Vous avez déjà entendu parler de LoRaWAN, mais les termes gateway, uplink, downlink ou Spreading Factor vous semblent encore obscurs ? Rassurez-vous : il n’est pas nécessaire d’être expert en radio pour comprendre le fonctionnement d’un réseau LoRaWAN.
Imaginez simplement un capteur de température installé dans un local technique ou une salle de réunion. Ce capteur doit envoyer régulièrement sa mesure vers une supervision, sans câble de communication et sans changer sa pile tous les six mois. C’est exactement le type de besoin auquel répond le protocole LoRaWAN.
Dans cet article, nous allons découvrir pas à pas :
- ce qu’est LoRaWAN
- comment circule une donnée
- à quoi servent les capteurs, les gateways et le serveur LoRaWAN
- ce que signifient uplink et downlink
- comment fonctionnent les classes A, B et C
- comment LoRaWAN gère la portée, l’autonomie et la sécurité
- comment choisir entre un réseau LoRaWAN privé et un réseau opéré.
À la fin de cet article, vous comprendrez les fondamentaux du LoRaWAN et le rôle de chaque élément du réseau.
Qu’est-ce que LoRaWAN ?
A propos
LoRaWAN est un protocole de communication radio conçu pour les objets connectés. Il appartient à la famille des réseaux LPWAN, pour Low Power Wide Area Network. En français, cela désigne un réseau étendu à faible consommation d’énergie.
Le protocole LoRaWAN est particulièrement adapté aux équipements qui doivent :
- fonctionner plusieurs années sur batterie
- envoyer leurs données sans câblage
- couvrir une distance importante
- traverser plusieurs murs ou étages
- transmettre de petits messages à intervalles réguliers.
Dans un bâtiment, un capteur LoRaWAN peut par exemple mesurer :
- une température
- un taux d’humidité
- une concentration en CO₂
- une consommation d’eau, de gaz ou d’électricité
- l’ouverture d’une porte ou d’une fenêtre
- l’état d’un équipement
- une fuite d’eau
- la position d’une vanne.
LoRaWAN est donc très utilisé dans les domaines du bâtiment intelligent, de la GTB, de l’industrie, de l’agriculture, de la logistique et des villes connectées.
À quoi LoRaWAN n’est-il pas destiné ?
LoRaWAN est conçu pour transmettre de petites informations : une température, un état, un index ou une alarme. Il n’est pas adapté à l’envoi :
- d’une vidéo
- d’un son en continu
- de fichiers volumineux
- de centaines de mesures par seconde.
Un capteur qui envoie une température toutes les dix minutes correspond parfaitement à l’usage du LoRaWAN. Une caméra qui transmet une vidéo en direct, non.
Quelle est la différence entre LoRa et LoRaWAN ?
Les termes LoRa et LoRaWAN sont souvent utilisés comme s’ils désignaient la même chose. Ils correspondent pourtant à deux notions différentes.
LoRa : le signal radio
LoRa désigne la technologie de modulation utilisée pour transporter un message dans les airs. C’est la partie « radio » de la communication. Elle permet notamment d’obtenir une bonne portée avec une consommation d’énergie limitée.
LoRaWAN : les règles du réseau
LoRaWAN est le protocole qui organise les communications. Il définit notamment :
- comment un objet rejoint le réseau
- quand il peut envoyer un message
- quand il peut recevoir une commande
- comment les échanges sont sécurisés
- comment le réseau gère les différents objets.
On peut utiliser une comparaison simple : LoRa est la route empruntée par le message. LoRaWAN correspond au Code de la route, aux panneaux et aux règles de circulation. Les deux sont complémentaires. LoRa transporte le signal, tandis que LoRaWAN organise le réseau.
Comment fonctionne un réseau LoRaWAN ?
