Les réseaux à faible puissance à grande échelle (LPWAN) sont devenus une pierre angulaire de l'Internet des objets (IoT), permettant une connectivité à longue portée pour les appareils alimentés par batterie dans les industries comme l'agriculture, les villes intelligentes et le contrôle industriel.Une technologie critique qui sous-tend la performance de nombreux LPWAN est la communication de spectre étendue. En distribuant des signaux sur une large bande de fréquences plutôt que de transmettre sur un canal étroit, le spectre étendu offre des avantages distincts en termes de fiabilité, de sécurité et d'efficacité énergétique.

Comprendre la diffusion du spectre dans les PVWAN

Le spectre de diffusion est une technique de transmission où le signal occupe une bande passante beaucoup plus grande que le minimum nécessaire pour transmettre l'information. L'idée clé est que l'énergie transmise est répartie sur une large gamme de fréquences, ce qui rend le signal comme un bruit pour les récepteurs non intentionnels.

Deux implémentations communes du spectre de diffusion sont le spectre de diffusion directe de séquence (DSSS) et le spectre de diffusion de fréquence de happing (FHSS). Le DSSS multiplie le flux de données par un code de diffusion à haut débit, répartissant efficacement le signal sur une large bande. Le FHSS commute rapidement la fréquence porteuse entre de nombreux canaux selon un modèle de saut prédéfini.

Dans les LPWAN, le spectre de diffusion est le plus utilisé dans le système de modulation LoRa (développé par Semtech), qui est basé sur une variante de DSSS appelée Chirp Spread Spectrum (CSS). CSS utilise des chirps modulés en fréquence — balustrades linéaires de fréquence — pour encoder les données. Cette méthode permet une sensibilité et une portée remarquables tout en maintenant la consommation de puissance extrêmement faible. Sigfox utilise également une forme de spectre de diffusion appelée Ultra Narrow Band (UNB) combinée à des sauts de fréquence, bien que son approche diffère du spectre de diffusion traditionnel.

Principaux avantages de la diffusion du spectre pour les PVWAN

Fiabilité et robustesse accrues des signaux

La diffusion du spectre améliore considérablement la fiabilité des communications LPWAN dans des environnements bruyants. Parce que l'énergie du signal est répartie sur une large gamme de fréquences, le brouillage à bande étroite — tel que celui du Wi-Fi, Bluetooth ou d'autres sources radio — ne corrompt qu'une petite fraction de l'énergie transmise. Le processus de dissémination du récepteur reconstitue le signal original, annulant efficacement le brouillage. Cette caractéristique est particulièrement utile dans les zones urbaines denses ou les milieux industriels où de nombreux appareils sans fil coexistent.

Une meilleure sécurité et une meilleure lutte contre le jammisme

Pour un e-speaker sans connaissance du code de diffusion ou du modèle de saut, le signal transmis apparaît indistinctible du bruit de fond. Cela rend l'interception extrêmement difficile. De plus, le brouillage intentionnel est beaucoup moins efficace parce que le brouillage doit couvrir toute la bande passante pour perturber la communication, tâche qui nécessite une puissance énorme. Bien que le spectre de diffusion ne soit pas à lui seul un remplacement du chiffrement, il ajoute une couche de protection forte à la couche physique.

Étendue de la gamme avec une consommation d'énergie inférieure

L'un des avantages les plus importants de la diffusion du spectre dans les LPWAN est la capacité à atteindre une longue portée sans sacrifier la durée de vie de la batterie. Le gain de traitement — le rapport de la largeur de bande étendue à la largeur de bande de données originale — permet au récepteur de détecter des signaux bien en dessous du plancher sonore. Par exemple, LoRa peut atteindre un budget de liaison supérieur à 150 dB, permettant la communication sur des distances de 10 à 15 km en milieu rural et de 2 à 5 km en milieu urbain.

