Pour les réseaux étendus de faible puissance (LPWAN) fonctionnant dans un spectre exempt de licence, l'un des principaux avantages est le faible coût du réseau. Cependant, compte tenu de la croissance exponentielle des appareils IoT, les ressources radio limitées partagées sont de plus en plus encombrées. Afin d'améliorer la qualité de service (QoS) et l'évolutivité du réseau, garantir l'immunité aux interférences dans les LPWAN est une tâche majeure.
Comprendre les interférences dans le spectre sans licence
Il y a interférence lorsque deux signaux radio entrent inutilement en conflit sur la même fréquence, ce qui entraîne une perte de données. Les interférences avec les réseaux LPWAN sans licence se répartissent en deux grandes catégories :
1. L'interférence intra-système, ou auto-interférence, se réfère à l'interférence causée par des dispositifs fonctionnant dans le même réseau, comme dans le réseau MIOTY ou dans le réseau LoRa. L'auto-interférence est principalement attribuée à la communication asynchrone utilisant le schéma ALOHA dans de nombreux systèmes LPWAN. Bien que la consommation d'énergie soit considérablement réduite, les réseaux purement basés sur le schéma ALOHA produiront des interférences significatives en raison de la transmission aléatoire et non coordonnée des données entre les dispositifs finaux.
2. Les interférences inter-systèmes sont des interférences causées par des signaux radio provenant d'autres systèmes. Étant donné que le spectre sans licence est disponible pour tous, de multiples technologies coexistent et accèdent aux mêmes ressources de fréquence. Par exemple, la plupart des technologies LPWAN, y compris MIOTY, LoRa et Sigfox, utilisent généralement des bandes radio industrielles, scientifiques et médicales (ISM) inférieures au gigahertz. De même, Ingenu, un autre acteur du LPWAN, partage la bande encombrée de 2,4 GHz avec Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee, etc.
Les interférences intra et inter-systèmes peuvent dégrader les performances du réseau et entraver son évolutivité.
Méthodes techniques anti-brouillage LPWAN
Parmi ces défis, une conception robuste du système est essentielle pour garantir une immunité élevée aux interférences du LPWAN. Nous décrivons ci-dessous quatre approches techniques pour contrôler et atténuer les interférences intra- et inter-systèmes.
1. Exploiter la largeur de bande (ultra)étroite
Par rapport aux approches à large bande basées sur l'étalement du spectre, les technologies à bande (ultra)étroite atténuent les problèmes d'interférence à l'intérieur du système. Chaque message à bande étroite utilise une très petite largeur de bande, ce qui se traduit par une grande efficacité spectrale. Par conséquent, un plus grand nombre de messages peuvent être placés dans une bande de fréquence désignée sans se chevaucher, ce qui permet à un plus grand nombre d'appareils de fonctionner efficacement en même temps sans interférer les uns avec les autres. Cela augmente la capacité globale du réseau et l'évolutivité du système. L'utilisation minimale de la bande passante réduit également le niveau de bruit de chaque signal.
Imaginez la messagerie à bande étroite comme une moto et la messagerie à large bande comme un camion. Nous pouvons transporter beaucoup plus de motos que de camions sur l'autoroute sans provoquer d'accident.
2. Réduire le temps de diffusion
Dans de nombreux systèmes LPWAN, le temps de transmission du signal, ou temps de diffusion, peut atteindre 2 secondes. Cette situation est problématique car plus un message prend de temps à être diffusé, plus il risque d'entrer en conflit avec un autre message envoyé au même moment, ce qui peut entraîner une perte de données. Des temps de transmission plus longs augmentent également les risques d'attaques malveillantes et sophistiquées, telles que le brouillage sélectif.
3. Saut de fréquence
Le saut de fréquence augmente la résistance aux interférences inter-systèmes en faisant passer rapidement les messages d'un canal à l'autre pendant la transmission. La variation constante de la fréquence permet d'éviter la congestion des canaux et rend les signaux difficiles à intercepter. L'inconvénient est que le saut de fréquence est très inefficace d'un point de vue spectral, car il nécessite l'utilisation d'une plus grande largeur de bande. Les signaux à large bande transmis à faible débit peuvent facilement se chevaucher, ce qui entraîne des interférences et des pertes de données.
4. Correction d'erreur directe (FEC)
L'application du codage de canal ou de la correction d'erreur en aval permet de détecter et de corriger les erreurs de transmission dues au bruit, aux interférences et à l'évanouissement. Dans les canaux peu fiables ou bruyants, la FEC permet de réduire le taux d'erreur binaire des signaux numériques, d'améliorer la fiabilité de la transmission des signaux et d'éviter les retransmissions de données coûteuses.
À ce jour, aucun système LPWAN traditionnel n'a réussi à tirer parti de toutes ces approches dans sa conception. Le LPWAN utilisant une approche à bande (ultra)étroite offre une grande efficacité spectrale mais souffre de temps de diffusion prolongés en raison de débits de données très lents. Les systèmes à étalement de spectre tirent parti du saut de fréquence, mais souffrent d'interférences et de problèmes d'évolutivité en raison de la largeur de bande utilisée.
Le fractionnement des télégrammes applique les avantages des quatre méthodes susmentionnées en un seul système en divisant les messages à bande ultra étroite en plusieurs sous-paquets plus petits et en les distribuant selon un modèle pseudo-aléatoire de temps et de fréquence. En raison de sa taille beaucoup plus petite, chaque sous-paquet a un temps de diffusion extrêmement court de seulement 15 millisecondes. Par conséquent, le risque de conflit avec d'autres signaux inter- et intra-système est fortement réduit. En outre, la correction d'erreur directe (FEC) intégrée permet de récupérer le message avec succès même si jusqu'à 50% de sous-paquets sont perdus au cours du processus.
La densité des appareils et le trafic de communication continuant d'augmenter à l'ère de l'IdO, les capacités anti-interférences dans les réseaux étendus à faible consommation continueront d'être une priorité absolue. Il faut également choisir des technologies robustes sans faire de compromis sur le coût et l'efficacité énergétique.
Mots-clés : lora communication technology