/8) Schéma simplifié du modulateur (toutes les étapes de codage n’apparaissent pas) : SF Chirp de base CR Données binaire d’entrée Forward Error Coding Empaquetage mot SF bits Décalage fréq. Db Db’ DS Db’ est le débit binaire après codage. LoRa intègre tout un ensemble de blocs de codage supplémentaires propriétaires (whitening, interleaving, codage de Gray), mal documentés par les constructeurs. Cependant, plusieurs sites internet donnent des infos sur les traitements effectués, ceux-ci étant déduit par rétro-ingénierie (ex : Symbole modulé

14 Le codage et les aspects protocolaires sont négligés !
Question 7 Dans le cadre de la modulation LoRa, comment distingue t-on un bit d'un symbole transmis et d'un chip ? Quel est le gain de traitement ? Pourquoi retrouve t-on les notions de chip et de spreading factor, propres à une DSSS, dans la modulation LoRa ? Dans la modulation LoRa, le symbole transmis est un chirp, encodé à l’aide de 2SF positions d’offset fréquentiel possible. Chaque chirp est encodé par SF bits (1). Par définition, un chip est le symbole élémentaire du code et la bande passante du signal codé est égale au chip rate (2). Dans la modulation LoRa, un chip représente une position de fréquence prise par le chirp. Avec 2SF positions de fréquence possibles, le chirp contient 2SF chips (3). (1) (2) (3) Dans la modulation LoRa, il n'y a pas de chip comme on l'entend en DSSS, c'est-à-dire que chaque bit n'est pas encodé par une séquence de symboles plus rapides, dont le débit (chip rate) définit plus ou moins la bande passante du signal étalé. La notion de spreading factor a un sens non conventionnel. Mais comme on observe aussi un étalement de spectre lié au balayage continu et linéaire de la fréquence porteuse, on peut faire une analogie. En CSS, on pourrait définir un chip rate virtuel Dc égal à la bande passante du signal modulé B. Le symbole transmis est le chirp, lui-même encodé par SF bits  Ds = Db’/SF, où Ds est le débit de symbole et Db’ le débit binaire (avec codage). Une manière de se représenter ce que pourrait être un chip est : une position de fréquence prise par le chirp pendant la durée du chirp. Comme il peut y avoir M = 2^SF positions de fréquence possibles (encodage temporel du chirp), il y a donc M = 2^SF chip par chirps. Donc la relation entre le débit de symbole et le débit de chip est : Dc = 2^SF*Ds On peut donc écrire une relation liant les débit de symboles, de bits, de chips et la bande passante : Dc = B = 2^SF*Ds = 2^SF*Db’/SF. La relation fondamentale entre le débit binaire et la bande passante (en ignorant toute forme de codage) est : Db’ = B*SF/2^SF Le codage et les aspects protocolaires sont négligés !

15 LoRa demodulator SNR (dB)
Question 7 Dans le cadre de la modulation LoRa, comment distingue t-on un bit d'un symbole transmis et d'un chip ? Quel est le gain de traitement ? En reprenant la définition du gain de traitement : Comme le gain de traitement est positif, la modulation LoRa permet de recevoir des signaux de puissance inférieure au seuil de bruit ! Avantages : meilleure sensibilité et meilleure portée radio ! SF Chips/symbol Gp (dB) LoRa demodulator SNR (dB) 7 128 12.6 -5 8 256 15.1 -7.5 9 512 17.6 -10 10 1024 20.1 -12.5 11 2048 22.7 -17.5 12 4096 25.3 -20 Attention, contrairement à un étalement de type DSSS, le gain de traitement et le spreading factor ne sont pas identiques dans la modulation LoRa. Nous rappelons qu’ici, la notion de spreading factor est défini de façon non conventionnelle. Le gain de traitement positif offre une très bonne sensibilité aux récepteurs LoRa, et ainsi une bonne portée radio à toute communication LoRa. Cependant, les résultats ne sont pas « miraculeux » ! Attention à ne pas croire toutes les performances annoncées. Semtech, datasheet SX1272

