LoRa & LPWAN — longue portée, ultra-basse consommation¶

Envoyer 12 octets à 10 km sur une pile AA pendant 10 ans : les réseaux LPWAN redéfinissent ce qu'il est possible de faire sans infrastructure cellulaire ni alimentation secteur.

LoRa — la modulation physique¶

LoRa (Long Range) est une modulation radio propriétaire développée par Semtech, basée sur la technique CSS (Chirp Spread Spectrum). Le signal est encodé dans la variation de fréquence d'un chirp (signal dont la fréquence augmente ou diminue linéairement).

Paramètres radio¶

Trois paramètres configurables définissent les performances d'un lien LoRa :

Impact du Spreading Factor¶

graph LR
    SF7["SF7\nDébit : 5,5 kbit/s\nPortée : ~2 km\nToa (20B) : ~36 ms"] --> SF9
    SF9["SF9\nDébit : 1,76 kbit/s\nPortée : ~8 km\nToa (20B) : ~144 ms"] --> SF12
    SF12["SF12\nDébit : 290 bit/s\nPortée : ~15 km\nToa (20B) : ~990 ms"]
    style SF7 fill:#2d6a4f,color:#fff
    style SF9 fill:#40916c,color:#fff
    style SF12 fill:#74c69d,color:#fff

Le Time on Air (ToA) augmente exponentiellement avec le SF : un message de 20 octets en SF12 reste en l'air ~1 s, contre ~36 ms en SF7. Cette durée est critique pour la réglementation radio (duty cycle ≤1% en Europe, bande 868 MHz).

LoRaWAN — le protocole réseau¶

LoRaWAN (LoRa Alliance) est le protocole MAC et réseau qui s'appuie sur la modulation LoRa. Il définit l'architecture réseau, la sécurité, les classes de devices et la gestion du débit adaptatif.

Architecture¶

graph LR
    subgraph Terrain
        D1[End Device\nCapteur] -- LoRa RF --> GW1[Gateway]
        D2[End Device\nActuateur] -- LoRa RF --> GW1
        D3[End Device] -- LoRa RF --> GW2[Gateway]
    end

    subgraph Cloud
        GW1 -- IP/Internet --> NS[Network Server\nChirpStack / TTN]
        GW2 -- IP/Internet --> NS
        NS -- API --> AS[Application Server\nLogique métier]
        NS -- API --> JS[Join Server\nOTAA credentials]
    end

    AS -- données déchiffrées --> APP[Application\nDashboard / SCADA]

Les gateways sont de simples récepteurs transparents : elles relaient tous les paquets reçus au Network Server. Si plusieurs gateways captent le même message (redondance radio), le NS déduplique et choisit la meilleure copie.

Classes de devices¶

La Classe A est obligatoire pour toute device LoRaWAN. Les classes B et C sont des extensions optionnelles.

Sécurité — OTAA vs ABP¶

En OTAA, le Join Server dérive deux clés de session (NwkSKey, AppSKey) lors de chaque join. Les compteurs de frames protègent contre le rejeu.

ADR — Adaptive Data Rate¶

Le Network Server ajuste automatiquement le SF et la puissance d'émission de chaque device selon la qualité du lien (SNR). Objectif : maximiser le débit et minimiser le ToA → économie de batterie + libération du canal.

Sigfox — ultra-narrowband opéré¶

Sigfox est un réseau LPWAN ultra-narrowband (UNB) opéré par Sigfox SA / Unabiz. Le device émet sur une bande de 100 Hz seulement (contre 125 kHz pour LoRa), ce qui maximise la sensibilité du récepteur.

Caractéristiques clés¶

Limites¶

Sigfox est un réseau unidirectionnel de fait (downlink très limité). Le payload de 12 octets oblige à comprimer les données au maximum. Le modèle opéré implique une dépendance à l'opérateur (couverture, tarification, disponibilité du réseau). La technologie reste pertinente pour les très faibles volumes de données sur de longues distances.

NB-IoT — cellulaire LPWAN¶

NB-IoT (Narrowband IoT, 3GPP Release 13, 2016) utilise le spectre opérateur LTE sur 200 kHz. Déployé par les opérateurs télécoms sur leur infrastructure existante.

NB-IoT excelle pour les compteurs communicants (eau, gaz, électricité), les capteurs en sous-sol ou dans des bâtiments à forte atténuation. Le MCL (Maximum Coupling Loss) de 164 dB surpasse LoRaWAN dans les environnements très atténués.

LTE-M — cellulaire mobile IoT¶

LTE-M (LTE for Machines, Cat-M1, 3GPP Release 13) est un profil LTE réduit pour l'IoT, mais avec plus de capacités que NB-IoT.

LTE-M convient aux traceurs GPS mobiles, véhicules connectés, wearables médicaux : il supporte la mobilité et offre un débit suffisant pour les mises à jour OTA.

Tableau comparatif LPWAN¶

Choisir son réseau LPWAN¶

flowchart TD
    A{Mobilité nécessaire ?} -->|Oui| B{Débit > 100 kbit/s ?}
    A -->|Non| C{Infrastructure privée souhaitée ?}
    B -->|Oui| LM[LTE-M]
    B -->|Non| NB[NB-IoT]
    C -->|Oui| LW[LoRaWAN privé\nChirpStack + gateways]
    C -->|Non| D{Couverture opérateur disponible ?}
    D -->|Sigfox/NB-IoT| E{Payload < 12 octets ?}
    D -->|LoRa Alliance TTN| LW2[LoRaWAN public TTN]
    E -->|Oui| SFX[Sigfox]
    E -->|Non| NB2[NB-IoT]

Ce qu'il faut retenir¶

• LoRa est une modulation physique (CSS) ; LoRaWAN est le protocole réseau bâti dessus. Les deux sont souvent confondus à tort.
• Le Spreading Factor est le principal levier de compromis portée/débit/ToA — SF12 peut atteindre 15 km mais envoie 290 bit/s et monopolise le canal presque 1 s.
• OTAA est obligatoire en production LoRaWAN : les clés de session sont dérivées dynamiquement et rotatives.
• NB-IoT excelle en couverture profonde (sous-sol, caves) grâce à son MCL de 164 dB, et s'appuie sur l'infrastructure opérateur existante.
• LTE-M est le seul LPWAN qui supporte la mobilité réelle et la voix — le choix naturel pour les trackers et wearables médicaux.

Chapitre suivant : Zigbee, Z-Wave & mesh — réseaux maillés pour la domotique et le bâtiment intelligent.