À propos des relais LoRaWAN®

Cette page décrit les concepts de base des relais LoRaWAN® et comment ils sont intégrés de manière transparente avec ThingPark.

Qu'est-ce qu'un relais ?

Un relais LoRaWAN® est un capteur qui transfère vers le réseau les trames uplink LoRaWAN® reçues de Capteurs finaux de confiance, en les encapsulant dans les payloads de ses propres trames. De même, le relais reçoit des trames downlink encapsulées du réseau et les transmet aux capteurs finaux appropriés après décapsulation.

Les relais offrent un moyen pratique, fiable et économique de couvrir les zones blanches pour les capteurs situés en périphérie de la couverture RF fournie par les passerelles conventionnelles. Cela pourrait être le cas pour les capteurs situés profondément à l'intérieur des bâtiments, dans des sous-sols ou même à l'intérieur d'armoires métalliques. Un exemple typique concerne les cas d'utilisation de télérelèves intelligentes, où le déploiement d'un relais élimine le besoin d'opérations coûteuses au pied des compteurs pour collecter les relevés dans les zones blanches.

De plus, d'un point de vue opérationnel, les relais sont particulièrement utiles dans les zones où il n'est pas possible/pratique d'ajouter des passerelles pico ou nano, soit en raison d'un manque d'approvisionnement en énergie ou d'options de Backhaul. En effet, contrairement aux passerelles conventionnelles, les relais sont alimentés par batterie et utilisent l'interface radio de LoRaWAN comme solution de Backhaul.

Les relais LoRaWAN® ont une architecture similaire à celle des capteurs conventionnels LoRaWAN, ils sont souvent (mais pas nécessairement) alimentés par batterie. Comme n'importe quel capteur conventionnel, un relais peut utiliser n'importe quelle classe LoRaWAN (classe A, B, C) et peut utiliser les modes d'activation OTAA ou ABP.

Un relais peut sécuriser jusqu'à 16 capteurs finaux. Les capteurs servis exclusivement par les relais ne peuvent utiliser que le mode classe A.

Mécanismes de Wake-on-Radio (WOR) et de Détection d'Activité Canal (CAD)

Pour préserver sa batterie, le relais ne peut écouter en permanence les messages entrants potentiels. Par conséquent, le protocole relais LoRaWAN® standard défini dans TS011 définit deux mécanismes :

• Wake-on-Radio (WOR) : cette trame uplink est envoyée par le capteur pour réveiller le relais et fournir des informations sur la trame uplink suivante (régulière) afin que le relais puisse ajuster son récepteur à la bonne fréquence RF et au bon data rate.

• Détection d'Activité Canal (CAD) : la principale caractéristique de la trame Wake-on-Radio (WOR) est sa durée de préambule qui peut atteindre 1 seconde. Ce long préambule permet au relais de dormir et de ne se réveiller que périodiquement pour rechercher une activité radio. La périodicité CAD par défaut est de 1 seconde.

  

