FR3155992A1

FR3155992A1 - Secure LoRa frequency-hopping communication device

Info

Publication number: FR3155992A1
Application number: FR2313293A
Authority: FR
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2023-11-29
Filing date: 2023-11-29
Publication date: 2025-05-30
Also published as: FR3155993A1

Abstract

Dispositif de communication LoRa sécurisé à sauts de fréquences L’invention concerne un dispositif couplant l’emploi du protocole de communication LoRa avec des techniques de sauts de plages de fréquences. Le dispositif ainsi constitué permet de bénéficier des avantages des deux approches. Une grande postée avec une faible consommation électrique et une détectabilité faible grâce au LoRa et une résilience au brouillage et à l’interception grâce à l’évasion de fréquence.Secure LoRa communication device with frequency hopping The invention relates to a device combining the use of the LoRa communication protocol with frequency range hopping techniques. The device thus constituted allows to benefit from the advantages of both approaches. A large post with low power consumption and low detectability thanks to LoRa and resilience to jamming and interception thanks to frequency evasion.

Description

Secure LoRa frequency-hopping communication device

L’invention concerne un module électronique utilisant le protocole LoRa avec évasion de fréquence par plages tout en étant basse consommation électrique.The invention relates to an electronic module using the LoRa protocol with frequency evasion by ranges while having low power consumption.

L'évasion de fréquence est une technique utilisée dans les communications sans fil pour améliorer la sécurité et la résistance aux interférences. Cette méthode consiste à changer de fréquence de transmission à des intervalles réguliers et synchronisés entre l'émetteur et le récepteur. L'idée est de rendre plus difficile la détection et l'interception des signaux, ainsi que de réduire les risques d'interférences provenant d'autres dispositifs opérant sur la même fréquence. En effectuant des sauts de fréquence à une cadence rapide et préétablie, le système de communication peut échapper aux tentatives d'interception ou de brouillage, ce qui renforce la sécurité et la confidentialité des transmissions sans fil. Cette technique est fréquemment utilisée dans les systèmes sans fil sécurisés et d'autres applications sensibles.Frequency hopping is a technique used in wireless communications to improve security and resistance to interference. This method involves changing the transmission frequency at regular intervals synchronized between the transmitter and receiver. The idea is to make signal detection and interception more difficult and to reduce the risk of interference from other devices operating on the same frequency. By frequency hopping at a rapid, pre-established rate, the communications system can evade interception or jamming attempts, increasing the security and confidentiality of wireless transmissions. This technique is frequently used in secure wireless systems and other sensitive applications.

LoRa (Long Range) est une technologie de communication sans fil à basse consommation d'énergie, conçue principalement pour les applications de l'Internet des objets (IoT). Contrairement aux systèmes traditionnels d'évasion de fréquence, telle que la technique de saut de fréquence utilisée dans le spectre étendu, LoRa utilise une modulation à spectre étalé basée sur la modulation de fréquence et une technique appelée "chirp spread spectrum".La modulation chirp spread spectrum permet à LoRa d'atteindre de longues portées tout en conservant une faible consommation d'énergie. En général, la robustesse de LoRa face aux interférences et sa capacité à traverser des obstacles font qu'il est moins vulnérable aux problèmes typiques rencontrés par d'autres technologies sans fil. Bien que LoRa n'utilise pas l'évasion de fréquence dans le sens traditionnel, il dispose de mécanismes intégrés pour gérer les interférences et maintenir la fiabilité des communications dans des environnements difficiles.LoRa (Long Range) is a low-power wireless communication technology designed primarily for Internet of Things (IoT) applications. Unlike traditional frequency-hopping schemes, such as the frequency-hopping technique used in extended spectrum, LoRa uses spread-spectrum modulation based on frequency modulation and a technique called chirp spread spectrum. Chirp spread spectrum modulation allows LoRa to achieve long ranges while maintaining low power consumption. In general, LoRa's robustness to interference and its ability to pass through obstacles make it less vulnerable to the typical problems encountered by other wireless technologies. Although LoRa does not use frequency-hopping in the traditional sense, it has built-in mechanisms to manage interference and maintain reliable communications in harsh environments.

Ainsi, en couplant une approche d’évasion de fréquence par sauts de plages de fréquences et une approche LoRa, le dispositif ainsi créé, objet du présent brevet, dispose d’atouts de portée, de discrétion et de robustesse inégalés tout en étant basse consommation constituant une des caractéristiques principales de l’invention.Thus, by coupling a frequency evasion approach by hopping frequency ranges and a LoRa approach, the device thus created, the subject of this patent, has unrivaled advantages of range, discretion and robustness while being low consumption, constituting one of the main characteristics of the invention.