Un réseau LoRaWAN peut sembler complexe lorsqu’on regarde un schéma technique. Pourtant, son architecture repose sur quatre éléments faciles à identifier :
- le capteur ou l’objet connecté
- la gateway LoRaWAN
- le LoRa Network Server
- l’application métier ou la GTB
1. Le capteur LoRaWAN mesure et envoie
Le capteur est le point de départ de la donnée. Il mesure par exemple une température de 21,4 °C, puis transforme cette mesure en un petit message numérique. Il envoie ensuite ce message par radio.
2. La gateway LoRaWAN reçoit le message
La gateway LoRaWAN, également appelée passerelle LoRaWAN, écoute les messages envoyés par les capteurs présents dans sa zone de couverture. Elle reçoit les trames radio et les transfère vers le serveur chargé de gérer le réseau. La gateway joue donc le rôle d’un relais. Elle ne décide pas seule de ce que signifie la donnée.
3. Le LNS organise le réseau
Le LoRa Network Server, souvent abrégé en LNS, est le cerveau du réseau LoRaWAN.
Il gère notamment :
- les capteurs autorisés à rejoindre le réseau
- l’authentification des capteurs
- certains paramètres radio
- l’envoi de messages vers les capteurs
- la suppression des messages reçus plusieurs fois
Le LNS peut être :
- directement intégré dans une gateway
- installé sur un serveur local
- hébergé dans le cloud
4. L’application exploite la donnée
Une fois le message traité, la donnée doit être rendue compréhensible et utilisable. Elle peut être envoyée vers :
- une GTB
- un automate
- une supervision
- une plateforme IoT
- un logiciel de suivi énergétique
- une application métier.
Dans un bâtiment, une gateway avec LNS embarqué peut par exemple mettre les données à disposition d’un automate grâce à des protocoles comme Modbus ou BACnet.
Le parcours complet d’une mesure
Reprenons notre capteur de température :
- le capteur mesure 21,4 °C
- il envoie une trame LoRaWAN
- une gateway reçoit cette trame
- le LNS vérifie et organise le message
- la donnée est décodée
Uplink et downlink : dans quel sens circule la donnée ?
Dans un réseau LoRaWAN, les messages peuvent circuler dans les deux sens. On parle alors d’uplink et de downlink.
Qu’est-ce qu’un uplink LoRaWAN ?
Un uplink est un message envoyé par le capteur vers le réseau. C’est un message « montant ». Un uplink peut contenir des informations telles que :
- une température
- un niveau de CO₂
- un index de compteur
- une alarme
- l’état d’une entrée
- le niveau de batterie du capteur.
Le chemin est le suivant :
Capteur → Gateway → LNS → Application ou GTB
Pour retenir le terme, pensez simplement au mot anglais up, qui signifie « vers le haut ».
Qu’est-ce qu’un downlink LoRaWAN ?
Un downlink circule dans le sens inverse. Il s’agit d’un message envoyé par le réseau vers le capteur. Il peut servir à :
- modifier la fréquence d’envoi d’un capteur
- changer un seuil d’alarme
- transmettre une nouvelle consigne
- ouvrir ou fermer un relais
- modifier la position d’une vanne.
Le chemin devient alors :
Application ou GTB → LNS → Gateway → Objet
Exemple avec une vanne thermostatique
Une vanne mesure la température d’une pièce et l’envoie en uplink. La GTB reçoit la mesure et décide de réduire le chauffage. Elle envoie alors une nouvelle consigne en downlink. La vanne reçoit cette consigne et ferme légèrement son moteur.
LoRaWAN permet donc à la fois de collecter des données et de piloter certains équipements.
Les downlinks restent néanmoins plus contraints que les uplinks. Un objet sur batterie n’écoute pas forcément le réseau en permanence. Le moment auquel il peut recevoir une commande dépend notamment de sa classe LoRaWAN.
Les classes LoRaWAN A, B et C expliquées simplement
La classe d’un capteur LoRaWAN définit son comportement radio.
Elle répond à trois questions :
- Quand l’objet envoie-t-il ses données ?
- Quand écoute-t-il le réseau ?
- À quel moment peut-il recevoir une commande ?
