LoRa et LoRaWAN : des piliers de l’IoT

Dans le domaine de l’Internet des Objets (IoT), LoRa et LoRaWAN occupent une place de choix respectivement en tant que modulation et protocole radio. Ces technologies LPWAN (Low Power Wide Area Networks – Réseau étendu à basse consommation) s’imposent ces dernières années comme des solutions incontournables pour le déploiement de systèmes IoT.

La technologie LoRa est low power, longue portée et polyvalente. Elle trouve des applications dans une multitude de secteurs, allant de la surveillance environnementale à la santé en passant par la logistique, l’agriculture intelligente et bien d’autres encore.

Malgré la concurrence historique avec Sigfox, qui est un réseau IoT présentant une approche similaire, LoRaWAN a su s’imposer grâce une plus grande flexibilité, son standard ouvert et la possibilité d’opérer son propre réseau. Ces avantages restent concurrentiels même face à des technologies plus haut débit comme le LTE-M et le NB-IoT (technologies cellulaires proches de la 4G) qui ont émergé ces dernières années.

Dans cet article, nous explorerons en détail ce que sont LoRa et LoRaWAN, leurs avantages et leur pertinence dans divers contextes. Nous examinerons également qui utilise et déploie ces technologies, et nous nous pencherons sur leur adaptation potentielle à vos besoins spécifiques dans le domaine de l’IoT.

LoRaWAN & LoRa : les fondements

LoRa : la modulation longue portée

LoRa (Long Range – longue portée) désigne la modulation des ondes radio utilisée. Pour les initiés du modèle OSI, il s’agit de la couche physique. LoRa repose sur une technique de modulation à étalement de spectre, où l’information est codée par des sauts de fréquences dans une bande libre située autour des 868 MHz en Europe. Comparée à des fréquences plus élevées comme celles du Wifi (2,4 GHz), cette fréquence plus basse, combinée à la technique de modulation, permet au signal de voyager sur de longues distances tout en restant décodable et intelligible par le récepteur.

Quelle portée et quel débit sont atteignables avec une modulation LoRa ?

En théorie, et dans des conditions optimales de visibilité directe, un signal LoRa émis à la puissance maximale autorisée en France dans la bande 868 MHz (14 dBm) pourrait parcourir jusqu’à 15 km. Cependant, cette portée étendue s’accompagne d’un compromis sur le débit de transmission, qui varie entre 0,3 et 5,5 Kbps. Comparativement, les réseaux Wifi offrent des débits bien plus élevés, exprimés non plus en kilobits par seconde, mais en mégabits par seconde (Mbps), mais sont très énergivores pour une portée d’une dizaine à une cinquantaine de mètres.

Le débit et l’étalement dans le spectre sont configurables. Ces paramètres jouent un rôle crucial : plus l’étalement dans le spectre est important et le débit est bas, plus le signal peut couvrir de grandes distances.

Il est également important de noter que la modulation LoRa peut être utilisée de manière indépendante avec une couche protocolaire totalement propriétaire, tout comme une modulation FSK à 868 MHz ou 433 MHz. Cela permet de bénéficier des avantages de la modulation pour des cas d’application où la couche protocolaire LoRaWAN ne serait pas adaptée, tels que les réseaux maillés. Cependant, LoRaWAN reste le standard et la couche protocolaire la plus largement utilisée dans l’industrie de l’IoT.

Quel modèle hardware choisir pour du LoRa ?

Pour émettre et recevoir des trames LoRa, une interface radio spécifique est nécessaire, propriété de Semtech. Cela peut se faire de deux manières : soit en utilisant une puce externe avec une chaîne de traitement RF, généralement paramétrable via SPI (comme les modèles SX1272, SX1262, LR110), soit en utilisant un module intégrant l’une de ces puces et s’interfaçant souvent via des commandes AT en liaison série.

LoRaWAN : La Norme de Connectivité

LoRaWAN (Long Range Wide Area Network – Réseau étendu à longue portée) constitue la couche MAC (Medium Access Control) reposant sur la modulation LoRa. Cette norme de connectivité a été spécialement conçue pour répondre aux exigences de l’Internet des Objets (IoT) en offrant une connectivité longue portée, une faible consommation d’énergie et une capacité à gérer de nombreux appareils. 

Comment fonctionne la norme LoRaWAN ?

LoRaWAN fonctionne selon un modèle de réseau en étoile, où les nœuds de capteurs communiquent avec des passerelles LoRaWAN, qui transfèrent ensuite les données vers un réseau central ou serveur. Ces passerelles agissent comme des points d’accès au réseau et sont généralement connectées à Internet via des technologies telles que l’Ethernet, le WiFi ou le GSM.

Les appareils sont répartis selon trois classes selon leur stratégie de communication descendante (des passerelles vers les équipements) :

• Classe A : La plus couramment utilisée et la plus économique en énergie. À chaque message émis, une courte période de réception est ouverte après l’émission. Cette fenêtre est utilisée pour transmettre à l’équipement des données utilisateurs ou des informations pour la gestion du réseau.
• Classe B : Les fenêtres d’écoute sont ouvertes plus régulièrement et en dehors des émissions. Ces écoutes sont synchronisées avec l’émission de trames appelées “beacons” émises par les passerelles (gateways en anglais). Elle est préconisée dans le standard pour être notamment utilisée pour les mises à jour logicielles (FUOTA – Firmware Update Over The Air).
• Classe C : Très énergivore, en permanence à l’écoute de messages descendants en dehors des périodes d’émission. Elle est utilisée par des équipements alimentés sur secteur, très pratique pour commander en temps réel des appareils.

