Qu'est-ce que LoRaWAN et à quoi sert-il ?

Vous recherchez un réseau sans fil permettant de connecter des appareils alimentés par batterie dans des bâtiments, des campus et des villes, sans forfait de données onéreux ? Ce guide explique ce qu’est le LoRaWAN , comment il fonctionne, les types d’appareils courants, les spécifications par région et ses applications les plus pertinentes.

Qu'est-ce que LoRaWAN?

Le terme « LoRaWAN » désigne le protocole et l'architecture système du réseau LPWAN (Low Power Wide Area Network). La couche physique de LoRaWAN repose sur la modulation LoRa, permettant une communication longue distance entre les objets connectés, les passerelles et l'utilisateur final. La portée de LoRaWAN peut atteindre 15 km, soit bien plus que celle du Wi-Fi. De plus, LoRaWAN est plus économique à déployer que les technologies IoT cellulaires (dans les zones reculées). Le protocole LoRaWAN répond aux exigences de l'Internet des objets (IoT), telles que la communication bidirectionnelle, la sécurité de bout en bout, la mobilité et la prise en charge des services de géolocalisation.

Comment fonctionne LoRaWAN ?

LoRaWAN utilise la modulation LoRa pour transmettre de petits paquets de données sur de longues distances avec une faible consommation d'énergie. Son architecture repose sur une topologie en étoile : les dispositifs (nœuds finaux) transmettent les données aux passerelles les plus proches, et plusieurs passerelles peuvent recevoir le même message. Les passerelles acheminent les paquets vers un serveur réseau via IP, qui effectue la déduplication, vérifie la sécurité et route les données authentifiées vers le serveur d'application ou l'application appropriée.

Qu'est-ce qu'une passerelle LoRaWAN ?

La passerelle LoRaWAN est un dispositif qui assure la couverture LoRaWAN, à l'instar d'un réseau cellulaire, permettant aux appareils LoRaWAN de communiquer avec le serveur et l'application de leur propriétaire. En d'autres termes, elle sert d'interface entre le monde physique et le monde virtuel. La passerelle reçoit les données des appareils LoRaWAN et les transmet au serveur d'application , qui les stocke et les distribue aux applications selon les besoins. La communication bidirectionnelle, des applications cloud vers les appareils physiques, est également prise en charge.

TEKTELIC est l'un des principaux fournisseurs de passerelles LoRaWAN , conçues pour assurer une communication fiable, sécurisée et économique entre les capteurs et les applications utilisateur. Nous proposons des passerelles pour l'intérieur et l'extérieur, caractérisées par une faible consommation d'énergie et une large couverture de fréquence. Par exemple, notre passerelle IoT KONA Micro offre une couverture intérieure avec une connectivité permanente et une autonomie sur batterie jusqu'à 4 heures, ce qui en fait la solution idéale pour les zones sujettes aux coupures de courant fréquentes, mais nécessitant une transmission et une réception continues des données.

Concernant les passerelles extérieures, la passerelle IoT KONA Macro est l'une des solutions les plus polyvalentes . Conçue pour résister aux conditions climatiques les plus extrêmes et être déployée en extérieur, elle bénéficie d'un indice de protection IP67 lui permettant de fonctionner dans une plage de températures allant de -40 °C à +60 °C, répondant ainsi aux exigences des déploiements les plus exigeants. La KONA Macro peut connecter un grand nombre d'objets connectés au réseau, ce qui facilite son déploiement sur des supports tels que les toits et les sommets de tours. Elle optimise la portée et la couverture, réduisant ainsi le coût global du déploiement.

Que sont les capteurs LoRaWAN ?

Les capteurs LoRaWAN sont des dispositifs qui utilisent le protocole LoRaWAN pour échanger des données avec une passerelle et son serveur réseau. Ils sont utilisés dans le cadre de la mise en œuvre de LoRaWAN pour des applications telles que le suivi d'actifs, la surveillance des conditions environnementales et la collecte d'autres types de données à distance. Ces capteurs sont peu gourmands en énergie et offrent une longue portée. Ils prennent en charge le contrôle adaptatif du débit de données, ce qui permet une configuration flexible pour une transmission efficace sur des distances courtes comme longues.