Les modules tels que décrit précédemment se caractérisent également par leur capacité à constituer plusieurs topologies de réseaux de communication :The modules as described above are also characterized by their ability to constitute several communication network topologies:

-Réseau Point à Point (P2P) : Une communication directe entre deux dispositifs LoRa. C'est une configuration simple et directe, idéale pour des applications nécessitant une liaison directe entre deux points.-Point-to-Point (P2P) Network: Direct communication between two LoRa devices. It is a simple and straightforward configuration, ideal for applications requiring a direct link between two points.

-Réseau Point à Multipoint (P2MP) : Un dispositif LoRa central communique avec plusieurs dispositifs périphériques. Cela peut être utile dans des applications telles que la surveillance, ou tout autre cas où un point central doit collecter des données provenant de plusieurs capteurs distants.-Point-to-Multipoint (P2MP) network: A central LoRa device communicates with multiple peripheral devices. This can be useful in applications such as surveillance, or any other case where a central point needs to collect data from multiple remote sensors.

-Réseau Mesh : Un réseau maillé où chaque dispositif peut servir de nœud relais pour étendre la portée du réseau. Cela améliore la couverture et la résilience du réseau, permettant aux données de trouver le chemin le plus efficace entre les nœuds.-Mesh Network: A mesh network where each device can act as a relay node to extend the network's reach. This improves network coverage and resilience, allowing data to find the most efficient path between nodes.

-Réseau Privé : Une organisation peut déployer son propre réseau LoRaWAN pour des besoins spécifiques, par exemple dans un campus d'entreprise ou une installation industrielle. Cela donne un contrôle total sur le réseau et ses performances.-Private Network: An organization can deploy its own LoRaWAN network for specific needs, such as a corporate campus or industrial facility. This provides complete control over the network and its performance.

-Réseau Hybride : Une combinaison de plusieurs configurations pour répondre à des besoins spécifiques. Par exemple, un réseau hybride peut inclure des liaisons P2P pour la communication directe entre certains dispositifs et un réseau mesh pour étendre la portée.-Hybrid Network: A combination of multiple configurations to meet specific needs. For example, a hybrid network might include P2P links for direct communication between some devices and a mesh network to extend the range.

L’invention se distingue de l’état de l’art par l’utilisation du protocole de communication LoRa pour la communication multi canaux avec saut de plages de fréquences disjointes. Cette caractéristique permet à l’invention de disposer d’une résilience forte en milieu bruité ou encore au brouillage radiofréquence. En outre, cette capacité multifréquences en utilisant le protocole LoRa rend la détection des communications entre les dispositifs difficile à détecter et à intercepter.The invention differs from the state of the art by the use of the LoRa communication protocol for multi-channel communication with hopping of disjoint frequency ranges. This characteristic allows the invention to have strong resilience in noisy environments or even to radio frequency interference. In addition, this multi-frequency capability using the LoRa protocol makes the detection of communications between devices difficult to detect and intercept.

Le dispositif objet de ce brevet peut être employé en tant que composant de communication pour tout objet ou capteur nécessitant la transmission d’informations vers ou depuis un ou plusieurs autre(s) périphérique(s) centralisateur(s). Il peut également être utilisé pour l’envoie de commandes à des dispositifs mobiles types drones.The device covered by this patent can be used as a communication component for any object or sensor requiring the transmission of information to or from one or more other centralizing peripheral(s). It can also be used for sending commands to mobile devices such as drones.

Le dispositif, couplé à un écran et un moyen de contrôle type clavier peut être utilisé pour la transmission bidirectionnelle de données de type texte. L’entrée texte peut également être réalisée par la voix puis un système de transcription automatique par reconnaissance de langage. Dans ce cas d’usage, les lois de transmissions entre dispositifs peuvent être adaptées pour garantir la résilience de la transmission, sa robustesse au brouillage RF mais également sa sécurité par transmissions parcellaires sur plusieurs canaux et/ou par ajout d’une couche de cryptage avant envoi. Ce faisant les dispositifs constituent un système de communication radio type « talkie-walkie » résiliant et discret.The device, coupled with a screen and a keyboard-type control means, can be used for bidirectional transmission of text-type data. Text input can also be performed by voice and then an automatic transcription system using language recognition. In this use case, the transmission laws between devices can be adapted to guarantee the resilience of the transmission, its robustness to RF jamming but also its security by fragmented transmissions on several channels and/or by adding a layer of encryption before sending. In doing so, the devices constitute a resilient and discreet “walkie-talkie” type radio communication system.

Ainsi, l’invention se distingue de l’état de l’art en couplant deux approches différentes de l’utilisation des fréquences à des fins de communication.Thus, the invention differs from the state of the art by coupling two different approaches to the use of frequencies for communication purposes.

