Réseau LoRa : l’essentiel sur ce mode de communication sans fil

Pour assurer un monitoring énergétique efficace, il est impératif de s’appuyer sur une architecture de communication fiable, à l’instar des réseaux sans fil radio. Cette dernière décennie, des technologies comme LoRa et LoRaWAN, sont devenus incontournables. Alors, quelles sont les caractéristiques du réseau LoRa ? Comment fonctionne-t-il ? Quelles différences avec les autres solutions existantes ? C’est ce que DeltaConso Expert vous propose de découvrir dans cet article.

Réseau LoRa : de quoi s’agit-il ?

LoRa (pour Long Range, à savoir “longue portée” en français) est une technologie de modulation radio, dédiée à l’Internet des Objets (IoT), qui, grâce à une transmission de données à longue portée, bas débit et faible consommation énergétique, rend possible la communication avec des objets connectés. Ces différentes caractéristiques lui permettent d’être adaptée à de nombreux domaines d’applications (smart cities, agriculture intelligente, surveillance des bâtiments, industrie 4.0…), dont le management énergétique.

Comprendre la différence entre LoRa et LoRaWAN

Si les deux termes sont souvent utilisés indifféremment, ils ne désignent pourtant pas la même chose. LoRa désigne une technologie de modulation des ondes radio, tandis que LoRaWAN fait référence au protocole qui s'appuie sur cette technologie pour structurer les échanges de données.

LoRa : la technologie

C’est la technologie de modulation radio (le signal dans l’air). Sa grande force est sa capacité à traverser les obstacles (murs, dalles béton) et à porter sur plusieurs kilomètres avec très peu d’énergie.

LoRaWAN : le protocole réseau

C’est le protocole informatique (le « langage ») qui utilise les ondes LoRa pour créer un réseau. C’est un standard ouvert (géré par la LoRa Alliance) qui définit comment le capteur parle à l’antenne, comment la donnée est chiffrée, et comment elle est routée vers les serveurs.

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Réseau opéré, mutualisé ou privé : que choisir ?

Avec la technologie LoRa / LoRaWAN, la communication réseau peut s’effectuer de trois manières différentes :

• LoRaWAN opéré : le système repose sur un réseau public géré par un opérateur (sur le même modèle que la 3G, 4G ou 5G), avec un abonnement mensuel ou annuel ;
• LoRaWAN public mutualisé : les réseaux radio sont opérés par une collectivité ou un syndicat d’énergie ;
• LoRaWAN privé : cela consiste à créer son propre réseau LoRa sur le site, le territoire ou la zone étudiée.

Le choix dépend des besoins et contraintes de chaque site. Dans le cadre d’un monitoring énergétique, le réseau LoRaWAN privé constitue une solution particulièrement intéressante aujourd’hui : possibilité de faire évoluer l’installation, pas de frais d’abonnement, sécurité optimale…

Comment fonctionne une architecture LoRaWAN privée ?

Comme expliqué plus haut, l'architecture LoRaWAN privée est l'une des plus intéressantes à mettre en œuvre. Pour mieux l'appréhender, voici son écosystème et les différents éléments qui la composent :

• Les objets connectés ;

• Les passerelles et leurs antennes (Gateways) ;

• Le protocole LoRaWAN ;

• Le serveur réseau LoRaWAN (LNS) ;
• Le logiciel de monitoring énergétique.

Les objets connectés

Dans le cas d’un monitoring énergétique, les objets connectés sont principalement des compteurs ou des capteurs intelligents. Mis en place dans des endroits stratégiques du site ou du territoire étudié, ces objets peuvent collecter, en temps réel, une multitude de données relatives aux :

• Consommations et productions d’énergie (globales ou par usage énergétique) ;
• Données de l’environnement (températures, hygrométrie, taux de CO₂…) ;
• Données de fonctionnement (pannes, marche/arrêt d’équipement…).

Les passerelles et antennes

Souvent placées en hauteur ou à des endroits stratégiques, les passerelles (équipées de leurs antennes) reçoivent les signaux radio envoyés par les objets connectés et les transmettent au cœur de réseau (le serveur LNS). Selon l'architecture choisie, ce serveur réseau peut être hébergé dans le cloud ou directement embarqué au cœur de la passerelle pour un traitement local et autonome. Ces équipements peuvent couvrir une zone très étendue, ce qui leur permet d’assurer le transfert des données sur de longues distances, même dans des conditions difficiles (installations en sous-sol, murs épais…).