LoRa, LoRaWAN et LPWAN

LoRa, LoRaWAN et LPWAN sont des technologies de réseau étendu basse consommation utilisées pour l' Internet des objets (IoT) . Elles offrent divers avantages aux applications IoT, tels qu'une longue portée, une faible consommation d'énergie et un coût avantageux. Par ailleurs, bien que LoRaWAN et LPWAN partagent de nombreuses caractéristiques, chaque technologie présente des performances distinctes en termes de latence, de débit, de distance couverte, etc.

LoRa

LoRa (Long Range Radio) est une technologie de couche physique basse consommation et longue portée utilisée pour transmettre des données sans fil sur de longues distances . Elle utilise l'étalement de spectre par modulation chirp, transmettant les données par ondes radio pour assurer des liaisons longue portée robustes et une pénétration efficace en intérieur ou en souterrain, tout en réduisant la consommation d'énergie et en augmentant la portée de transmission. LoRa est particulièrement adapté aux applications nécessitant de faibles débits de données et une large couverture, telles que le suivi d'actifs à distance et la communication machine-à-machine (M2M).

LoRaWAN

LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) est une infrastructure réseau sans fil sécurisée et évolutive pour les applications IoT. Les réseaux LoRaWAN sont conçus pour fournir une communication fiable et économique aux appareils connectés. Ils reposent sur la technologie de couche physique LoRa et utilisent une topologie en étoile, avec des passerelles reliant les dispositifs finaux au serveur réseau central. LoRaWAN prend en charge différentes classes d'appareils afin de répondre aux besoins variés des applications.

LPWAN

LPWAN (réseau étendu à faible consommation) est un terme générique désignant les technologies de réseau sans fil conçues pour être économes en énergie et assurer une communication de données longue portée. Elles sont particulièrement adaptées aux applications à faible débit, telles que les réseaux de capteurs, et sont idéales pour les applications exigeant une faible consommation et une large couverture. LPWAN n'est pas nécessairement associé à LoRa. Il peut reposer sur d' autres technologies, comme LoRaWAN, Sigfox, NB-IoT ou Weightless.

Cours LoRaWAN

Dans LoRaWAN, il existe 3 classes d'appareils avec des capacités et des profils de consommation d'énergie différents : Classe A, Classe B et Classe C.

La classe A est la plus économique. Les appareils de cette classe sont alimentés par batterie pendant plusieurs années, car ils ne sont actifs que pendant une courte période : lors de la transmission de leurs données selon une planification programmée, et pendant un court laps de temps immédiatement après cette transmission pour permettre la communication avec le réseau. Le reste du temps, l’appareil est en veille, en mode économie d’énergie.

Ce système repose sur une architecture de communication de type Aloha, permettant une communication non planifiée initiée exclusivement par un terminal et comprenant deux courtes fenêtres de réception (Rx1 et Rx2) après la transmission montante. Durant ces fenêtres, le réseau peut envoyer des liaisons descendantes au terminal ; une fonctionnalité idéale pour les applications nécessitant une communication rapide une fois la transmission montante terminée.

La classe B est un mode de communication qui améliore la classe A en permettant aux périphériques de planifier des fenêtres de transmission descendante pendant des intervalles de ping descendants spécifiques. Cela permet aux applications d'envoyer des messages de contrôle pendant ces intervalles sans attendre de réponse du périphérique. Les périphériques de classe B doivent être synchronisés avec le réseau avant de pouvoir recevoir ces messages descendants de la passerelle.

Une fois correctement synchronisé, un appareil de classe B passe en mode réception pendant ses intervalles de ping afin de garantir la réception des communications descendantes du réseau. De ce fait, la classe B offre une latence bien inférieure à celle de la classe A ; ce mode permet également de réduire la consommation d'énergie de la batterie par rapport à la classe C, qui nécessite une alimentation permanente du récepteur. 

Le mode de classe C permet la communication avec les périphériques depuis une passerelle quasiment en permanence. Il consomme plus d'énergie que les modes de classe A et B, mais offre la latence la plus faible lors de l'envoi de données de l'application vers un périphérique.