L’invention se distingue notamment du brevet WO2017129447A1·2017-08-03 qui décrit un procédé informatique de synchronisation pour un nœud dans un réseau cellulaire. Il décrit un procédé de synchronisation d’une première passerelle LoRa destiné à permettre à la première de fonctionner selon le mode de communication de classe B. Notre concept utilise les ressources de la technologie et du protocole LoRa pour transmettre des données dont certaines indiqueront la bande de fréquence (LoRa N1, LoRa N2, Lora NN) ainsi que le numéro du canal de communication et la classe de fonctionnement. En fonction du contexte d’emploi, plusieurs modes de synchronisation existent entre les modules tels que des émissions synchrones permettant le partage d’une horloge, l’échange de clés à l’initialisation ou encore l’emploi de blockchain entre les modules.The invention is distinguished in particular from patent WO2017129447A1 2017-08-03 which describes a computer synchronization method for a node in a cellular network. It describes a method for synchronizing a first LoRa gateway intended to allow the first to operate according to the class B communication mode. Our concept uses the resources of the LoRa technology and protocol to transmit data, some of which will indicate the frequency band (LoRa N1, LoRa N2, LoRa NN) as well as the number of the communication channel and the operating class. Depending on the context of use, several synchronization modes exist between the modules such as synchronous transmissions allowing the sharing of a clock, the exchange of keys at initialization or even the use of blockchain between the modules.

L’invention se distingue du brevet WO2017068305A1 qui décrit un procédé de réveil d'une station de base, actionneur, station de base et système correspondants. L'invention concerne un procédé de réveil d'une station de base (BS) d'un réseau d'accès d'un premier réseau (2G, 3G, 4G, 5G) de télécommunication. Le réveil de la station intervient depuis un mode d'hibernation suite à la détection d'un paquet de données spécifiques reçu via une interface filaire. Le module est entièrement autonome et sa sécurité intrinsèque se base sur l’activité d’un accéléromètre. Le peut être sorti du mode hibernation par un message reçu à la manière du « Wake on Lan ».The invention differs from patent WO2017068305A1 which describes a method for waking up a base station, corresponding actuator, base station and system. The invention relates to a method for waking up a base station (BS) of an access network of a first telecommunications network (2G, 3G, 4G, 5G). The station is woken up from a hibernation mode following the detection of a specific data packet received via a wired interface. The module is entirely autonomous and its intrinsic security is based on the activity of an accelerometer. It can be taken out of hibernation mode by a message received in the manner of "Wake on Lan".

On connait le brevet EP4199548A1 qui décrit une balise IoT sécurisée dans un système de localisation et d’échanges de données. Ce brevet décrit un mécanisme connu et standard de mise en réseau LoRa et adapté à des balises pouvant être mobiles et permettant de couvrir un réseau dense de balises et de nœuds ce qui ne correspond pas au mode B2S. De plus la solution décrite dans ce brevet présente le défaut de ne pas être protégée contre les attaques de type cyber, en particulier sur la liaison courte portée Bluetooth qui ne garantit pas la sécurisation des flux. Notre module n’intègre pas la communication Bluetooth. Ce brevet revendique une plateforme électronique classique équipée d’entrées-sorties et un protocole de communication encryptée. Ce brevet indique que la balise peut être configurée pour transmettre en utilisant un lien de communication LoRa dans la bande de fréquence ISM EU 868MHz ou ISM US 915 MHz. Les modules LoRa embarqués dans le module objet de ce brevet permettent de couvrir plusieurs bandes de fréquences distinctes de communication et ne se limitent pas au seul ISM. L’aspect sécurité et intégrité de communication du module objet de notre brevet est réalisé par un mécanisme original d’évasion de fréquence incluant un saut de bandes et de canaux.We know the patent EP4199548A1 which describes a secure IoT beacon in a location and data exchange system. This patent describes a known and standard LoRa networking mechanism and adapted to beacons that can be mobile and allow to cover a dense network of beacons and nodes which does not correspond to the B2S mode. In addition, the solution described in this patent has the defect of not being protected against cyber attacks, in particular on the short-range Bluetooth link which does not guarantee the security of the flows. Our module does not integrate Bluetooth communication. This patent claims a classic electronic platform equipped with inputs-outputs and an encrypted communication protocol. This patent indicates that the beacon can be configured to transmit using a LoRa communication link in the ISM EU 868MHz or ISM US 915 MHz frequency band. The LoRa modules embedded in the module covered by this patent make it possible to cover several distinct communication frequency bands and are not limited to ISM alone. The security and communication integrity aspect of the module covered by our patent is achieved by an original frequency evasion mechanism including band and channel hopping.

L’Internet des objets (IoT) a de fortes applications dans le domaine de la sécurité où il se développe rapidement. Il assure via un réseau cohésif, une connectivité résiliente et discrète accroissant ainsi la connaissance de la situation locale, l’évaluation des risques et diminuant le temps de réponse.The Internet of Things (IoT) has significant applications in the security sector, where it is rapidly developing. It provides resilient and discreet connectivity through a cohesive network, thereby increasing local situational awareness, risk assessment, and reducing response time.