Le protocole LoRaWAN

Contrairement aux autres éléments présentés ici, le protocole LoRaWAN n'est pas un composant physique. C'est le « langage informatique » qui régit la façon dont les données circulent entre les instruments de mesure, les antennes et les serveurs au sein du réseau LoRa. Il permet d’assurer une communication bidirectionnelle entre les passerelles/antennes et les objets connectés.

Dans un réseau LoRaWAN, la circulation de la donnée suit toujours la même logique technique en 4 étapes :

1. Les capteurs finaux (End-nodes) : ils collectent la donnée et l’émettent en radio (LoRa) ;
2. Les antennes (Gateways / Passerelles) : elles captent le signal radio (LoRa) et le convertissent en flux de données informatiques (via réseau local Ethernet ou réseau cellulaire 4G) pour l’achemine vers le cœur de réseau ;
3. Le cœur de réseau (Serveur LNS - LoRaWAN Network Server) : il gère le réseau, déchiffre les données, élimine les doublons et orchestre la cybersécurité ;
4. La plateforme applicative : elle reçoit la donnée décodée pour l’exploiter sous forme de tableaux de bord (comme DeltaConso Expert).

Cette chaîne de 4 étapes est universelle. Que le réseau soit privé, opéré ou mutualisé, le trajet de la donnée reste le même. Ce qui change, c’est uniquement l’acteur qui possède et administre les antennes (étape 2) et le serveur LNS (étape 3).

Le serveur réseau LoRaWAN (LNS)

Le serveur réseau LoRaWAN ou LNS (LoRaWAN Network Server) est le composant central qui orchestre l'ensemble du réseau.

C'est lui qui :

• Déduplique les messages : un même signal capté par plusieurs passerelles simultanément n'est transmis qu'une seule fois ;
• Déchiffre les données : il gère la clé réseau (NwkSKey) et valide l'authenticité de chaque trame ;
• Gère l'Adaptive Data Rate (ADR) : il ajuste automatiquement le Spreading Factor et la puissance d'émission de chaque capteur pour optimiser portée, débit et consommation ;
• Planifie les messages descendants (downlink) vers les capteurs ;
• Supervise les sessions : enregistrement des équipements, rotation des clés, détection des anomalies réseau.

DeltaConso Expert intègre son propre serveur LNS, ce qui simplifie considérablement le déploiement et l'exploitation d'un réseau LoRaWAN privé.

Le logiciel de monitoring énergétique

Les données issues de la ou les passerelle(s) sont transmises via un réseau internet propre ou via un abonnement 3G/5G. Celles-ci sont traitées et intégrées dans le logiciel de monitoring de l'énergie. Un certain nombre d'opérations de décodage peuvent avoir lieu afin de rendre l'information utilisable pour les utilisateurs logiciel — tel que DeltaConso Expert.

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Quels sont les avantages de la technologie LoRa ?

Les spécificités de la technologie LoRa et du protocole LoRaWAN offrent de nombreux avantages, mais également certains inconvénients qu’il convient de connaître.

Une large couverture

L’un des principaux atouts de la modulation LoRa est sa longue portée. Grâce à la modulation CSS (Chirp Spread Spectrum), le signal peut se transmettre sur plus de 10 kilomètres en extérieur. Cette portée diminue dans les environnements contraints (bâtiments multi-étages, sous-sols, murs épais), mais reste supérieure à la quasi-totalité des technologies IoT concurrentes. C'est ce qui rend LoRa adapté à des déploiements étendus : smart cities, sites industriels, réseaux de capteurs ruraux.

Une sécurité optimale

Par ailleurs, le protocole LoRaWAN est particulièrement sécurisé. La technologie intègre différentes couches de sécurité indépendantes : un chiffrement AES-128 avec deux clés séparées (une clé réseau, une clé application), une authentification des équipements, et un contrôle d'accès strict. Cette architecture garantit que les données ne peuvent être lues ni par l'opérateur réseau, ni par un tiers : seule l'application destinataire détient la clé de déchiffrement.

Une technologie performante à faible consommation d’énergie

La modulation CSS de LoRa étale le signal sur toute la bande passante disponible à l'aide de chirps (des signaux à fréquence variable). Cette technique rend le signal très résistant aux interférences et au bruit radio ambiant, y compris dans des environnements difficiles comme les zones industrielles ou les sous-sols.

