LoRaWAN est un protocole de réseau étendu à basse consommation (LPWAN) pour les capteurs et compteurs sur pile qui envoient de petites quantités de données sur de longues distances. Un appareil envoie chaque mesure dans un court paquet radio, sur une bande libre sous 1 GHz. Chaque passerelle LoRaWAN à portée le reçoit et le transmet par IP à un serveur réseau, qui le vérifie, supprime les doublons et remet les données déchiffrées à une application. Les liaisons courantes portent à quelques kilomètres en ville et plus loin en terrain dégagé, à quelques centaines de bits à quelques kilobits par seconde, et un appareil peut fonctionner des années sur une pile. La LoRa Alliance publie la spécification, que l’UIT-T a aussi adoptée comme recommandation Y.4480.
LoRaWAN en un coup d’œil
| LoRaWAN | |
|---|---|
| Radio | Étalement de spectre par chirp LoRa, bandes libres sous 1 GHz |
| Fréquences | 863 à 870 MHz en Europe (EU868), 902 à 928 MHz en Amérique du Nord (US915), autres plans selon le pays |
| Débit | 250 bit/s à 5,5 kbit/s sur les canaux de 125 kHz en EU868 |
| Charge utile | 51 octets par trame montante au débit le plus lent en EU868, jusqu’à 222 octets au plus rapide |
| Portée | Centaines de mètres en intérieur, kilomètres en extérieur, selon les antennes et le terrain |
| Topologie | Étoile d’étoiles : appareils vers passerelles, passerelles vers un serveur réseau |
| Sécurité | AES-128 : une clé pour l’intégrité sur le réseau, une clé distincte pour les données de l’application |
| Autonomie | Plusieurs années, selon l’intervalle d’envoi et le facteur d’étalement |
| Exploitant | Vous (réseau privé) ou un opérateur de réseau public |
LoRa et LoRaWAN, ce n’est pas la même chose
LoRa est la modulation radio, développée par Semtech. Elle étale chaque symbole en chirp sur un canal de 125 kHz ou plus, ce qui permet à un récepteur de décoder des signaux bien en dessous du bruit. Le facteur d’étalement (SF7 à SF12) fixe la durée de chaque symbole : un SF plus élevé est plus lent mais porte plus loin.
LoRaWAN est le protocole réseau qui la surmonte, publié par la LoRa Alliance. Il définit comment les appareils rejoignent le réseau, comment les trames sont adressées et chiffrées, quand un appareil peut recevoir et comment le serveur réseau gère les débits. Un module radio ou un capteur qui « utilise LoRa » peut faire tourner à la place un protocole point à point propriétaire qu’aucun réseau LoRaWAN ne recevra. Vérifiez qu’un appareil est certifié LoRaWAN, ou au moins qu’il indique sa version LoRaWAN et son plan régional.
Le fonctionnement d’un réseau LoRaWAN
| Élément | Rôle |
|---|---|
| Appareil terminal | Un capteur ou une interface de compteur avec une radio LoRa. Il envoie des trames montantes quand il a des données et écoute les trames descendantes à des moments fixes |
| Passerelle | Reçoit chaque paquet LoRa qu’elle entend sur ses canaux et le transmet par Ethernet ou réseau cellulaire au serveur réseau. Elle ne décode pas la charge utile |
| Serveur réseau | Supprime les doublons reçus par plusieurs passerelles, vérifie le compteur de trames et le code d’intégrité, gère les débits et programme les trames descendantes |
| Serveur de connexion (join server) | Détient la clé racine de chaque appareil et gère la connexion, si bien que le serveur réseau ne voit jamais la clé d’application |
| Serveur d’application | Déchiffre la charge utile et exécute le décodeur de l’appareil, qui transforme les octets en valeurs nommées avec leurs unités |
Les appareils ne relaient pas les uns pour les autres et ne sont liés à aucune passerelle. Une mesure entendue par trois passerelles arrive trois fois au serveur réseau : la panne d’une passerelle ne fait donc pas perdre de données. Les passerelles transmettent au serveur réseau avec le packet forwarder UDP de Semtech ou avec LoRa Basics Station sur un WebSocket sécurisé.
Le serveur réseau est l’élément qu’on oublie. Tout déploiement en a besoin d’un : celui d’un réseau public, un service cloud ou un serveur exploité sur site. Les clés des appareils, les décodeurs et les intégrations qui transmettent les données y résident : convenez tôt de qui en est responsable.
Classes d’appareils
| Classe | Quand l’appareil peut recevoir | Appareil typique |
|---|---|---|
| A | Seulement dans deux courtes fenêtres après chacune de ses trames montantes | Capteurs sur pile et lecteurs de compteurs : tout appareil prend en charge la classe A |
| B | Aussi dans des créneaux programmés, synchronisés par les balises des passerelles | Actionneurs sur pile qui doivent recevoir des commandes en quelques minutes |
| C | Presque en permanence, sauf pendant l’émission | Relais et régulateurs alimentés par le secteur |
Une commande à un compteur de classe A qui émet toutes les heures peut attendre jusqu’à une heure. Le comparatif Zigbee et LoRaWAN traite les trames descendantes, les trames montantes confirmées et les défaillances qui comptent sur site.
