Qu’est-ce que LoRaWAN ?

Il existe plusieurs types de protocoles de télécommunication, notamment pour les réseaux informatiques et la télécommunication. LoRaWAN pour Long Range Wide-area network, — traduction de réseau étendu à longue portée — est l’un d’entre eux. LoRa est la technologie de modulation qui sert le protocole.

Elle a été créée en 2009 par Cycléo, une entreprise grenobloise rachetée en 2012 par Semtech Corporation. Grâce à des capteurs de petite taille au coût réduit, LoRa connecte entre eux des objets dont le besoin en autonomie de batterie est calculé en années.

Ainsi, le protocole permet la communication à bas débit entre des objets à faible consommation électrique, par le biais des ondes radios. Il utilise l’Internet et la technologie LoRa, reliés via des passerelles, participant de ce fait à la troisième révolution du Web : l’Internet des objets — Internet of Things pour IoT. Ce dernier est ce qu’on appelle le Web 3.0, nouvelle génération d’interconnectivité entre Internet et divers objets connectés. En effet, cet environnement IoT crée un espace physique croissant, où de nouvelles formes de connaissances et de savoirs se développent via les objets qui s’y connectent. Par ailleurs, ce protocole de communication est utilisé dans les villes intelligentes, l’agriculture ou encore le monitoring industriel.

Moins de consommation pour un budget moindre

La technologie utilise une technique de modulation de type Chirp spread spectrum, c’est-à-dire étalement de spectre, appelée LoRa, dont la priorité est la faible consommation d’énergie. En effet, le protocole nécessite un coût réduit pour son implémentation, en plus de l’utilisation d’un bas débit qui limite davantage sa consommation, au contraire des autres protocoles plutôt portés sur des débits élevés, énergivores et donc plus coûteux. De cela, il apparaît clair que le but visé par ce procédé est la communication longue portée à prix réduit.

Cette faible consommation et cette moindre dépense sont possibles, grâce à l’architecture en étoile dont dispose la technologie, ce qui la distingue de l’architecture maillée utilisée pour les réseaux cellulaires par exemple. Cela réduit notamment le coût des composants électroniques que la technologie requiert pour son fonctionnement. À ce propos, le prix des composants utilisés pour les terminaux varie entre 1 et 5$. Bien entendu pour les versions durcies, le tarif augmente sensiblement. Par ailleurs, les bandes de fréquences empruntées pour les liaisons sont libres, c’est-à-dire gratuites, mais leurs avantages ne s’arrêtent pas là. Il est en effet possible de créer des réseaux privés LoRa, et ce sans passer par un opérateur. Le champ du réseau permet de couvrir une maison, un quartier ou une ville entière, sans avoir à payer le moindre abonnement.

Le WISE-2410 est un excellent exemple d’objet connecté LoRaWAN. C’est un capteur de vibration et de température connecté ultra basse consommation. Avec simplement 2 piles AA, ce module d’acquisition de la marque Advantech peut fonctionner pendant 2 années.

De nos jours il existe des centaines de capteurs LoRa ou IoT conçu pour un usage sur le terrain via ce protocole. On retrouvera des solutions pour les capteurs de présence, température, vibration, courant, …

L’architecture LoRa

En outre, pour son fonctionnement, le réseau doit utiliser un équipement sans-fil à basse consommation. Ce dernier permet la relation entre des serveurs applicatifs en passant par des passerelles. Et c’est ce procédé que l’on appelle technique de modulation, ou plus exactement LoRa.

Ainsi, c’est au travers du protocole IP, ainsi que d’un réseau Ethernet ou 3G que la communication entre les serveurs et les passerelles s’établit. Par ailleurs, le réseau utilise une topologie appelée étoile d’étoiles, — star of stars — car l’application qu’engendre le serveur passe par diverses passerelles connectées entre elles, et qui sont elles-mêmes connectées à des équipements terminaux. Plus justement, ces derniers ne sont pas exactement connectés aux passerelles, mais servent plutôt de relais à ces dernières afin de les acheminer jusqu’au serveur qui gère le réseau. Les équipements envoient les paquets de données, qui à leur tour sont retransmis via les passerelles.

Par ailleurs, le même message d’un équipement donné peut être retransmis par de multiples passerelles, si toutefois le signal et la couverture radios le permettent. On parle alors de duplication de message dans un réseau de collecte et dont le dédoublement de paquets est assuré par le serveur hébergeant. Cette fonctionnalité localise l’équipement en comparant les divers temps d’arrivée d’un même paquet dupliqué. Ceci dit, il faut savoir que la passerelle LoRaWAN n’admet pas une communication directe entre deux objets connectés sans le passage par un serveur applicatif.