Quelles sont les fonctionnalités de LoRaWAN ?

LoRaWAN offre des fonctionnalités essentielles dans le domaine de l’IoT :

• Variation du débit et de la puissance d’émission : Si l’équipement et la passerelle sont assez proches, cela permet d’optimiser l’utilisation du réseau.
• Voie descendante efficace et diversifiée : Comme vu avec les trois classes d’appareils.
• Récupération de l’heure UTC : Pour synchroniser les prises de mesure des capteurs ou programmer des actionneurs.
• Envoi de messages multicast : Permet de commander un parc d’appareils, par exemple, l’éclairage public d’un quartier à des horaires spécifiques.
• Sécurité avec chiffrement AES 128 des messages : Les clés de chiffrement sont soit déterminées lorsqu’un appareil rejoint le réseau en OTAA (Over-the-Air Activation), soit déjà en mémoire (Activation by Personalization). L’OTAA est privilégiée dans la plupart des architectures, car plus sécurisée.
• Acquittements des messages montants et descendants : Pour assurer la bonne réception des communications.

Selon le débit, un équipement LoRaWAN peut émettre et recevoir des trames de 51 à 222 octets, bien plus que son concurrent historique Sigfox (8 octets en voie descendante, 12 en voie montante).

Qui déploie de tels réseaux ?

• Opérateurs de réseau : Des entreprises spécialisées dans les services de connectivité IoT, déploient et gèrent des réseaux LoRaWAN à grande échelle. En France, on peut citer Orange (Live Object), Actility (ThingPark) ou historiquement Bouygues avec Objenious, qui a récemment abandonné son réseau LoRaWAN au profit du développement pour le LTE-M et NB-IoT. Ces opérateurs fournissent généralement une infrastructure réseau, y compris des passerelles, des serveurs de réseau et des outils de gestion, aux utilisateurs finaux.
• Entreprises : De nombreuses entreprises déploient des réseaux LoRaWAN pour répondre à leurs besoins spécifiques en matière de connectivité IoT. Par exemple, les entreprises du secteur des services publics utilisent des réseaux LoRaWAN pour surveiller les compteurs intelligents, tandis que les entreprises agricoles peuvent déployer des réseaux pour surveiller les conditions météorologiques et les cultures.
• Secteur public : Dans certains cas, des communautés locales, y compris des municipalités, des universités ou des organisations à but non lucratif, déploient des réseaux LoRaWAN pour offrir des services IoT. Ces initiatives peuvent viser à améliorer la qualité de vie dans les villes intelligentes ou à fournir des services de surveillance environnementale dans les zones rurales.
• Projets collaboratifs : Il existe également des projets collaboratifs où plusieurs organisations ou entités coopèrent pour déployer et exploiter des réseaux LoRaWAN. On peut par exemple mentionner TTN (The Things Network), un réseau collaboratif et communautaire où chacun peut installer une passerelle pour étendre le réseau.

LoRa et LoRaWAN : des technologies faites pour vos produits IoT ?

LoRa et LoRaWAN sont devenues des technologies incontournables dans l’univers de l’Internet des Objets (IoT). Grâce à leur capacité à fournir une connectivité longue portée tout en maintenant une faible consommation d’énergie, elles sont désormais des solutions privilégiées dans divers secteurs, de l’agriculture à la logistique, en passant par la santé et les services publics. Leur succès repose sur une flexibilité inégalée, un standard ouvert et la possibilité pour les utilisateurs de déployer leurs propres réseaux.

Une infrastructure puissante et versatile

La combinaison de LoRa pour la modulation et de LoRaWAN pour le protocole de communication forme une infrastructure puissante et versatile, essentielle pour l’évolution et la croissance de l’Internet des Objets. Ces technologies continueront à jouer un rôle clé dans le développement de solutions intelligentes et interconnectées, même face à ses concurrents qu’ils soient historiques comme Sigfox ou récents comme LTE-M ou NB-IoT.

Notons également que certains opérateurs de communication par satellite, tels que Lacuna Space, s’intéressent de près à la modulation LoRa et au protocole LoRaWAN pour adresser des messages à des constellations de satellites.

Intégration dans vos produits IoT

L’intégration de LoRa et LoRaWAN dans vos produits, qu’il s’agisse de capteurs ou d’actionneurs, peut grandement améliorer vos capacités de connectivité. Cette intégration peut varier en complexité et bénéficier de l’accompagnement de professionnels expérimentés dans l’IoT. En plus de la connectivité, une expertise étendue est nécessaire pour gérer l’infrastructure réseau, superviser un parc d’équipements en croissance, et traiter et visualiser les données collectées. Des bureaux d’études spécialisés comme le nôtre sont à même de vous accompagner dans l’ajout de connectivité LoRa sur des produits de surveillance, capteurs ou actionneurs existants ou l’intégration de stack LoRaWAN dans vos dispositifs.

Déploiement de solutions connectées LoRa / LoRaWAN

Solution de surveillance de cours et niveaux d’eau, mesure de qualité de l’air extérieur, maintenance prédictive d’équipements publics ou agricoles, comptage de personne, comptage et sous-comptage électrique, de gaz et d’eau… la liste des applications de LoRa/LoRaWAN à des solutions connectées complètes est longue, et continuera de s’allonger avec le développement de nouveaux capteurs, le déploiement continu de ses réseaux, et l’adoption de nouveaux cas d’usage.