La radio, de bout en bout

Un maillage ne fonctionne que si tous ses nœuds parlent exactement le même langage radio. Une seule valeur qui diffère, et l’appareil n’entend plus personne, sans aucun message d’erreur.

Mais le préréglage ne fait pas tout : entre la puce et l’air, il y a une antenne, un câble, un environnement électromagnétique et un relief. Cette page les prend dans l’ordre.

Le préréglage France

set radio 869.618,62.5,8,8
set tx 27
set dutycycle 10

Pourquoi 869,618 MHz. Cette fréquence se trouve dans la sous-bande P, de 869,4 à 869,65 MHz, la seule du 868 MHz où la réglementation européenne autorise 500 mW et 10 % de rapport cyclique. Ailleurs dans la bande, c’est 25 mW et 0,1 à 1 %, soit une portée et un temps de parole bien moindres.

Elle est aussi placée plus haut que 869,525 MHz, la fondamentale où émettent beaucoup d’équipements industriels. Un préréglage à canal large les y ramènerait par effet de largeur.

Ce que coûte la bande étroite. 62,5 kHz donne de la portée et de la sensibilité, mais un message met plus longtemps à passer. Sur un canal chargé, c’est le temps de parole qui devient la contrainte, pas la portée.

UHF, et une modulation à part

C’est de l’UHF. La bande UHF va de 300 MHz à 3 GHz : 869,618 MHz est donc en bas de l’UHF, juste au-dessus de la VHF qui s’arrête à 300 MHz. C’est le même voisinage que la téléphonie 900 MHz ou la télévision numérique terrestre.

À cette fréquence, la longueur d’onde est de 34,5 cm. Ce chiffre sert tous les jours : un quart d’onde mesure 8,6 cm, un demi-onde 17,3 cm. Une antenne fouet de 8 à 9 cm est donc plausible, une antenne de 20 cm ne l’est pas sans bobine d’adaptation.

La modulation n’est ni OOK, ni FSK, ni PSK : c’est du LoRa, c’est-à-dire un étalement de spectre par chirps, des signaux qui balaient la bande en fréquence. Le procédé est propriétaire, développé par Semtech, et il explique la plupart des propriétés du réseau.

Ce que les chirps apportent : un gain de traitement. Le récepteur sait exactement à quoi ressemble un chirp, il peut donc le retrouver dans du bruit plus fort que lui. Concrètement, à SF8, un signal reste décodable jusqu’à 10 dB sous le plancher de bruit. Aucune modulation classique ne fait ça, et c’est ce qui donne à LoRa sa portée pour une puissance dérisoire.

Ils résistent aussi aux échos : en ville ou en vallée, le signal arrive par plusieurs chemins, et un chirp étalé supporte ces décalages là où une modulation rapide se brouillerait.

Ce que coûtent les chirps : le débit. Les trois paramètres du préréglage se lisent ensemble.

Avec ces valeurs : un symbole dure 4,1 ms, le débit brut est d’environ 1 950 bit/s, et le débit utile après correction d’erreurs tombe à environ 980 bit/s. Un message de cent octets occupe donc à peu près une seconde d’antenne, ce qui explique tout le reste de cette page.

La sensibilité théorique correspondante est de l’ordre de −130 dBm, ce qui est considérable : c’est mille fois moins qu’un récepteur Wi-Fi ordinaire.

Le rapport cyclique

Le rapport cyclique, ou duty cycle, est la proportion du temps pendant laquelle un émetteur peut occuper la sous-bande, sur une fenêtre glissante d’une heure. En sous-bande P, il est de 10 %, soit six minutes d’émission par heure, cumulées.

Ce plafond s’applique par appareil, pas par réseau. Chaque répéteur dispose de ses six minutes, et c’est ce qui rend le maillage possible : à dix répéteurs, le réseau dispose d’une heure d’émission par heure, à condition que personne ne parle en même temps que son voisin.

C’est ce budget qui rend la convention d’annonces nécessaire : ce qu’un répéteur dépense en annonces, il ne l’a plus pour transporter les messages des autres.

La puissance, et ce qu’elle veut vraiment dire

Le plafond réglementaire porte sur la puissance apparente rayonnée, antenne comprise, pas sur ce que sort le module. C’est la PAR, ou ERP, et elle vaut 27 dBm, soit 500 mW.

PAR (dBm) = puissance du module − pertes du câble et des connecteurs + gain de l'antenne

Un module réglé à 22 dBm avec une antenne de 6 dBi et 1 dB de câble rayonne donc 27 dBm : on est à la limite, pas en dessous. Une antenne à fort gain n’autorise pas à garder la même puissance d’émission.

