LoRa : comment fonctionne le réseau IoT ?

"LoRa : comment fonctionne le réseau IoT ?"

LoRa : comment fonctionne le réseau IoT ? [LORAWAN] Promus par l'alliance LoRa, les réseaux LoRaWAN permettent à 225 millions d'objets connectés d'échanger de petits paquets de données dans le monde.

Qu'est-ce que LoRa ?

LoRa est le nom donné à la technologie de modulation des ondes radios sur laquelle sont basés les réseaux LoRaWAN. Elle a été créée par des ingénieurs français de la start-up grenobloise Cycleo. L'entreprise, fondée en 2009, a été rachetée en 2012 pour 21 millions de dollars par le spécialiste américain des semi-conducteurs Semtech. Les deux sociétés avaient des portefeuilles de brevets très complémentaires. Le réseau LoRaWAN est né de cette acquisition. Semtech détient la propriété intellectuelle des puces LoRa qui doivent être fixées sur les objets connectés pour qu'ils communiquent sur le réseau. Leurs fabricants lui versent des royalties. "

Qu'est-ce que LoRaWAN ?

LoRaWAN est un protocole de télécommunication radio permettant la communication à bas débit d'objets connectés. Il émet en France sur la bande de fréquence 868 mégahertz. Le signal radio est émis sur une grande largeur spectrale, pour limiter au maximum le risque d'interférence avec des signaux parasites. Ce protocole de communication permet d'envoyer des données en intérieur (indoor), en sous-sol (deep indoor) et en extérieur (outdoor). LoRaWAN est un protocole tandis que LoRa fait référence à la couche physique du réseau", explique Rémi Lorrain, directeur du réseau LoRaWAN chez Semtech. LoRaWAN fait partie de la catégorie des réseaux LPWAN (low power wide area network, ou réseau faible consommation longue portée en français).

Contrairement aux réseaux mobiles classiques, comme la 4G ou la 5G, qui peuvent transporter de grandes quantités d'informations, LoRaWAN n'est pas taillé pour satisfaire les besoins d'appareils beaux parleurs, comme les smartphones. Cette technologie de modulation de fréquence ne peut faire circuler que de petits paquets de données, émis par des capteurs de température ou d'humidité par exemple. Elle peut faire transiter entre 0,3 et 50 kilobits par seconde (le débit du réseau s'adapte à chaque objet pour ne pas grignoter trop de bande passante).

Ces informations peuvent transiter sur des distances plus longues que sur les réseaux télécoms traditionnels. Un objet connecté en LoRaWAN peut envoyer un message à une borne située à une distance d'environ 1 kilomètre en zone urbaine et à 20 kilomètres dans une zone rurale plane. 

Quelle est la couverture des réseaux LoRaWAN ?

Chaque opérateur LoRaWAN dispose de son propre réseau et donc de sa propre carte de couverture. 170 opérateurs dans le monde (chiffre de mai 2022) proposent un réseau LoRaWAN dans plus de 162 pays, aux Etats-Unis (avec Senet et SemTech), en Belgique (Proximus et Wireless Belgie), en Suisse (Swisscom), ou encore en Afrique du Sud (Fastnet). Un réseau LoRaWAN open source baptisé The Things Network est déployé dans 89 pays. "Pour qu'un réseau soit défini comme ayant une couverture national, il faut qu'il couvre 80% de la population du pays avec une qualité de service outdoor. En Europe, douze opérateurs ont atteint ce niveau", détaille Rémi Lorrain, directeur du réseau LoRaWAN chez Semtech, lors d'un webinar organisé par ChipSelect.

En mai 2022, 170 opérateurs proposaient des réseaux LoRaWAN dans le monde. © Alliance LoRa

Si, en France, les réseaux publics LoRaWAN semblent en recul avec l'arrêt du réseau d'Objenious fin 2024 et celui d'Orange potentiellement à partir de fin 2027, c'est un phénomène inverse qui s'opère dans le monde : selon l'Alliance LoRa, les réseaux publics ont enregistré une croissance de 66% entre 2019 et 2022. Les opérateurs de réseaux satellites, communautaires et exempts de licence sont moteurs de cette expansion. Le réseau communautaire Helium par exemple compte plus de 83 000 nouveaux hotspots chaque mois depuis le début de l'année. La "disponibilité de l'itinérance dans plus de 23 pays" a également accéléré l'essor du réseau et sa couverture mondiale, indique l'Alliance LoRa dans un communiqué. "Cette évolution des types de réseaux et de fournisseurs de réseaux est attendue et signe d'un marché sain et dynamique. Ces nouveaux acteurs sont agiles et capables de se développer au-delà des contraintes de l'infrastructure réseau préexistante. Ils construisent avec succès des modèles commerciaux rentables pour maximiser la valeur de leurs réseaux LoRaWAN et répondre aux besoins changeants des déploiements LPWAN IoT", affirme Donna Moore, PDG et présidente de l'Alliance LoRa.