Il existe trois classes principales : A, B et C.
| Classe | Fonctionnement | Consommation | Utilisation courante |
|---|---|---|---|
| A | Écoute brièvement après avoir envoyé une donnée | Très faible | Capteurs sur batterie |
| B | Écoute à des horaires planifiés | Intermédiaire | Applications spécifiques |
| C | Écoute presque en permanence | Élevée | Actionneurs alimentés |
Classe A : le capteur LoRaWAN dort la plupart du temps
La classe A est la plus utilisée.
Son fonctionnement est simple :
- le capteur se réveille
- il réalise une mesure
- il envoie un uplink
- il ouvre deux courtes fenêtres de réception
- il reçoit éventuellement un downlink
- il se remet en sommeil.
Le capteur passe donc la majorité de son temps à dormir. C’est ce qui lui permet de fonctionner plusieurs années sur batterie.
La classe A convient particulièrement aux :
- capteurs de température
- capteurs d’humidité
- compteurs
- détecteurs d’ouverture
- capteurs de qualité d’air.
Sa principale limite concerne les commandes descendantes. Pour envoyer un downlink, le réseau doit généralement attendre que le capteur ait transmis un uplink et ouvert ses fenêtres de réception.
La classe A favorise donc l’autonomie, mais pas la réaction immédiate.
Classe B : le capteur LoRaWAN se réveille à des heures précises
En classe B, le capteur ouvre des fenêtres d’écoute planifiées.
Le réseau et l’objet se synchronisent grâce à des messages appelés beacons. Le capteur sait ainsi à quels moments il doit écouter une éventuelle commande.
On peut comparer ce fonctionnement à une personne qui consulte sa boîte aux lettres à heures fixes.
La classe B constitue un compromis entre autonomie et disponibilité, mais elle reste relativement peu utilisée dans les applications courantes de GTB.
Classe C : l’objet reste à l’écoute en permanence
En classe C, l’objet écoute presque continuellement le réseau, sauf lorsqu’il est en train d’émettre.
Il peut donc recevoir une commande pratiquement à tout moment.
Cette classe est adaptée aux équipements qui doivent réagir rapidement :
- relais
- actionneurs
- vannes alimentées
- thermostats
- équipements de pilotage.
Cette écoute permanente consomme beaucoup d’énergie. Les appareils de classe C sont donc généralement raccordés à une alimentation externe.
Quelles fréquences sont utilisées par LoRaWAN ?
Le protocole LoRaWAN n’utilise pas exactement la même bande radio partout dans le monde.
Les fréquences dépendent des réglementations locales.
En Europe, et donc en France, le LoRaWAN utilise principalement la bande EU868, autour de 868 MHz.
Aux États-Unis, on utilise principalement la bande US915. En Australie, la bande utilisée est appelée AU915.
Cela signifie qu’un capteur conçu pour le marché américain n’est pas automatiquement compatible avec un réseau européen.
Avant un déploiement, il faut vérifier que :
- le capteur utilise la bonne fréquence
- la gateway utilise le même plan de fréquence
- les équipements sont autorisés dans le pays concerné.
Les bandes LoRaWAN sont généralement des bandes dites « libres ». Il n’est pas nécessaire d’acheter une licence radio pour les utiliser.
L’alliance LoRa définit les fréquences utilisables pour chaque pays dans ce document.
Spreading Factor, ADR et Duty Cycle : les trois notions radio à connaître
Ces trois termes semblent techniques. Leur principe est pourtant assez simple.
Le Spreading Factor : aller vite ou aller loin
Le Spreading Factor, abrégé en SF, influence la durée et la robustesse d’un message radio. Il est généralement compris entre SF7 et SF12.
Imaginez que vous devez transmettre une phrase à une personne située loin de vous. Lorsqu’elle est proche, vous pouvez parler rapidement. Lorsqu’elle est très éloignée, vous devez parler plus lentement et bien détacher chaque mot pour être compris. En LoRaWAN, le principe est comparable.