En résumé : Classe A → autonomie maximale, latence descendante la plus élevée ; Classe B → fenêtres de liaison descendante planifiées et latence prévisible ; Classe C → latence la plus faible, mais consommation d’énergie maximale (idéale pour les actionneurs). Choisissez la classe en fonction de la rapidité de contrôle requise et de l’autonomie de la batterie.

Cas d'utilisation de LoRaWAN

LoRaWAN est largement utilisé dans les bâtiments intelligents , l'agriculture , le secteur médical, l' industrie pétrolière et gazière , et convient également aux villes intelligentes, à la logistique et aux applications IoT industrielles , entre autres . Aujourd'hui, les déploiements LPWAN les plus courants et les plus importants sont :

1. Comptage de l'eau, du gaz et de l'électricité ;

2. Suivi, utilisation et sécurité des actifs et du personnel ;

3. Gestion des installations et des biens immobiliers ;

4. Diverses applications industrielles principalement pour la maintenance préventive, la réduction des coûts et l'augmentation de l'efficacité ;

5. Diverses villes intelligentes comprennent l'éclairage public, le stationnement, la collecte des ordures, la surveillance des infrastructures critiques et l'environnement.

TEKTELIC propose une variété de produits pour chaque secteur d'activité, ainsi qu'une liste de projets réalisés avec succès.

Bâtiments intelligents

Pour les bâtiments intelligents, nous proposons un capteur de température et d'humidité appelé COMFORT. Ce capteur tout-en-un permet de surveiller les conditions intérieures. Il mesure la luminosité, les vibrations, la température et l'humidité, et détecte les fuites, ainsi que les portes et fenêtres ouvertes ou fermées.

TEKTELIC a fourni COMFORT à l'un des principaux groupes de construction et de rénovation du Royaume-Uni afin de surveiller l'environnement de bureau et d'assurer un environnement de travail sain. Grâce au capteur COMFORT, les gestionnaires d'immeubles ont pu résoudre leurs problèmes de ventilation et maintenir des conditions climatiques optimales à l'intérieur des bâtiments.

Nous proposons également le capteur de qualité de l'air BREEZE , un autre dispositif de surveillance de l'environnement intérieur conçu pour mesurer en temps réel les niveaux de CO2, la température et l'humidité. Il convient aux bâtiments résidentiels et commerciaux, ainsi qu'aux établissements publics tels que les écoles, les universités et les bibliothèques. Entièrement compatible avec l'infrastructure LoRaWAN, il peut être ajouté à tout réseau de capteurs existant au sein de votre entreprise.

Agriculture intelligente

L'agriculture intelligente est un autre domaine qui nous passionne, et nous proposons au marché les capteurs d'humidité du sol CLOVER et KIWI . Ces deux capteurs surveillent l'humidité et la température du sol, ainsi que la température et l'humidité ambiantes, et sont sensibles à la lumière. Leur autonomie peut atteindre 10 ans ; vous n'aurez donc plus à vous soucier des remplacements et recharges de piles. Installez simplement le capteur et bénéficiez de mesures actualisées pendant 10 ans. La seule différence entre CLOVER et KIWI réside dans leur mode de déploiement. CLOVER se fixe directement dans le sol, tandis que KIWI, grâce à son support surélevé, peut être installé sur un arbre ou un bâtonnet en bois avec des sondes externes.

Nos capteurs KIWI ont déjà démontré leur efficacité au Jardin botanique La Sapienza de Rome et à la ferme Brook House de Bromyard. Dans les deux cas, ils ont permis d'optimiser la planification de l'irrigation et de fournir les données nécessaires au maintien de la santé des plantes, tout en assurant la surveillance environnementale de vastes espaces verts et agricoles. Leur principal atout réside dans leur connectivité sans fil et leur longue autonomie, des caractéristiques dont la plupart des autres appareils sont dépourvus.

Santé

Dans le domaine de la santé, LoRaWAN est utilisé pour la surveillance et le suivi des patients, des dispositifs médicaux et d'autres données de santé. Grâce à LoRaWAN, les professionnels de santé peuvent suivre les données des patients en temps réel, ce qui leur permet de réagir rapidement à l'évolution de leur état et de prendre des décisions éclairées. Cette technologie contribue également à réduire les coûts liés à la collecte manuelle de données, tout en assurant un meilleur suivi des patients et de meilleurs résultats cliniques.