Exemples d’usage du protocole

Mise en application de LoRa pour les villes intelligentes

Un test d’utilisation urbaine de LoRa en mode réseau privé a été réalisé en Italie. Cette expérimentation s’est faite dans un bâtiment de 19 étages où il fallait contrôler et surveiller la température et le taux d’humidité dans les pièces de divers appartements. Le but étant de réguler le chauffage, la ventilation et la climatisation, à des fins de réduction des coûts de consommation qui leur sont alloués. Un excellent exemple de smart city.

L’étude a été menée en 2016 par Marco Centaro, et son installation est toujours opérationnelle. Une passerelle LoRaWAN jointe à 32 capteurs et un serveur de collecte d’informations, étendus à plusieurs bâtiments, donnent des résultats très satisfaisants quant à la réduction du coût de consommation énergétique. Une autre étude menée dans le Grand Londres par Fanghao Yu en 2017, concerne le déploiement d’un réseau responsable de mesurer la qualité de l’air et de surveiller le trafic routier. Cette expérience a mis en évidence la nécessité de mettre en place 47 cellules pour Londres et sa grande périphérie. En effet, l’installation répartirait les cellules ainsi : 19 petites cellules pour le centre de la capitale, et 28 grandes cellules pour le reste. La totalité du réseau comporterait 11681 terminaux pour un résultat optimal.

Efficacité de LoRa dans le secteur du monitoring industriel

En 2016, Juha Petäjäjärvi a évalué la réception de paquets sur un campus médical situé à Oulu en Finlande. Selon les résultats de l’expérimentation, le campus qui s’étend sur une surface de 182400 m², essentiellement composée de bâtiments, a un taux de réception de 96,7 %.

Ceci met en évidence que le réseau LoRa est adéquat pour la gestion du personnel hospitalier et la surveillance de leur bien-être au travail. De plus, ceci confirme l’intérêt de l’utilisation de ce procédé pour la surveillance des patients et leur suivi de santé une fois à l’extérieur. Autre exemple dans le secteur du monitoring industriel. L’entreprise française Zozio, spécialisée dans la géolocalisation intérieure et extérieure, a réussi à développer des solutions basées sur le technologie LoRa. Cette dernière lui a permis d’atteindre des performances remarquables sur leur infrastructure technologique de géolocalisation, avec très peu de dépenses.

Une connectivité intelligente pour l’agriculture

Pour mesurer la température des bovins, et ainsi en déduire leur état de santé, Bruno Bellini a mené une étude à l’aide de capteurs accéléromètres reliés par la technologie LoRa. Ce dispositif consiste en un équipement sans fil relié à un réseau LoRaWAN, qui permet de connecter des colliers accéléromètres accrochés sur chaque animal, et d’en collecter les données. Une batterie de 400 mAh disposée sur chaque collier permet une grande autonomie, à savoir 5 ans. Ainsi, l’accéléromètre qui fonctionne à une distance de 10 km, envoie toutes les heures des informations au terminal. Par ailleurs, ce matériel coûte 25 $ pour 100 unités.

Les différences entre LoRa public et LoRa privé ?

Les réseaux LoRa peuvent être déployés de manière publique ou privée. Cela engendre quelques différences d’architecture et d’usage.

• La gestion : Le réseau LoRa public est géré par un opérateur téléphonique ou cellulaire, là ou la version privée est directement géré par une organisation ou entreprise pour son propre usage.
• L’échelle ou surface : Le réseau public touche une plus grande surface, alors que le réseau privé couvrira un point plus local jusqu’à 15km de rayon.
• Le coût : Le réseau public, un peu comme un abonnement 4G nécessite de payer à la consommation et/ou à l’abonnement. Le réseau privé demandera un investissement matériel de départ comme une passerelle LoRaWAN privée mais pas d’abonnement ensuite.
• Contrôle et sécurité : Comme le réseau public est géré par un tiers, les utilisateurs ont moins de contrôle sur les aspects tels que la qualité de service ou la sécurité. Cependant, les grands opérateurs peuvent offrir des niveaux de sécurité élevés. Quant au privé l’organisation possède un contrôle total sur le réseau, offrant la possibilité de le personnaliser en fonction de ses besoins et d’implémenter des mesures de sécurité spécifiques.

Le choix entre le LoRaWAN public et privé sera donc principalement en fonction des usages, de la gouvernance du réseau et des besoins en terme de couverture.