Avec un SF faible, comme SF7
Le message est envoyé rapidement.
Cela permet :
- de consommer moins d’énergie
- d’occuper moins longtemps la fréquence
- d’augmenter la capacité globale du réseau.
Ce mode convient bien lorsque le capteur est proche de la gateway et que la liaison radio est bonne.
Avec un SF élevé, comme SF12
Le message reste plus longtemps dans les airs. Il devient plus facile à détecter lorsque le signal est faible, mais :
- l’envoi prend plus de temps
- le capteur consomme davantage
- le canal radio reste occupé plus longtemps.
Un SF élevé n’est donc pas toujours meilleur. L’objectif est d’utiliser le SF le plus faible permettant de conserver une communication fiable.
L’ADR : le réglage automatique du réseau
ADR signifie Adaptive Data Rate. Cette fonction permet au réseau d’adapter automatiquement certains paramètres radio du capteur. Le LNS analyse la qualité des messages reçus.
Si un capteur utilise SF12 alors qu’il est très bien reçu, le réseau peut lui demander d’utiliser un SF plus faible. Le message sera envoyé plus rapidement et la batterie sera moins sollicitée. À l’inverse, si la liaison est difficile, le réseau peut choisir des paramètres plus robustes.
L’ADR agit donc comme un réglage automatique qui cherche le meilleur équilibre entre :
- portée
- fiabilité
- consommation
- temps d’occupation radio.
Cette fonction est particulièrement adaptée aux capteurs fixes installés dans un bâtiment.
Le Duty Cycle : chacun doit attendre son tour
Le Duty Cycle limite le temps pendant lequel un équipement peut émettre. Pourquoi cette règle existe-t-elle ? Parce que les fréquences radio sont partagées. Si tous les capteurs émettaient en permanence, le réseau deviendrait rapidement inutilisable. Le Duty Cycle impose donc un temps de parole maximal.
Par exemple, un Duty Cycle de 1 % représente, de manière simplifiée, un maximum de 36 secondes d’émission par heure sur la sous-bande concernée.
Cette règle encourage à envoyer :
- des messages courts
- uniquement les données utiles
- à une fréquence cohérente avec le besoin.
Plus le Spreading Factor est élevé, plus le message reste longtemps dans les airs et plus il utilise rapidement ce temps disponible. C’est pourquoi LoRaWAN n’est pas conçu pour envoyer des données en continu.
Comment les communications LoRaWAN sont-elles sécurisées ?
Une communication radio peut potentiellement être interceptée. La sécurité est donc intégrée au fonctionnement du protocole LoRaWAN.
Pour comprendre l’activation d’un objet, il faut connaître trois informations principales.
| Information | Rôle | Comparaison simple |
|---|---|---|
| DevEUI | Identifie l’objet de manière unique | Numéro de série |
| JoinEUI ou AppEUI | Identifie le service d’enregistrement | Adresse du guichet |
| AppKey | Secret utilisé pour authentifier l’objet | Mot de passe confidentiel |
Le DevEUI
Le DevEUI est l’identifiant unique du capteur.
Deux objets ne doivent pas posséder le même DevEUI. Il permet au réseau de savoir précisément quel équipement cherche à communiquer.
L’AppEUI
L’AppEUI indique à quel service d’activation l’objet souhaite s’adresser.
On peut le comparer à l’adresse du guichet auprès duquel le capteur doit s’enregistrer.
L’AppKey
L’AppKey est une clé secrète.
Elle est connue par l’objet et par l’infrastructure chargée de l’authentifier. Elle ne doit jamais être publiée ou communiquée sans protection.
L’AppKey peut être comparée au mot de passe principal du capteur.
Comment fonctionne l’activation OTAA ?
La méthode d’activation la plus courante est appelée OTAA, pour Over-the-Air Activation.
Lors de son démarrage :
- le capteur envoie une demande de connexion appelée Join Request
- le réseau vérifie que le capteur est autorisé
- le réseau renvoie un Join Accept
- des clés de session sont créées
- le capteur peut commencer à transmettre ses données.