16 Header (mode explicite)
Question 8 Quelle est la structure d'un paquet LoRa ? Détailler chaque champ. La trame LoRa est constituée de trois parties distinctes, modulées différemment : préambule (preamble), header, payload. Structure générale d’une trame LoRa : Préambule Header (mode explicite) Payload Long. Payload CRC ? CRC header Long. message CRC payload CR Adresse Message 12 symb. (10 à 65535) 0 à 255 octets 8 bits 1 bit 3 bits 9 bits 1 octet 1 octet 2 octets La trame commence par une séquence contenant un nb implicite de symboles non modulés (ou symboles de base) pour assurer la synchro du récepteur sur la fréquence et la base de temps de l'émetteur. Il est suivi de 2 symboles modulés qui ont la valeur du mot de synchronisation (par convention 0x34 avec LoRaWAN). Le préambule se termine par deux symboles down-chirp non modulés. Le nombre de symboles du préambule est paramétrable et est fixé par défaut à 12 (8 symboles de base + 2 synchronisation + 2 symboles inversés). Le mot de synchronisation constitue la signature du réseau LoRa. A la suite du préambule, après une pause de longueur un quart de symbole, se trouve l'entête physique du message. Il est composé de 21 bits avec : la longueur du payload sur 1 octet, 1 bit pour indiquer la présence d'un CRC sur le payload, 3 bits pour indiquer la valeur du coding rate, puis 9 bits de CRC sur le header. L'entête est par convention protégée par le coding rate maximal 4/8. Deux modes de transmission du header sont prévus : explicite (toutes les infos précédentes sont transmises) ou implicites (le header n’est pas transmis car ces infos sont déjà connus à l’avance). Le payload est composé de symboles modulés avec toutes les positions temporelles de chirp possibles. Il est encodé avec le CR paramétré par l’application. Le payload se termine par un champ CRC de 2 octets si cela a été indiqué dans le header. Le payload contient au minimum 2 octets : un octet indiquant la longueur du message puis un octet d’adresse. Le message qui suit peut contenir de 0 à 255 octets. CR = 4/8 CR application SF application

17 Question 9 Comment déterminer le débit binaire transmis ? Le TOA ? A titre d'exemple, quels sont les paramètres pour assurer un débit binaire de l'ordre de 500 bits/s ? Durée d’un symbole : Durée du préambule (Npr est le nombre de symboles du préambule): Nombre de symbole du payload+header : Avec PL le nombre d’octets du payload, H = 0 ou 1 selon la présence du header, DE = 0 ou 1 selon l’option data rate optimization. Durée du payload+header : Durée d’une trame ou Time on Air (TOA) : Débit binaire : LoRa Modem Calculator Tool (Semtech) :

18 Question 9 Comment déterminer le débit binaire transmis ? Le TOA ? A titre d'exemple, quels sont les paramètres pour assurer un débit binaire de l'ordre de 500 bits/s ? Exemple : débit binaire possible avec CR = 4/5 B = 125 kHz SF = 11 CR = 4/5 Avec un mode header explicite et un message de 8 octets, le TOA = 479 ms.

19 Consommation énergétique
Question 10 Comment augmenter le débit binaire ? Améliorer la sensibilité ? A puissance d'émission constante, comment réduire la consommation électrique du module ? Exemple : débit binaire possible avec CR = 4/5 Paramètres Débit binaire Sensibilité Consommation énergétique Augmenter B + - Augmenter SF Augmenter CR ≈ Header Explicite L’énergie électrique consommée par le module radio est en grande partie due à l’étage d’émission radio, puis dans une moindre mesure aux étages digitaux. Elle est donc non seulement dépendante de la puissance d’émission de l’antenne, mais aussi de la durée d’émission = TOA. Réduire le TOA contribue à réduire la consommation énergétique. L’augmentation du coding rate rend théoriquement le récepteur plus robuste aux interférences. En pratique, cela change peu le seuil de sensibilité (validé par mesure). Le header explicite contient des infos pouvant servir à vérifier l’intégrité du message.