TEKTELIC a déjà constaté le rythme rapide des évolutions dans le domaine de la santé et propose plusieurs dispositifs de surveillance de la santé portables. Parmi eux, notre dispositif eDOCTOR , conçu pour mesurer les signes vitaux tels que la fréquence cardiaque, la température, la fréquence respiratoire, l'amplitude thoracique, la position corporelle, et qui détecte la toux et les éternuements, entre autres. Ce dispositif est intuitif, facile à installer et fournit des données en temps réel, consultables et analysables sur smartphone ou ordinateur.

L'autre dispositif de surveillance de santé proposé par TEKTELIC est le bracelet eBEAT . Grâce à eBEAT, les professionnels de santé peuvent suivre la fréquence cardiaque, la température corporelle et le taux d'oxygène dans le sang de leurs patients. Avec son autonomie longue durée et son design élégant, l'eBEAT est idéal pour la télémédecine et la surveillance à distance des patients tout au long de la journée.

Industriel

Dans l'industrie pétrolière et gazière, la technologie LoRaWAN permet de surveiller et de gérer les pipelines, les plateformes de forage et autres installations distantes. Grâce à LoRaWAN, les entreprises peuvent contrôler les niveaux de production de pétrole et de gaz, détecter les fuites et les contaminations potentielles, et garantir la sécurité et la conformité aux réglementations du secteur. Cette technologie leur permet également de détecter et de réagir rapidement et précisément à tout événement ou problème imprévu.

TEKTELIC propose le traceur GPS industriel ORCA , idéal pour le suivi des actifs en transit ou en entrepôt. Ce dispositif unique intègre les technologies LoRaWAN, GPS et BLE, permettant ainsi la transmission des données de localisation des actifs en intérieur comme en extérieur. Fonctionnant dans une plage de températures allant de -40 °C à +70 °C, il est adapté aux environnements les plus exigeants.

Les capteurs LoRaWAN les plus courants

Les capteurs LoRaWAN les plus courants sont :

• Capteurs environnementaux
• Capteurs de mouvement
• traqueurs de localisation

Ces capteurs peuvent être utilisés pour diverses applications telles que la surveillance des conditions environnementales, l'occupation des lieux et le suivi des actifs.

Les capteurs environnementaux servent à surveiller la température et l'humidité ambiantes . On les retrouve fréquemment dans les bureaux, les immeubles résidentiels et autres espaces intérieurs. Les capteurs TEKTELIC VIVID et COMFORT en sont des exemples . Conçus pour surveiller l'humidité, la température et les mouvements dans les espaces intérieurs, ils optimisent l'environnement du bâtiment. Configurables à distance, ils permettent des applications, des comportements, des seuils et des rapports personnalisés, compatibles avec diverses applications IoT pour la maison connectée et le bureau.

Les détecteurs de mouvement permettent de suivre l'occupation de certaines zones d'un bâtiment et de gérer les biens. Grâce à eux, les utilisateurs peuvent suivre les déplacements des personnes et des objets dans l'organisation et optimiser la circulation. De plus, les détecteurs de mouvement peuvent être connectés aux systèmes de réservation de salles pour une planification et une gestion efficaces des réunions. VIVID est un détecteur de mouvement performant grâce à sa lentille PIR et ses différentes options de masquage. Il peut également être connecté à la tablette TEMPO Display pour afficher en temps réel l'occupation des salles et le statut des réunions. TEMPO est compatible avec Microsoft Outlook et Google Agenda ; aucun logiciel supplémentaire n'est donc nécessaire.

Les traceurs GPS sont indispensables pour suivre les biens en transit. Ils permettent également de localiser les employés sur le lieu de travail, notamment dans les zones dangereuses. Ces dispositifs sont généralement de petite taille et se fixent facilement à un bien sans matériel de montage supplémentaire. Par exemple, le TEKTELIC SEAL est un traceur LoRaWAN et GPS portable, compact et élégant, conçu pour le suivi du personnel en intérieur et en extérieur. Son autonomie pouvant atteindre 12 mois en fait un investissement rentable pour toute entreprise.