L’antenne

C’est le poste où un euro rend le plus. Devant la carte, devant la puissance, devant tout le reste.

Accordée sur 868 MHz. Une antenne prévue pour 433 MHz ou pour le Wi-Fi ne rayonne presque rien ici, et renvoie l’énergie vers l’émetteur. On vérifie avec le ROS, rapport d’ondes stationnaires : en dessous de 1,5 c’est bon, au-delà de 2 il y a un problème à chercher.

Verticale, dégagée, et le plus haut possible. La polarisation doit être la même des deux côtés de la liaison : deux antennes croisées perdent une vingtaine de décibels, c’est-à-dire presque tout.

Le gain n’est pas gratuit. Une antenne de 6 dBi ne crée pas d’énergie : elle aplatit le diagramme de rayonnement, gagnant à l’horizontale ce qu’elle perd vers le haut et vers le bas. En montagne, une antenne très directive placée haut peut « survoler » la vallée qu’elle est censée couvrir.

Le plan de masse compte pour les antennes qui en réclament un. Un fouet monté sur un boîtier plastique sans plan de masse rayonne mal, et son accord dérive.

Le câble, ce voleur discret

À 868 MHz, un câble médiocre annule le bénéfice d’une bonne antenne. Les pertes se comptent en décibels pour 100 mètres, mais c’est sur 10 ou 20 mètres qu’on les subit.

Trois décibels perdus, c’est la moitié de la puissance. Et la perte s’applique deux fois : à l’émission et à la réception. Un câble de 5 dB transforme un répéteur correct en répéteur sourd.

Trois règles simples : le câble le plus court possible, quitte à monter le boîtier près de l’antenne ; des connecteurs sertis et étanchés, l’eau dans un connecteur fait grimper le ROS en quelques semaines ; et pas d’adaptateurs en cascade, chacun coûte une fraction de décibel et un point de panne.

Filtres et cavités

Un point haut est rarement occupé par vous seul. Répéteur de téléphonie, faisceaux hertziens, radioamateurs, télévision : un émetteur puissant à quelques mètres sature l’étage d’entrée du récepteur, même s’il n’émet pas sur votre fréquence. C’est la désensibilisation, et elle se manifeste par un répéteur qui n’entend plus rien sans qu’aucun réglage n’ait changé.

Un filtre à cavité coûte cher et pèse lourd, mais sur un pylône partagé il fait la différence entre un répéteur qui entend à 20 km et un répéteur qui n’entend personne. On ne l’installe pas par principe : on l’installe quand la mesure montre qu’on en a besoin, bruit de fond élevé ou sensibilité effondrée à proximité d’un site connu.

Mesurer avant d’acheter. Le niveau de bruit se relève avec la commande de statistiques du nœud, et se compare à un site calme. Un plancher de bruit anormalement haut est le signe à guetter.

La zone de Fresnel

La zone de Fresnel est le volume ellipsoïdal autour de la ligne de vue directe entre deux antennes. Une part importante de l’énergie y transite : la vue dégagée ne suffit pas, ce volume doit l’être aussi.

Le rayon de la première zone à mi-parcours, à 869 MHz :

r = 8,657 × √(d / f)      d en km, f en GHz, r en mètres
r ≈ 9,29 × √(d)           à 869 MHz

Un dégagement de 60 % du rayon est considéré comme suffisant. Autrement dit, sur une liaison de 10 km, un obstacle qui s’approche à moins de 18 m de l’axe commence à coûter.

S’y ajoute la courbure terrestre, sensible au-delà de 10 km : la Terre s’interpose d’environ 2 m à 10 km, 8 m à 20 km, et il faut l’ajouter à la hauteur d’obstacle.

C’est pour cela qu’un répéteur posé dix mètres plus haut change parfois tout, alors qu’une puissance doublée ne change rien : on ne gagne pas contre un obstacle avec des décibels.

Ce qui décide vraiment d’une liaison

Dans l’ordre où ça compte :

1. Ce qu’il y a entre les deux, relief et bâti, zone de Fresnel comprise.
2. La hauteur des antennes, qui est la seule façon de contourner le premier point.
3. L’antenne et le câble, qui décident de ce qui part et de ce qui revient.
4. L’environnement électromagnétique, qui décide de ce qu’on est capable d’entendre.
5. Les réglages radio, en dernier, parce qu’ils sont les mêmes pour tout le monde.

On voit souvent l’ordre inverse : on change le facteur d’étalement en espérant gagner de la portée, alors qu’un arbre est dans l’axe.