Flux de messages typiques en mode relais

1. Pour réveiller le relais à proximité, le capteur doit diffuser une trame WOR sur un canal WOR prédéfini (régional-spécifique). Dans cette trame WOR, le capteur fournit la fréquence et le data rate de sa trame uplink suivante.
2. Si le relais a authentifié avec succès le capteur (en validant le WOR MIC), il peut acquitter cette trame WOR en envoyant un WOR ACK.
   Les WOR ACKs sont utiles pour la synchronisation temporelle entre le relais et le capteur (réduisant ainsi la longueur du préambule WOR pour économiser la batterie). Ils permettent également au capteur d'apprendre les informations de transmission du relais : le data rate UL utilisé entre le relais et le réseau, si la limite de transmission a été atteinte...
3. Le capteur envoie le paquet uplink. Cela est une trame régulière LoRaWAN®, pas spécifique au protocole relais. En dehors du relais, toute passerelle à proximité peut démoduler et transmettre cette trame uplink régulière au réseau (ainsi, la diversité macro RF est entièrement supportée).
4. Après avoir capturé le paquet uplink du capteur, le relais l'encapsule dans la payload de sa trame MAC et y ajoute les métadonnées uplink du capteur (data rate, fréquence, RSSI et SNR mesurés par le relais...). Ensuite, le relais envoie cette trame uplink encapsulée via LoRaWAN® FPort 226. La fréquence et le data rate utilisés par le relais pour cette transmission ne sont pas nécessairement ceux utilisés par le capteur.
   Du côté cœur de réseau, le "network server" décapsule le paquet uplink du relais afin d'extraire le paquet d'origine du capteur, puis il traite normalement le paquet uplink : duplication de paquet, ADR, commandes MAC, envoi d'un ACK aux uplinks confirmés, compte rendu aux serveurs d'application...
5. Si le réseau a un paquet downlink à envoyer au capteur, il doit l'encapsuler et l'envoyer au relais, en utilisant toujours le FPort 226. Ce paquet encapsulé doit être envoyé sur les créneaux RX1 ou RX2 du relais.
6. Le relais reçoit le paquet downlink encapsulé et en extrait la payload physique originale du capteur. Puis, il achemine cette payload vers le capteur via un créneau RX spécifique au relais appelé RXR. Le créneau RXR s'ouvre 18s après la fin de la transmission uplink du capteur. Le paquet downlink envoyé sur le créneau RXR utilise la même fréquence que la trame WOR et réutilise le même taux de transfert de données que le dernier paquet uplink LoRaWAN® du capteur.

Le diagramme suivant montre le flux de bout en bout pour les capteurs OTAA rejoignant le réseau via un relais :

• ForwardUplinkReq/ForwardDownlinkReq sont les paquets UL/DL du capteur encapsulés par le relais et transmis au réseau via FPort 226.
• UpdateUplinkLinkReq est une commande MAC spécifique au relais envoyée par le network server pour configurer le relais avec le DevAddr du capteur final et la clé du relais. Il permet au relais d'ajouter ce capteur à sa liste de capteurs de fiabilité et d'authentifier ses trames WOR suivantes.

note

Pendant son cycle de Join, le capteur diffuse des trames WOR spécifiques qui ne peuvent pas être vérifiées/acquittées par le relais. C'est parce que la clé du capteur utilisée par le relais pour authentifier les trames WOR est dérivée de la clé de session du réseau du capteur, donc elle ne devient disponible pour le relais qu'après la réussite de la procédure de Join.

Principaux pré-requis

Pour les capteurs fonctionnant derrière un relais

Il n'y a pas de pré-requis matériels particuliers pour qu'un capteur utilise le protocole relais.

D'un point de vue logiciel, les capteurs fonctionnant derrière un relais doivent supporter la pile relais dans leur logiciel. Cette pile permet à ces Capteurs d'utiliser le protocole radio standard défini dans TS011 pour communiquer avec les relais et le serveur du Cœur de réseau.

Pour les relais

D'un point de vue logiciel, les relais doivent évidemment supporter la pile appropriée permettant le protocole radio défini dans TS011.

D'un point de vue matériel, étant donné qu'un relais échangera beaucoup plus de trafic LoRaWAN avec le réseau que les capteurs conventionnels, les relais alimentés par batterie devraient avoir une plus grande capacité pour leur batterie. Le dimensionnement exact de la batterie du relais dépend du nombre de capteurs qu'il sert (jusqu'à 16) et du profil de trafic qu'il est censé relayer. Pour en savoir plus sur les besoins énergétiques des relais et des capteurs, consultez le calculateur de consommation énergétique.

Les autres exigences matérielles pour le relais incluent :

• Plus de RAM et d'espace flash que les capteurs conventionnels, pour permettre le stockage des clés de session de ses capteurs de fiabilité.
• Un oscillateur à cristal compensé en température (OCCT) est recommandé pour réduire la dérive de l'horloge.

Consommation d'énergie

Utilisez le calculateur de consommation d'énergie pour évaluer la durée de vie de la batterie du relais LoRaWAN et des capteurs relayés à partir d'estimations de consommation d'énergie (décomposées en estimations spécifiques pour la synchronisation Wake on Radio, Tx/Rx, sommeil et fuite de batterie).