Alternatives à LoRaWAN

Bien que LoRaWAN® soit devenu l'une des normes LPWAN les plus répandues, il n'est pas la seule option pour connecter des objets connectés basse consommation. Selon l'application, d'autres technologies sans fil telles que Sigfox, NB-IoT, Mioty, Wi-Fi ou les réseaux cellulaires traditionnels peuvent également être envisagées. Chacune présente ses propres avantages et inconvénients.

Il convient également de mentionner Zigbee, un protocole de réseau maillé répandu dans les maisons connectées et la domotique. Économe en énergie et peu coûteux, Zigbee est cependant conçu pour une communication à courte portée (quelques dizaines de mètres) . Contrairement à LoRaWAN, il nécessite un déploiement dense de réseaux maillés et ne couvre pas de vastes zones extérieures ou urbaines. Pour des applications telles que l'éclairage intelligent, le chauffage, la ventilation et la climatisation (CVC) et les appareils électroménagers, Zigbee est performant en intérieur, mais pour les capteurs longue portée alimentés par batterie déployés sur des campus ou des villes, LoRaWAN est généralement plus adapté.

Quels sont les avantages de LoRaWAN ?

La mise en œuvre de LoRaWAN a un impact majeur sur l' autonomie de la batterie du nœud, la capacité du réseau, la qualité de service, la sécurité et divers programmes qui desservent le réseau.

Consommation d'énergie intelligente

Un nœud LoRaWAN échange des informations lorsqu'il a des données prêtes à être envoyées. Ce type de protocole est communément appelé méthode Aloha. À l'inverse, dans un réseau cellulaire ou un réseau synchrone, les nœuds doivent souvent se « réveiller » pour se synchroniser avec le réseau et vérifier les messages. Cette synchronisation consomme une quantité d'énergie importante et constitue la principale cause de réduction de l'autonomie de la batterie.

Capacité du réseau

De nombreux réseaux déployés utilisent une architecture de réseau maillée. Dans un réseau LPWAN maillé, les nœuds finaux relaient les informations des autres nœuds afin d'accroître la portée et la taille des cellules. Si cette méthode augmente la portée, elle complexifie le réseau, réduit sa capacité et diminue l'autonomie de la batterie, car les nœuds transmettent et reçoivent des informations non pertinentes. C'est pourquoi l'architecture en étoile longue portée de LoRaWAN est la plus judicieuse pour préserver l'autonomie des appareils lorsque la connectivité longue portée est disponible et pour permettre aux passerelles et aux réseaux de gérer des millions de messages avec une grande évolutivité.

Qualité et sécurité du service

Dans un réseau LoRaWAN, les nœuds ne sont pas connectés à une passerelle unique. Les données transmises par un nœud sont généralement reçues par plusieurs passerelles, puis acheminées vers le serveur central du réseau où elles sont vérifiées et transmises de manière sécurisée à leur application. 

L'intelligence et la complexité sont transférées aux serveurs réseau qui gèrent le réseau et filtrent les paquets redondants, effectuent des contrôles de sécurité, planifient les accusés de réception via la passerelle optimale, adaptent les débits de données, etc. Si le nœud est mobile, il n'est pas nécessaire de transférer le contrôle d'une passerelle à l'autre ; cette caractéristique essentielle permet le suivi des actifs.

Spécifications LoRaWAN

La spécification LoRaWAN varie d'une région à l'autre en fonction de la réglementation nationale applicable au lieu de déploiement du système. Elle a été initialement définie en janvier 2015 par la LoRa Alliance. En tant que membre sponsor de la LoRa Alliance , TEKTELIC propose des produits et solutions LoRaWAN adaptés aux besoins spécifiques de l'Europe et de l'Amérique du Nord . Certains produits sont également déjà disponibles dans certains pays d'Asie et du Moyen-Orient.

LoRaWAN pour l'Europe

LoRaWAN définit un plan de canaux régional pour l'UE basé sur le spectre de la bande 863-870 MHz. L'utilisation sans licence dans cette bande de fréquences est autorisée à une puissance d'émission de 14 dBm, sous réserve du respect d'une limitation du rapport cyclique d'émission inférieure à 1 %.