La faible consommation, elle, vient du protocole LoRaWAN. En mode Class A (le plus répandu), chaque capteur décide lui-même quand émettre, ouvre deux courtes fenêtres de réception après chaque envoi, puis se rendort immédiatement. Résultat : un capteur LoRaWAN sur pile peut fonctionner 5 à 10 ans sans remplacement de batterie, ce qui est déterminant pour les déploiements à grande échelle ou dans des endroits difficiles d'accès.

De faibles coûts de déploiement et d’utilisation

Grâce à sa large couverture, LoRa offre des frais d’installation et de fourniture réduits. Les solutions concurrentes, disposant de couvertures réseau plus basses, impliquent un déploiement plus complexe et plus coûteux (plus d’antennes, de répéteurs ou de câbles électriques et informatiques dans le cas d’un réseau filaire). Par ailleurs, le réseau privé utilise des bandes de fréquences libres, c’est-à-dire non soumises à licence (comme cela peut être le cas avec les réseaux cellulaires). La mise en place d’un réseau LoRa sans fil unique, évolutif et à la large portée offre ainsi un excellent rapport qualité-prix.

Les inconvénients de LoRa

Un faible débit de données

LoRa repose sur un compromis fondamental : plus le Spreading Factor (SF) est élevé, plus la portée augmente, mais plus le débit diminue. À titre d’exemple, à SF maximal, le débit peut descendre sous les 300 bits/s.

À cela s'ajoute une contrainte réglementaire. Sur les bandes ISM (utilisées en Europe), les émissions sont limitées à 1 % du temps (duty cycle), ce qui réduit mécaniquement la fréquence des envois. LoRaWAN n'est donc pas adapté aux flux de données intensifs ni aux transmissions en temps réel. Il est au contraire conçu pour des capteurs qui envoient des mesures ponctuelles et légères.

Une mise en place nécessitant une forte expertise

La mise en place d'un réseau LoRaWAN privé implique un diagnostic préalable du site (couverture radio, obstacles, nombre de capteurs), ainsi qu'une configuration précise des équipements et du serveur réseau (LNS). Ce niveau de technicité requiert l'intervention d'un spécialiste, comme le bureau d'études Akéa Énergies, développeur de l'outil DeltaConso Expert.

Quelles différences avec les autres réseaux sans fil existants ?

LoRa n'est pas le seul acteur sur le marché du réseau de communication sans fil dédié aux solutions IoT. On peut notamment citer :

• Sigfox ;
• NB-IoT ;
• LTE-M.

Zoom sur ces autres technologies et les caractéristiques qui permettent de les distinguer.

Sigfox

Contrairement à LoRa/LoRaWAN, Sigfox est un réseau 100 % opéré et propriétaire : son utilisation est soumise à un abonnement, sans possibilité de déploiement privé. LoRaWAN, en revanche, est un protocole open source géré par la LoRa Alliance. Il peut être déployé librement par un tiers, en mode privé, mutualisé ou opéré, ce qui offre une bien plus grande maîtrise des données collectées.

NB-IoT

NB-IoT s'appuie sur les réseaux cellulaires existants des opérateurs mobiles, ce qui implique des licences de spectre et un abonnement obligatoire. Cette dépendance à l'infrastructure cellulaire réduit la flexibilité de déploiement et a un impact direct sur le coût du dispositif.

NB-IoT offre toutefois un débit supérieur à LoRaWAN et bénéficie d'une meilleure qualité de service garantie (QoS), ce qui peut être un avantage pour certaines applications nécessitant fiabilité ou latence maîtrisée. En contrepartie, il exclut tout déploiement privé autonome.

LTE-M

LTE-M est une technologie dérivée de la 4G, conçue pour l'IoT mobile. Elle s'appuie sur les stations de base cellulaires existantes, et ne nécessitent donc pas l’installation de gateways (spécifiques au réseau LoRaWAN). Ainsi, cette technologie offre un très bon débit de données, supporte la mobilité (handover entre antennes) et même la voix.

En contrepartie, elle implique des coûts de licence et d'abonnement significativement plus élevés que LoRaWAN, et ne permet pas de déploiement privé sans opérateur.

On peut citer également d’autres technologies comme ZigBee ou Wireless M-Bus, qui offrent un débit plus élevé que LoRaWAN, mais pour une portée bien plus faible (quelques dizaines à quelques centaines de mètres). Elles sont adaptées à des déploiements de proximité (bâtiment unique, réseau local de capteurs), là où LoRaWAN excelle sur les grandes distances.