LoRa vs Sigfox

Impossible de citer LoRa sans mentionner son principal concurrent, Sigfox. Alors que le premier est un réseau ouvert (open source), pouvant être développé et exploité par n'importe quelle entreprise dès lors qu'elle achète des puces LoRa, le second est propriétaire. Il a été développé et est déployé dans le monde entier par l'entreprise toulousaine éponyme. Pour accélérer l'installation de l'infrastructure télécom qui supporte son réseau, Sigfox tisse des partenariats avec des opérateurs qui déploient ses antennes sur le terrain. Aujourd'hui, Sigfox est présent dans 75 pays.

Par ailleurs, la géolocalisation sans GPS en LoRa est plus précise (de 20 à 100 mètres en fonction du nombre d'antennes) que celle de Sigfox (de 10 à moins de 1 kilomètre), même si elle est plus gourmande en énergie. Il n'y a pas une solution meilleure que l'autre a priori, tout est affaire de compromis.

Alliance LoRa

Pour promouvoir sa technologie, Semtech a créé en mars 2015 l'alliance LoRa avec une quinzaine de sociétés partenaires, dont IBM, Microchip ou Actility. Elle compte plus de 500 entreprises membres. En multipliant le nombre d'opérateurs et d'utilisateurs de sa technologie, Semtech espère qu'elle deviendra le principal réseau LPWAN et qu'elle s'imposera comme le standard de fait du marché. L'alliance LoRa est présidée depuis 2018 par Donna Moore, qui a auparavant présidé la société américaine SpireSpark, qui conçoit, construit et gère des programmes mondiaux de certification et de conformité. L'organisation certifie les capteurs et autres objets connectés fabriqués par ses adhérents et embarquant LoRa. L'Alliance LoRa développe également la standardisation du protocole et étudie une nouvelle version permettant la mise à jour des objets connectés à distance (FUOTA).

Les gateway LoRaWAN

Les appareils utilisant la technologie LoRa sont connectés à Internet via des passerelles. Concrètement, pour déployer un réseau LoRaWAN, les opérateurs publics ou privés installent des stations de base dotées d'antennes fabriquées par des équipementiers télécoms. Ces appareils doivent être reliés à Internet pour envoyer sur la Toile les données qu'ils reçoivent, afin qu'elles puissent être consultées par les entreprises et les particuliers qui utilisent des objets connectés en LoRa. Les appareils intelligents situés à proximité de ces antennes sont équipés d'une puce LoRa, qui leur permet de se connecter périodiquement au réseau pour envoyer ou recevoir des informations. Plus d'un million de gateway sont déployés dans le monde, selon les chiffres de Semtech. 

Applications dans les smart city

La smart city est l'un des quatre secteurs principaux pour lesquels est déployée LoRa. La technologie permet de faire transiter de petits paquets de données, comme des mesures prises par un capteur de température, d'humidité, ou encore de pression. Un compteur d'eau ou d'électricité peut par exemple envoyer une fois par jour un bilan de consommation, notamment pour permettre de réaliser des économies d'énergie. En plaçant de petits détecteurs de vibrations sous la chaussée à différents points stratégiques, les villes peuvent par exemple savoir combien de véhicules passent à différentes heures de la journée et réorganiser leur plan de circulation plus intelligemment.

Attention, les appareils qui communiquent en LoRa ne sont pas reliés au réseau en permanence, pour éviter de consommer trop d'énergie. Ils s'allument périodiquement (une fois par semaine, chaque jour ou chaque heure, cela dépend de l'usage). Les data qui transitent en LoRa ne peuvent donc pas être de nature à être communiquées en urgence (des informations sur le bon fonctionnement d'un pacemaker, par exemple).