LoRaWAN pour l'Amérique du Nord

La bande ISM en Amérique du Nord s'étend de 902 à 928 MHz. LoRaWAN utilise 64 canaux de 125 kHz de bande passante, répartis de 902.3 MHz à 914.9 MHz, ainsi que 8 canaux de 500 kHz de bande passante, répartis de 903 MHz à 914.2 MHz, pour la liaison montante. Les canaux de liaison descendante, également de 500 kHz de bande passante, s'étendent de 923 MHz à 928 MHz. En Amérique du Nord, la puissance d'émission maximale est limitée à moins de 30 dBm pour un fonctionnement en mode saut de fréquence sur plus de 50 canaux. D'autres réglementations autorisent un fonctionnement à puissance réduite (20 dBm) pour un nombre de canaux plus restreint. Selon la FCC, il n'y a pas de limite de cycle de service, mais la durée maximale de transmission par message est de 400 millisecondes.

Est-ce sécurisé?

Oui, LoRaWAN est sécurisé par conception. Il utilise des clés AES-128 et un chiffrement de bout en bout pour les données applicatives. Lors de la connexion, les appareils génèrent deux clés de session de 128 bits : NwkSKey pour l’intégrité du réseau et AppSKey pour la confidentialité au niveau applicatif.

Limitations de LoRaWAN

Malgré ses nombreux avantages, LoRaWAN présente certaines limitations qu'il convient de prendre en compte avant son adoption.

Tout d'abord, LoRaWAN n'offre pas une couverture universelle. Contrairement aux réseaux cellulaires, il est fréquent de vouloir déployer LoRaWAN dans une zone non couverte. Heureusement, il est possible de collaborer avec les opérateurs de réseaux LoRaWAN pour étendre leur couverture à votre zone d'intérêt ou de déployer et d'exploiter votre propre réseau d'entreprise. Dans certaines régions, The Things Network peut constituer une solution LoRaWAN publique, évitant ainsi la mise en place d'un déploiement d'entreprise privé.

Deuxièmement, les applications mobiles nécessitent une couverture dans les zones où vos appareils se déplacent. Cela peut impliquer la mise en place d'accords d'itinérance avec les opérateurs de réseaux voisins. Vos appareils étant susceptibles de se déplacer sur une zone plus étendue que celle du réseau que vous souhaitez utiliser, la coopération avec les réseaux voisins peut s'avérer très utile.

Troisièmement, le débit de données de LoRaWAN est limité à moins de 50 kbit/s. Cela le rend inadapté aux applications nécessitant des débits plus élevés, comme la diffusion vidéo ou audio en continu.

Est-ce rapide ?

LoRaWAN n'est pas particulièrement rapide, mais il est conçu pour les communications longue portée à faible consommation, nécessitant de faibles débits de données. Ces débits peuvent varier de 0.3 kbit/s à 50 kbit/s, avec une portée allant jusqu'à 15 km. Ainsi, pour l'envoi de mesures et de rapports, il est rapide, mais moins adapté à la transmission de vidéos ou d'images.

Parallèlement, si vous abordez la décision de choisir le protocole LoRaWAN en tenant compte de toutes ses limitations, et surtout en fonction de l'objectif de votre déploiement, vous pourrez bénéficier de tous les avantages de la technologie LoRaWAN énumérés ci-dessus.

Bref résumé

Le réseau LoRaWAN fonctionne là où d'autres réseaux sont inutilisables en raison de la distance, d'une forte consommation d'énergie, d'un trafic important ou d'une couverture insuffisante. Lorsque les services d'ingénierie ne peuvent déployer de câble, l'antenne LoRaWAN prend le relais. Cette norme est conçue pour connecter des appareils qui transmettent de faibles quantités d'informations sur de longues distances avec une consommation d'énergie minimale (ce qui a un impact positif sur le prix des capteurs). L'ouverture de la norme, la longévité des équipements réseau, la haute efficacité énergétique, l'absence de contraintes réglementaires et la flexibilité des solutions font de LoRaWAN l'une des technologies les plus largement adoptées pour les déploiements IoT longue portée et basse consommation.

C’est pourquoi, si vous recherchez un réseau fiable pour votre infrastructure ou vos appareils IoT afin de créer un environnement intelligent, la connectivité LoRaWAN est une solution à envisager. Pour plus d’informations sur la technologie LoRaWAN, n’hésitez pas à contacter notre équipe commerciale.