Connexion au réseau et sécurité
Un appareil se connecte par activation over the air (OTAA) : il envoie une demande de connexion avec son DevEUI et son JoinEUI, et le serveur de connexion répond avec des clés de session dérivées de la clé racine de l’appareil (AppKey). L’activation par personnalisation (ABP) saute cette étape et stocke des clés de session fixes dans l’appareil. Préférez OTAA : un appareil en ABP qui remet son compteur de trames à zéro est ignoré par le serveur réseau jusqu’à ce que le compteur dépasse son ancienne valeur.
Chaque trame porte un code d’intégrité calculé avec la clé de session réseau et une charge utile chiffrée avec la clé de session d’application. L’opérateur du réseau peut donc acheminer une mesure sans pouvoir la lire. Conservez les AppKeys dans un coffre de clés, pas dans un tableur envoyé par e-mail.
Plans de fréquences par région
Les paramètres régionaux de la LoRa Alliance fixent les canaux, les débits et les limites de puissance de chaque région, et la réglementation radio locale ajoute ses propres limites :
| Plan | Bande | Où | Contrainte principale |
|---|---|---|---|
| EU868 | 863 à 870 MHz | Europe et de nombreux autres pays | Rapport cyclique, 1 % dans la sous-bande par défaut de 868,0 à 868,6 MHz |
| US915 | 902 à 928 MHz | États-Unis, Canada | Temps d’occupation de 400 ms : trames montantes en SF7 à SF10 seulement |
| AU915 | 915 à 928 MHz | Australie | Comme US915, mais les trames montantes peuvent utiliser SF12 (DR0) selon les paramètres régionaux actuels ; la limite de 400 ms ne s’applique que si le réseau l’impose |
| AS923 | 915 à 928 MHz, variable | Une grande partie de l’Asie | Sous-bandes et temps d’occupation propres à chaque pays |
| IN865 | 865 à 867 MHz | Inde | Trois canaux par défaut |
Un appareil est construit pour un plan. Commandez-le pour le pays où il sera installé, et vérifiez que la passerelle et le serveur réseau utilisent le même plan et, en US915, la même sous-bande de huit canaux.
Facteur d’étalement, temps d’émission et portée
Le SF fixe un compromis entre portée et temps d’émission. Pour une mesure de 12 octets (25 octets à l’antenne avec l’en-tête LoRaWAN) sur un canal de 125 kHz :
| Facteur d’étalement | Temps d’émission | Intervalle minimal avec 1 % de rapport cyclique |
|---|---|---|
| SF7 | 62 ms | 6 s |
| SF9 | 206 ms | 21 s |
| SF10 | 412 ms | 41 s |
| SF12 | 1 483 ms | 148 s |
SF12 demande 24 fois le temps d’émission de SF7, et la pile paie chaque milliseconde. L’adaptation du débit (ADR) permet au serveur réseau de faire passer un appareil bien reçu à un SF plus bas et à une puissance plus faible, ce qui économise la pile et libère le canal pour les autres. Un appareil en sous-sol ne passe parfois qu’en SF12 : calculez son intervalle d’envoi et son autonomie sur cette valeur, pas sur le meilleur cas de la fiche technique.
La portée découle du bilan de liaison : puissance d’émission, gains d’antenne, pertes de câble et sensibilité du récepteur au SF choisi, face à l’affaiblissement de propagation du site. Une antenne de passerelle au-dessus de la toiture compte plus que n’importe quel réglage. Modélisez la liaison avec le calculateur de bilan de liaison radio, vérifiez le dégagement de la zone de Fresnel pour une longue liaison extérieure, puis confirmez avec un appareil de test aux emplacements réels des compteurs.
LoRaWAN, NB-IoT, LTE-M et autres réseaux LPWAN
| LoRaWAN | NB-IoT | LTE-M | Sigfox | M-Bus sans fil | |
|---|---|---|---|---|---|
| Spectre | Libre, sous 1 GHz | Bandes mobiles sous licence | Bandes mobiles sous licence | Libre, sous 1 GHz | Libre, 868 MHz en Europe |
| Réseau | Vos passerelles ou un opérateur public | Opérateur mobile | Opérateur mobile | Opérateur du réseau Sigfox | Vos récepteurs, relève à pied ou en véhicule |
| SIM ou abonnement | Pas de SIM ; un serveur réseau | SIM par appareil | SIM par appareil | Abonnement par appareil | Aucun |
| Données | Petites, 51 à 222 octets par trame montante | Messages plus grands, débits plus élevés | Jusqu’à 1 Mbit/s environ, voix et mobilité | 12 octets par trame montante, jusqu’à 140 par jour | Télégrammes de compteurs |
| Portée en intérieur et en sous-sol | Bonne, et vous pouvez ajouter une passerelle | Bonne là où l’opérateur couvre | Moindre que NB-IoT | Bonne là où le réseau couvre | Courte portée |
| Usage typique | Sites privés, campus, distributeurs | Parcs nationaux d’appareils fixes | Traceurs, appareils mobiles | Alarmes et compteurs simples | Relève des compteurs d’eau et de chaleur |
Le choix porte le plus souvent sur la propriété du réseau. LoRaWAN permet à un site ou à un patrimoine d’exploiter sa propre couverture sans carte SIM par appareil. NB-IoT et LTE-M dépendent de la couverture et des tarifs d’un opérateur, mais ne demandent aucune passerelle. Le M-Bus sans fil (EN 13757-4) équipe souvent les compteurs d’eau et de chaleur eux-mêmes et se lit avec ses propres récepteurs. Pour comparer avec les réseaux maillés de courte portée à l’intérieur des bâtiments, voir Qu’est-ce que Zigbee ?.
