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Construire des réseaux sans fil longue portée pour les marchés mondiaux Ronald Singh

Source: Getty Images

La bande 2,4 GHz est depuis longtemps considérée comme la bande par défaut pour de nombreux réseaux sans fil orientés IoT comme le Wi-Fi, le Bluetooth, ZigBee, le 802.15.4, etc.

Dans la plupart des cas d’usage, cette bande de fréquences présente de nombreux avantages sur le plan du débit de données, de la topologie, de la charge de la batterie, etc., mais aussi un inconvénient majeur, à savoir une portée limitée. Prenons l’exemple d’une application à faible débit de données reposant sur le protocole ZigBee. Une antenne bien conçue permet d’atteindre une portée de 1 km. Mais qu’en est-il lorsqu’une couverture plus étendue s'avère nécessaire ?

Options permettant d'atteindre une plus longue portée

Bien entendu, il existe d’autres options que le 2,4 GHz pour obtenir une couverture plus étendue. Parmi celles-ci, les protocoles LoRa et Sigfox semblent tout désignés et des solutions basées sur la technologie cellulaire comme les réseaux NB-IoT et LTE-M sont également envisageables. Or, si ces solutions permettent effectivement d’étendre la portée du réseau, elles sont également associées à des inconvénients. Le déploiement d’un réseau LoRa exige par exemple d’installer des passerelles et les solutions cellulaires requièrent des cartes SIM et entraînent des coûts forfaitaires pour le transfert de données. Dès lors, les bandes de fréquences inférieures à 1 GHz (863-870 MHz pour l’Europe et 900 MHz pour les régions États-Unis, Australie, Asie et Japon) méritent d’être prises en considération, d’autant plus qu’elles offrent la possibilité de prendre en charge une variété de topologies.

Bande ISM inférieure à 1 GHz

Les bandes basses ont une portée significativement plus longue que la bande 2,4 GHz. En fonction de la configuration de l’amplificateur de puissance et de l’antenne, il est possible d’atteindre une portée de plusieurs dizaines de kilomètres. De plus, en vertu de la nature même des longueurs d’onde plus longues, les bandes basses ont moins à pâtir de la réflexion du signal et de la diffraction causée par les obstacles. Par ailleurs, la bande 2,4 GHz est victime de son succès. Parce qu’elle est devenue la bande standard pour quantité de technologies et de protocoles, elle est aussi complètement congestionnée, notamment par les signaux de transmission des routeurs Wi-Fi, des compteurs ZigBee et d’une kyrielle d’appareils Bluetooth grand public. De leur côté, les bandes basses ISM (Sub-GHz) sont moins abondamment utilisées. Elles sont généralement dédiées à des usages très spécifiques, le plus souvent avec des liaisons à faible coefficient d’utilisation, ce qui les rend aussi moins sujettes aux interférences. Du fait qu’elles sont utilisées pour des applications à faible débit de données, les bandes basses ont pour autre avantage d’être généralement à faible consommation d’énergie.

Modules Sub-GHz XBee SX et XR de Digi

Le fabriquant Digi propose toute une gamme de modules et modems RF précertifiés Sub-GHz pour la conception de systèmes embarqués. La série de modules Digi XBee® est disponible en différents formats pour montage traversant, montage en surface ou micromontage et propose de multiples interfaces, dont le point-à-multipoint et le DigiMesh® sur les fréquences 900 MHz et 868 MHz. Des modules RF supplémentaires sont disponibles pour les applications nécessitant davantage de puissance ou une plus longue portée.

Les modules Digi de la famille XBee® SX sont capables d’exécuter un protocole réseau propriétaire DigiMesh® ou point-à-multipoint grâce à un microcontrôleur Silicon Labs basse consommation et un émetteur-récepteur Analog Devices ADF7023. Ils sont également dotés d’un filtre à ondes de surface (filtre SAW) intégré affichant les meilleures performances de l’industrie en termes de blocage des interférences. Le Digi XBee SX 868 fonctionne entre 863 MHz et 870 MHz et peut donc être déployé dans plusieurs régions du monde (dont l’Europe) pour atteindre une portée maximale de 14,5 km. Les modules RF XBee® SX 900 MHz de Digi sont destinés à d’autres régions du monde, dont les États-Unis, le Brésil, le Japon, l’Australie et le marché asiatique. Ils disposent pour leur part d’options à gain élevé capables de couvrir un rayon de 40 miles (64 km).