Réduction de l'interférence et amélioration de la coexistence

Dans les bandes de fréquences non autorisées comme les bandes ISM de 868 MHz (Europe) ou de 915 MHz (Amérique du Nord), plusieurs technologies sans fil doivent coexister. Les transmissions de spectre de propagation sont conçues pour causer un minimum d'interférences aux autres systèmes parce que leur puissance de signal est répartie mince dans la bande. De plus, l'utilisation d'algorithmes de vitesse de données et de sélection de canaux adaptatifs (communs dans les réseaux LoRaWAN) aide les appareils LPWAN à éviter dynamiquement les fréquences encombrées.

Une consommation d'énergie plus faible grâce à un codage efficace

Au-delà de l'avantage budgétaire lié à la liaison, la modulation du spectre de diffusion permet également une utilisation efficace du temps de transmission. En utilisant des facteurs de diffusion qui opposent le taux de données à l'étendue et à la robustesse, les appareils LPWAN peuvent choisir la combinaison optimale pour leurs conditions de liaison actuelles. Lorsque l'appareil est proche d'une passerelle, il peut utiliser un facteur de diffusion plus faible, permettant d'obtenir un taux de données plus élevé et un temps d'air plus court, qui consomme moins d'énergie.

Élargir le spectre dans les principales normes LPWAN

Spectre de diffusion de LoRaWAN et de Chirp

L'utilisation de plusieurs facteurs de propagation (SF7 à SF12) permet au réseau de réduire le taux de données pour la plage. Les réseaux LoRaWAN peuvent supporter jusqu'à des millions de dispositifs grâce à l'orthogonalité des facteurs de propagation — ce qui signifie que les dispositifs utilisant différents facteurs de propagation peuvent se transmettre simultanément sans interférer. Cela rend LoRaWAN idéal pour les applications où la portée et l'évolutivité sont critiques, comme l'éclairage intelligent, la gestion des déchets et le suivi de la chaîne d'approvisionnement. (En savoir plus sur LoRaWAN de la LoRa Alliance.)

Bande Sigfox et Ultra Narrow avec happing de fréquence

Sigfox adopte une approche différente en utilisant la modulation Ultra Narrow Band (UNB) combinée à des sauts de fréquence. Bien que l'UNB ne diffuse pas de spectre au sens classique, elle obtient des avantages similaires — une longue portée et une résistance aux interférences — en transmettant un signal très étroit (100 Hz à 600 Hz) qui est hissé sur plusieurs fréquences. La bande passante étroite permet aux récepteurs Sigfox d'obtenir une très grande sensibilité, tandis que les sauts de fréquence atténuent les collisions et les interférences. Les réseaux Sigfox sont conçus pour des applications à très faible taux de données (jusqu'à 100 bps) et sont optimisés pour un nombre massif de dispositifs simples qui envoient des petits messages peu fréquents.

Comparaison avec d'autres technologies LPWAN

D'autres technologies LPWAN comme le NB‐IoT (Narrowband IoT) et le LTE‐M utilisent le spectre sous licence et s'appuient sur différents systèmes de modulation. Le NB‐IoT, par exemple, utilise la modulation ODDMA et QPSK, qui ne procurent pas le même gain de traitement que le spectre de diffusion. Bien que le NB‐IoT offre des taux de données et un soutien IP natif plus élevés, sa consommation et sa gamme de puissance sont souvent inférieures aux LPWAN basés sur le spectre de diffusion, surtout dans les environnements intérieurs profonds ou souterrains.

Applications réelles du spectre de diffusion des LPWAN

Agriculture intelligente

Dans l'agriculture de précision, des milliers de capteurs d'humidité du sol, de stations météorologiques et de suivi du bétail sont déployés dans de vastes champs. Les systèmes LPWAN permettent une connectivité fiable sur plusieurs kilomètres, même avec une ligne de vision obstruée en raison des cultures ou du terrain. La capacité d'opérer pendant des années sur une seule batterie avec un entretien minimal est essentielle pour les capteurs agricoles.