Les QR codes pour l'intégration en LoRaWAN

Après l'amélioration de la spécification LoRaWAN 1.0.4, l'Alliance LoRa a présenté le 8 décembre 2020 une nouvelle solution : des QR codes d'identification de périphérique. Ces derniers pourront être imprimés sur les appareils par les fabricants, permettant aux clients d'obtenir toutes les informations d'identification requises pour ajouter des appareils à leur réseau. "La mise en œuvre d'une gestion de réseau basée sur code QR offre d'énormes avantages en automatisant un processus auparavant manuel. Ces avantages s'appuient sur nos récentes améliorations de la spécification LoRaWAN 1.0.4, qui fournit désormais tous les éléments nécessaires pour faciliter le développement, les tests de certification et le déploiement de LoRaWAN. Cet engagement envers la facilité d'utilisation est un objectif stratégique de l'Alliance LoRa et est essentiel pour réaliser un IoT massif à l'échelle mondiale", a expliqué dans un communiqué Donna Moore, directrice générale et présidente de l'Alliance LoRa. Par contre, seuls les membres de l'Alliance LoRa peuvent utiliser le nouveau processus d'intégration.

LoRaWAN et la RFID

LoRa va devenir une technologie de support aux normes GS1. L'Alliance LoRa et l'organisme de normalisation des standards en logistique GS1 ont annoncé début mars un accord visant à combiner leurs deux standards. Leur objectif : fournir une plus grande efficacité et une plus grande interopérabilité aux solutions de supply chain et de maintenance, tout en simplifiant les échanges de données entre différents systèmes et parties prenantes.

Un premier pilote a été effectué en France avec la SNCF, avec pour objectif d'améliorer l'efficacité opérationnelle et la rentabilité du système d'inventaire et de surveillance des infrastructures et du matériel roulant. Des étiquettes EPC/RFID fonctionnent ainsi en RFID en courte portée et en LoRaWAN à longue portée. Un format de données enrichi est par ailleurs en cours de spécification, pour parfaire les cas d'utilisation de la géolocalisation par les réseaux, ainsi que l'accès à des données de détection supplémentaires pour la maintenance prédictive et la gestion des actifs. L'Alliance LoRa met en avant le fait que les utilisateurs finaux pourront bénéficier de coûts d'intégration et d'exploitation réduits grâce à une adoption plus large des normes GS1 avec LoRaWAN.

"Le déploiement de LoRaWAN s'est considérablement accéléré au cours des 12 derniers mois et a positionné 2021 comme l'année de la mise à l'échelle massive des applications dans plusieurs secteurs, affirme dans un communiqué Donna Moore, CEO et présidente de l'Alliance LoRa. Une tendance claire qui s'est dégagée est le besoin de stratégies multi-RAN pour traiter des cas d'utilisation spécifiques." La solution commune sera par la suite expérimentée dans d'autres secteurs. Pour l'Alliance LoRa, la combinaison des réseaux RFID et LoRaWAN représente une énorme opportunité de marché. "Cela prouve la nécessité de déployer un langage commun "indépendant de la technologie" pour maximiser les avantages de la transformation numérique", a réagi François Deprey, vice-président de GS1 en Europe et CEO de GS1 France.

Avec cette initiative, l'Alliance LoRa poursuit sa stratégie visant à rendre le réseau ouvert et interopérable. La compatibilité de LoRa avec les réseaux satellitaires et le Wifi est un sujet sur lequel travaille l'Alliance LoRa et The Things Industries, membre de l'alliance, s'est associé début février à Deutsche Telekom IoT pour combiner les réseaux LoRaWAN et LTE-M.

LoRaWAN en domotique

Dans la sphère de la maison intelligente, les objets connectés utilisent principalement les réseaux Wifi ou Bluetooth. Toutefois, les acteurs de l'alliance LoRa s'intéressent à ce secteur en raison des opportunités offertes avec l'essor des véhicules électriques. De plus en plus d'applications sont développées pour faire communiquer le véhicule et la maison. Le réseau LoRaWAN se révèle par ailleurs opportun pour assurer un réseau de secours dans la maison (lire notre article sur ce sujet). 

Le roaming avec LoRa

Pour que les entreprises puissent gérer leurs objets connectés à l'étranger, les opérateurs LoRaWAN concluent des accords de roaming. Une spécification a été publiée en 2017. Le roaming peut se faire en P2P entre opérateurs, ou via un hub. "On comptabilise 20 réseaux publics interconnectés. 18 d'entre eux utilisent le hub d'Actility car il permet aux opérateur d'économiser en frais et en délais à chaque fois qu'ils veulent connecter un nouveau pays", indique Rémi Lorrain. Le responsable du réseau LoRaWAN chez Semtech observe deux besoins : celui de connecter des objets mobiles, qui se déplacent d'un pays à l'autre, et des objets fixes sur des marchés internationaux. 

Dictionnaire de l'IoT