20 SF B = 125 kHz B = 250 kHz B = 500 kHz 7 -123 -120 -117 8 -126 9 -129
Question 11 Quelle est la sensibilité typique d'un récepteur LoRa ? On prendra comme référence le transceiver SX1272. Données constructeur (868.1 MHz, TX/RX split, LNA boost, CR=4/5, PER < 1 %) : SF B = 125 kHz B = 250 kHz B = 500 kHz 7 -123 -120 -117 8 -126 9 -129 10 -132 11 -134.5 -131.5 -128.5 12 -137 -134 -131 Le seuil de sensibilité du module dépend de la bande passante, du NF et des gains/pertes du récepteur et du SNR. Lui-même dépend du SF (effet du processing gain) et du codage (CR). Il dépend aussi de la qualité des oscillateurs … On suppose des conditions d'utilisation et de design nominaux. Elle peut être évaluée à l'aide de l'outil LoRa Modem Calculator Tool de Semtech (basée sur les données constructeurs) et vérifiée par mesure. Semtech LoRa calculator

21 Question 11 Quelle est la sensibilité typique d'un récepteur LoRa ? On prendra comme référence le transceiver SX1272. Mesures (température/alim. nominale, TX/RX split, LNA boost, CR = 4/5) 14 dB Par mesure, on retrouve des chiffres assez similaires aux données constructeurs. -123 dBm -137 dBm PER < 1 %

22 Question 12 Deux nœuds d'un même réseau LoRa(WAN), un gateway LoRa peut-il recevoir deux signaux de même fréquence simultanément ? Comment devrait-on attribuer les valeurs de SF dans un réseau LoRa(WAN) ? Deux nœuds avec des SF différents émettent des séquences aléatoires. Deux nœuds peuvent théoriquement émettre simultanément à la même fréquence sans risques d’interférence à condition qu’ils utilisent des SF différents. En pratique, il faut tenir compte de la réjection d’interférence co-canal : Graph co-channel rejection L’orthogonalité parfaite n’existe pas. En outre, un signal avec un SF différent reste un signal interférent, qui accroit le niveau d’interférence du récepteur. La robustesse du récepteur aux interférences co-canal ou reçues sur les canaux adjacents est donné par les indicateurs : co-channel rejection (CCR) et adjacent channel rejection (ACR).

23 Question 12 Deux nœuds d'un même réseau LoRa(WAN), un gateway LoRa peut-il recevoir deux signaux de même fréquence simultanément ? Comment devrait-on attribuer les valeurs de SF dans un réseau LoRa(WAN) ? TOA plus faible Meilleure sensibilité SF =7 noeud1 noeud3 SF = 12 La sélection des valeurs de SF dans un réseau LoRa peut être imaginée afin de limiter l’interférence. Augmenter le SF améliore la sensibilité et accroit le TOA. Il est donc intéressant de donner une forte valeur de SF aux nœuds distants pour accroître la sensibilité du récepteur et le rendre plus robuste aux interférences (notamment celles des nœuds les plus proches). En outre, donner de faible valeur de SF aux nœuds les plus proches réduit leur TOA, donc la durée pendant laquelle ils occupent la ressource spectrale commune et créént de l’interférence. Gateway Pr tot = Pr1+Pr2+Pr3 noeud2 SF =7

24 Réseau « scalable »  augmentation à moindre coût de la capacité
Question 13 Comment augmenter la capacité d'un réseau LoRa(WAN)? Réseau « scalable »  augmentation à moindre coût de la capacité La capacité d’un gateway est liée : Nombre de valeurs de SF Nombre de bandes de fréquences utilisées Limitation par les interférences Architecture du réseau en étoile : Un nœud peut se connecter à n’importe quel gateway du réseau La capacité du réseau augmente avec le nombre de gateway Un des grands avantages d’un réseau LoRa(WAN), c’est qu’il est facilement « scalable », ce qui est une caractéristique attendue d’un réseau IoT. On peut accroître sa capacité à moindre coût. La capacité d'un gateway est liée au nombre de valeurs de SF et bandes de fréquences utilisées. Le réseau étant en étoile, n'étant pas cellulaire, un nœud peut se connecter à n'importe quel gateway du réseau. Pour augmenter la capacité du réseau, il suffit donc d'ajouter des gateways.