LoRaWAN utilise le chiffrement AES-128 pour protéger les communications.
Les données utiles sont chiffrées et les messages sont authentifiés. Une personne qui intercepterait une trame radio ne pourrait donc pas simplement lire son contenu.
Réseau LoRaWAN privé ou réseau public : quelle différence ?
Il existe deux grandes façons de mettre en place un réseau LoRaWAN.
Le réseau LoRaWAN privé
Dans un réseau privé, l’entreprise déploie et exploite sa propre infrastructure.
Elle installe :
- ses capteurs
- une ou plusieurs gateways
- son LNS, local ou distant
- les interfaces vers la GTB ou l’application métier.
Dans un bâtiment, une gateway peut être installée dans une armoire électrique. Elle reçoit les données des capteurs peut ensuite les transmettre à un automate en Modbus ou en BACnet.
Les principaux avantages sont :
- la maîtrise de l’infrastructure
- la conservation locale des données
- l’intégration directe à la GTB
- l’absence d’abonnement opérateur par capteur, hors services éventuels
- une couverture adaptée précisément au bâtiment.
En contrepartie, l’exploitant doit installer, configurer et maintenir son réseau.
Le réseau LoRaWAN public ou opéré
Dans un réseau public, l’infrastructure est déployée par un opérateur. L’utilisateur peut connecter ses capteurs au réseau existant, à condition :
- que la zone soit couverte
- que les capteurs soient compatibles
- de souscrire les services nécessaires (abonnements…)
Les données sont généralement envoyées vers l’environnement cloud de l’opérateur, puis récupérées par une application métier grâce à une API ou à un connecteur.
Cette solution est intéressante lorsque les objets sont répartis sur plusieurs sites ou sur une zone géographique importante.
| Réseau privé | Réseau public ou opéré |
|---|---|
| Gateways installées par l’entreprise | Gateways installées par un opérateur |
| Couverture maîtrisée localement | Couverture dépendante de l’opérateur |
| Données facilement intégrables à une GTB locale | Données généralement accessibles depuis une plateforme distante |
| Pas d’abonnement opérateur par capteur | Abonnement ou service généralement nécessaire |
| Maintenance à la charge de l’exploitant | Infrastructure radio gérée par l’opérateur |
Pour un bâtiment équipé d’une GTB locale, le réseau privé est souvent particulièrement pertinent. Pour des équipements dispersés dans plusieurs villes, un réseau opéré peut être plus simple à utiliser.
Pourquoi LoRaWAN est-il interopérable ?
LoRaWAN est un protocole ouvert défini par la LoRa Alliance. Son interopérabilité peut être comparée au Bluetooth. Un smartphone et une enceinte de deux marques différentes peuvent communiquer parce qu’ils respectent le même standard.
Le principe est similaire en LoRaWAN.
Un réseau peut intégrer :
- des capteurs de différentes marques
- plusieurs types de mesures
- des gateways provenant de fabricants différents
- différentes applications métier.
À condition, bien sûr, que les équipements respectent les spécifications LoRaWAN et utilisent le même plan de fréquences. Cette ouverture permet à l’intégrateur de choisir le produit le plus adapté à chaque besoin, sans devoir acheter tous les équipements auprès d’un seul fabricant.
Une nuance importante : compatible ne signifie pas automatiquement décodé
La gateway peut recevoir la trame d’un capteur sans connaître la signification de son contenu.
Imaginons qu’un capteur envoie la valeur suivante : 00D6
Pour savoir que cette valeur correspond à une température de 21,4 °C, l’application doit appliquer les règles de décodage fournies par le fabricant.
Pour intégrer complètement un nouveau capteur, il faut donc disposer :
- de ses identifiants et de ses clés
- de sa documentation
- de son format de données
- de son codec ou de sa table de décodage.
LoRaWAN apporte l’interopérabilité radio et réseau. L’interprétation métier des données nécessite parfois une intégration supplémentaire.