LoRaWAN pour le comptage
Dans les projets d’énergie et de bâtiment, les appareils LoRaWAN servent surtout à équiper l’existant : un compteur d’impulsions sur un compteur d’eau ou de gaz, un capteur de courant sur un câble, une sonde de température dans une chambre froide. Choisissez des appareils qui envoient un index cumulé, comme le total en m³ ou en kWh, dans chaque trame montante. Une trame perdue coûte alors de la résolution temporelle, pas de la consommation. Le guide des compteurs à impulsions explique comment raccorder un lecteur d’impulsions à un compteur.
Avant le déploiement, vérifiez pour chaque appareil le plan régional, la version LoRaWAN et la classe, le décodeur, l’intervalle d’envoi au SF réellement atteint et qui détient les clés des appareils.
LoRaWAN avec EpiSensor
Edge, sur la Gateway ZGW-20, lit les trames montantes décodées des appareils LoRaWAN d’autres fabricants depuis le serveur réseau LoRaWAN du site et les enregistre à côté des mesures Zigbee, Modbus et BACnet. La liste des appareils LoRaWAN montre comment chaque modèle se raccorde à Edge et quels champs fournit son décodeur.
Questions fréquentes
À quoi sert LoRaWAN ?
LoRaWAN transporte des mesures petites et peu fréquentes depuis des appareils sur pile, sur de longues distances : impulsions de compteurs d’eau, de gaz et de chaleur, température et humidité, pinces de courant, occupation, niveaux et alarmes. Il convient aux sites où les appareils sont dispersés, derrière des murs ou en sous-sol, et où des câbles ou un réseau maillé coûteraient plus que la valeur des données.
Quelle est la différence entre LoRa et LoRaWAN ?
LoRa est la couche physique : une modulation à étalement de spectre par chirp, de Semtech, qui échange du débit contre de la portée. LoRaWAN est le protocole d’accès et de réseau publié par la LoRa Alliance : adressage des appareils, connexion au réseau, chiffrement, classes d’appareils et fonctionnement commun des passerelles et du serveur réseau. LoRaWAN utilise LoRa, mais LoRa peut aussi servir sans LoRaWAN, dans des liaisons point à point qu’aucun réseau LoRaWAN ne peut recevoir.
Quelle est la portée de LoRaWAN ?
En pratique, quelques centaines de mètres à travers les bâtiments et les sous-sols, deux à cinq kilomètres en ville et dix kilomètres ou plus en terrain dégagé depuis une passerelle sur un mât. La portée dépend davantage du facteur d’étalement, de la hauteur d’antenne, du relief et des murs que du protocole. Mesurez-la avec un appareil de test aux emplacements réels.
Quelle fréquence utilise LoRaWAN ?
LoRaWAN utilise des bandes libres sous 1 GHz, définies par région dans les paramètres régionaux de la LoRa Alliance : 863 à 870 MHz en Europe (EU868), 902 à 928 MHz en Amérique du Nord (US915), 915 à 928 MHz en Australie (AU915), 865 à 867 MHz en Inde (IN865) et AS923 dans une grande partie de l’Asie. Un appareil doit suivre le plan de son réseau.
LoRaWAN est-il meilleur que NB-IoT ?
Aucun n’est meilleur en général. LoRaWAN fonctionne en bande libre avec des passerelles qui peuvent vous appartenir, sans carte SIM ni opérateur, ce qui convient aux sites privés et aux sous-sols couverts par votre propre passerelle. NB-IoT fonctionne sur le réseau sous licence d’un opérateur mobile avec une carte SIM par appareil, ce qui convient aux appareils répartis sur tout un pays là où l’opérateur couvre déjà.
LoRaWAN a-t-il besoin d’Internet ?
Non. Les passerelles ont besoin d’une connexion IP vers le serveur réseau, mais celui-ci peut fonctionner sur site, sur le même réseau local. Seuls un réseau public ou un serveur réseau dans le cloud demandent une connexion Internet.