Figure 1: la famille de modules XR prend en charge les bandes longue portée standard du monde entier

Le nouveau module XBee® XR de Digi est une solution compacte et fiable prenant en charge le déploiement d’applications de connectivité longue portée. Le module précertifié 868 XR fonctionne entre 863 et 870 MHz conformément aux normes européennes. Il prend en charge les protocoles de réseau point-à-point et de réseau maillé et peut atteindre une portée en visibilité directe de plus de 14 km. Le module 900 XR fonctionne quant à lui entre 902 et 928 MHz en conformément aux normes et peut couvrir un rayon de 17 km en visibilité directe. Les modules de la famille XR sont faciles à configurer avec XCTU®, un logiciel convivial édité par Digi, ou à l’aide de jeux de commandes AT ou API simplifiés, eux aussi fournis par le fabricant. Ces modules sont précertifiés pour une utilisation dans plusieurs pays et sont dotés d’antennes intégrées, ce qui permet d’éviter les coûts liés au développement et au support RF, mais aussi d’accélérer la mise sur le marché des conceptions OEM. Le module XBee XR utilise l’étalement de spectre par saut de fréquence (FHSS) et affiche une plage de températures de fonctionnement de niveau industriel (de -40 à 85 °C). Il convient donc parfaitement à une utilisation dans des environnements difficiles ou bruyants pour la mise en œuvre d’applications agricoles ou énergétiques qui exigent une capacité de communication à longue distance. Les fonctions LBT + AFA (Listen Before Talk et Adaptive Frequency Agility) sont portées par les bandes sub-GHZ et les fréquences voisines. Ces fonctions ont pour but d’écouter l’environnement radio avant le début de toute transmission et de changer automatiquement de canal lorsqu’une interférence est détectée, ce qui réduit considérablement les nuisances liées aux interférences. Cette technique brevetée de balayage de fréquences est exécutée automatiquement et en quelques microsecondes seulement. Les performances globales du module n’en sont donc nullement affectées. L’un des principaux avantages de cette famille de modules est que, indépendamment de la bande de fréquences utilisée ou de leur certification régionale, tous les modules ont le même format et le même brochage. Ainsi, même si votre produit fini est destiné à être expédié dans différentes parties du monde, l’agencement de votre PCB reste « universel », puisqu’il pourra accueillir le module approprié, quel que soit le marché de destination.

Figure 2: le kit de développement XR permet la mise en place d’une solution réseau spécifique au client

Le module Digi XBee XR est une solution matérielle et logicielle complète prête à l'emploi. Les kits de développement et les outils Digi XBee prennent en charge le cycle de vie complet des applications IoT : évaluation, tests, prototypage, fabrication, déploiement, gestion du réseau à long terme, etc.

Conclusion

Le Sub-GHz et le 2,4 GHz sont des bandes ISM populaires. Si les bandes basses se distinguent par leur connectivité longue portée, leur basse consommation et leur résistance aux interférences de signal, le 2,4 GHz s’avère plus énergivore, à une portée plus limitée et les technologies cellulaires s’avèrent plus coûteuses. La gamme de modules Sub-GHz SX et XR de Digi exploite ces bandes ISM afin d’offrir une couverture plus étendue et prennent en charge plusieurs topologies. Le format de ces modules permet de les déployer presque partout dans le monde. Leur empreinte unique facilite la conception et l’agencement des PCB. Enfin, la suite d’outils de conception de Digi permet d’accélérer la mise sur le marché.



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Ronald Singh est directeur des ventes pour la distribution de tous les produits Digi International dans la région EMEA ainsi que pour toutes les ventes de la division commerciale OEM Solutions.


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