Infrastructures urbaines intelligentes

Les environnements urbains sont denses avec des signaux sans fil, ce qui fait des interférences un défi majeur. Les systèmes LPWAN de spectre de diffusion fournissent la robustesse nécessaire aux projets municipaux IoT comme l'éclairage urbain intelligent, la surveillance des poubelles, la détection de la qualité de l'air et la gestion du stationnement. Par exemple, une ville déployant des capteurs basés sur le spectre de diffusion peut s'attendre à une livraison fiable des liaisons montantes même lorsque des milliers d'appareils partagent la même bande de fréquences.

Surveillance de l'environnement

La surveillance des écosystèmes éloignés, des corridors fauniques ou de la qualité de l'eau nécessite souvent des capteurs placés loin de la couverture cellulaire.Les LPWAN peuvent combler ces lacunes avec une infrastructure minimale, une seule passerelle pouvant couvrir des centaines de kilomètres carrés.Les chercheurs utilisent ces réseaux pour suivre la migration des animaux, mesurer la fonte des glaciers ou détecter les incendies de forêt.

IdO et suivi des actifs industriels

Dans les usines, les entrepôts et les ports, les LPWAN à spectre étendu sont utilisés pour les systèmes de localisation en temps réel (RTLS), la surveillance de la santé des équipements et la gestion des stocks. La capacité d'opérer dans des environnements à forte interférence avec des structures métalliques et des machines mobiles fait du spectre réparti un choix privilégié.

Défis et considérations

Bien que le spectre de diffusion offre de nombreux avantages, il n'est pas sans limites. La large bande passante requise (généralement plusieurs centaines de kHz pour LoRa) peut être en conflit avec les réglementations régionales sur le spectre qui limitent la bande passante occupée. Dans certains pays, la bande passante de LoRas 125 kHz est autorisée, mais des limites plus strictes peuvent forcer les adaptations.

Un autre défi est la nécessité d'une synchronisation précise des codes de diffusion ou des modèles de saut entre l'émetteur et le récepteur, ce qui ajoute de la complexité à la conception du récepteur et peut augmenter les coûts de passerelle, bien que l'échange soit justifié par les gains de performance.

Enfin, le spectre de diffusion ne fournit pas de chiffrement des données par nature. La sécurité doit être mise en œuvre aux couches de protocole supérieures (p. ex., chiffrement AES-128 dans LoRaWAN).

L'avenir de la diffusion du spectre dans les PVWAN

Les normes LoRa de nouvelle génération, comme LoRaWAN 1.1 et au-delà, introduisent des capacités de sécurité et d'itinérance améliorées. L'intégration avec les LPWAN basés sur satellite est également en train de se faire sentir. Les satellites équipés de récepteurs de spectre étendu peuvent collecter des données à partir de capteurs terrestres partout sur Terre, ouvrant ainsi des possibilités de suivi global des actifs et de surveillance environnementale.

L'avantage fondamental de la diffusion du spectre, une communication robuste sur de longues distances avec une puissance minimale, en assure la pertinence pendant des décennies, d'autant plus que des milliards d'appareils alimentés par batterie sont en ligne dans la 5G et au-delà de l'écosystème. L'IEEE continue de rechercher des méthodes avancées de diffusion du spectre pour l'IoT, comme le soulignent des publications comme le IEEE Internet of Things Journal.

Conclusion

La communication de spectre de diffusion n'est pas seulement une fonctionnalité optionnelle pour les LPWAN, c'est une technologie fondamentale qui permet de définir l'IoT à longue portée, à faible puissance et à fiabilité. En diffusant des signaux sur une large bande passante, elle permet de vaincre les interférences, d'améliorer la sécurité et de permettre aux appareils de fonctionner pendant des années sur de petites batteries. Que ce soit par la modulation CSS de LoRaWAN ou par l'UNB de Sigfox qui sert à la mise en place de fréquences, le spectre de diffusion offre la performance physique de la couche qui rend possible l'IoT à grande échelle.