L’intégration de signaux provenant d’un ensemble de capteurs divers et dynamiques, y compris des capteurs au sol statiques et des capteurs portés par l’homme tout comme le déclenchement à distance d’effecteurs en toute sécurité par l’homme de terrain qui ne doit être ni détecté, ni intercepté ou bloqué, représentent de nombreux défis critiques auxquels est confrontée la mise en œuvre de solutions de communications en milieu perturbé ou hostile.Integrating signals from a diverse and dynamic set of sensors, including static ground sensors and human-worn sensors, as well as the remote triggering of effectors safely by the ground man who must not be detected, intercepted or jammed, represent many critical challenges facing the implementation of communications solutions in disturbed or hostile environments.

Les réseaux de communication existants ne sont pas adaptés aux applications de l’IoBT tant en portée, autonomie et coût. De plus, suivant l’endroit où les modules déposés sont amenés à être positionnés, la couverture par des médias de communication classique peut ne pas être possible et ou disponible voire pas souhaitable ne serait-ce que pour des raisons de sécurité et de discrétion.Existing communication networks are not suitable for IoT applications in terms of range, autonomy, and cost. Furthermore, depending on where the modules are to be installed, coverage by traditional communication media may not be possible or available, or even desirable, if only for reasons of security and discretion.

Pour atteindre ces objectifs et lever toutes ces difficultés, l’invention met à profit la technologie LoRa et l’évasion de fréquences par saut de plages.To achieve these objectives and overcome all these difficulties, the invention uses LoRa technology and frequency evasion by range hopping.

On connait le brevet EP3637845A1 qui décrit un procédé de communication basé sur un protocole de transmission par trames. Ce brevet propose un procédé de communication afin de transmettre une quantité conséquente de données sur un réseau de type LoRaWAN. Notre module objet de ce brevet quant à lui s’appuie sur des briques technologiques qui intègrent déjà tout le protocole de communication par trames et conteneurs destinés à transporter les données utiles. Notre module objet de ce brevet est conçu pour de petites quantités de données montantes ou descendantes.We know the patent EP3637845A1 which describes a communication method based on a frame transmission protocol. This patent proposes a communication method to transmit a significant amount of data on a LoRaWAN type network. Our module, the subject of this patent, is based on technological bricks that already integrate the entire frame communication protocol and containers intended to transport useful data. Our module, the subject of this patent, is designed for small amounts of uplink or downlink data.

Les domaines d’emploi de cette approche innovante sont gigantesques. En effet dès lors qu’une communication sans fil est nécessaire, le dispositif trouve sa place. En passant de l’internet des objets, au suivi de machines industrielles ou encore les communications sécurisées, le dispositif redéfinit l’état de l’art des communications sécurisées longue distance, à faible signature électromagnétique, faible consommation pour un faible volume de données à transmettre.The applications for this innovative approach are enormous. Indeed, wherever wireless communication is required, the device finds its place. From the Internet of Things to industrial machine monitoring and secure communications, the device redefines the state of the art in long-distance secure communications, with low electromagnetic signature, low power consumption, and a low volume of data to be transmitted.

Les entrées/sorties des cartes de communications telles que décrites précédemment sont multiples et intègrent ou peuvent intégrer notamment des modules tels que :GPIO, I2C, SPI, UART, USB, Ethernet, etc.The inputs/outputs of the communications cards as described above are multiple and integrate or can integrate modules such as: GPIO, I2C, SPI, UART, USB, Ethernet, etc.

Cette versatilité des entrées/sorties rend quasiment direct l’emploi du dispositif pour la surveillance de type capteur déposé en autonomie énergétique ou encore son intégration dans des systèmes déjà existant pour accroitre leur capacité de communication.This versatility of inputs/outputs makes the device almost direct to use for monitoring of the sensor type deposited in energy autonomy or even its integration into existing systems to increase their communication capacity.

Dans le cas du capteur autonome, le dispositif peut intégrer un module GPS ainsi qu’un ou plusieurs capteurs et modules de communication complémentaires.In the case of the autonomous sensor, the device can integrate a GPS module as well as one or more complementary sensors and communication modules.

Claims

LoRa communication module, with frequency evasion over several disjoint frequency ranges, capable of constituting different communication network topologies.

Communication device as described in 1 characterized in that it is coupled with a computer screen allowing the sending and receiving of text data.

Communication device as described in 1 and 2 characterized in that it integrates voice recognition for text transcription.

Device as described in 1 characterized in that it performs effector management.

Device as described in 1 characterized in that it is energy autonomous and integrates one or more sensors allowing remote situation monitoring.