Qu'est-ce que la technologie LoRa et comment fonctionne-t-elle ? Un guide détaillé

Si vous suivez les tendances technologiques ou si vous vous intéressez à l'Internet des objets (IoT), vous avez probablement déjà entendu parler des termes à la mode « LoRa » ou « LoRaWAN ». Ce terme a été largement évoqué dans des articles de blog concernant son influence sur les villes intelligentes, l'agriculture, la surveillance industrielle et d'autres domaines liés à l'IoT. Vous savez peut-être déjà qu'il est lié à la communication sans fil et aux réseaux longue portée. Dans cet article, je vous présenterai LoRa, son fonctionnement, ses principaux avantages, ses applications et des conseils pour bien démarrer.

Qu'est-ce que la technologie LoRa

LoRa, abréviation de Long Range, est une technologie de radiofréquence sans fil qui permet une communication longue portée et à faible consommation entre appareils. C'est exactement ce que son nom suggère : la longue portée permet de créer des connexions sans fil bien plus étendues que les technologies traditionnelles comme le Wi-Fi ou le Bluetooth.

« LoRa® est la couche physique ou la modulation sans fil utilisée pour créer la liaison de communication longue portée… LoRa® est basé sur la modulation à spectre étalé chirp… LoRa® est la première implémentation à faible coût pour une utilisation commerciale. » Un aperçu technique de LoRa® et LoRaWAN™ de l'Alliance LoRa

D'après la définition ci-dessus, il est clair que LoRa n'est pas un protocole de communication, mais une technique de modulation, un moyen d'encoder des données sur des ondes radio afin que les appareils puissent communiquer efficacement entre eux. Associé à la pile de protocoles LoRaWAN, il est possible de construire un réseau de communication longue portée complet pour les objets connectés.

La plupart des technologies sans fil suivent ce compromis : plus d'autonomie = plus de puissanceMais LoRa rompt avec ce modèle. Comparé aux modulations ASK et FSK traditionnelles, LoRa repose sur la modulation à étalement de spectre (CSS), qui permet d'augmenter considérablement la portée de communication, atteignant ainsi une portée de transmission de plusieurs kilomètres avec une consommation d'énergie extrêmement faible.

L'histoire de LoRa

Pour comprendre LoRa dans le bon contexte, il est nécessaire de jeter un rapide coup d’œil à l’histoire de la communication LoRa.

Les fondements de la technologie LoRa moderne ont été posés en 2009 par Nicolas Sornin et Olivier Seller, tous deux français, qui ont ensuite fondé la société Cycleo avec François Sforza en 2010. Initialement, ils ciblaient le secteur des compteurs de gaz, d'eau et d'électricité. En 2012, Cycleo a été rachetée par Semtech.

Ce n'est qu'en février 2015 que la LoRa Alliance®, une alliance à but non lucratif, a été créée pour normaliser et promouvoir LoRaWAN (autrefois appelé LoRaMAC) – un protocole de communication construit sur la modulation LoRa.

Tout au long de la fin des années 2010, de nombreux déploiements LoRa et LoRaWAN ont eu lieu, ce qui a conduit à une popularité généralisée de la technologie, en particulier en Europe, et à quelques premiers succès notables.

Au début des années 2020, le domaine des LPWAN (réseaux étendus à faible consommation d'énergie) avait suscité un intérêt mondial considérable, à tel point que plusieurs technologies concurrentes comme NB-IoT et Sigfox se disputaient la domination du marché.

Selon le Rapport de fin d'année 2024 de LoRa AlliancePlus de 350 millions de nœuds terminaux et 6.9 millions de passerelles équipés de circuits intégrés LoRa ont été déployés dans le monde. L'Alliance LoRa est aujourd'hui l'une des plus grandes alliances IoT au monde. On observe également une augmentation de la diffusion des appareils LoRa et LoRaWAN. Le marché de l'IoT LoRa et LoRaWAN devrait passer de 8.0 milliards de dollars en 2024 à XNUMX milliard de dollars en XNUMX. 32.7 milliards de dollars par 2029.

Comment fonctionne LoRa

Une architecture réseau LoRaWAN se compose de nœuds LoRa, de passerelles LoRa, du serveur réseau et du serveur d'applications. Dans une architecture LoRaWAN, les nœuds forment généralement une topologie en étoile, les passerelles formant un pont transparent. La communication avec les nœuds terminaux est généralement bidirectionnelle, ce qui signifie que la passerelle peut collecter des données auprès des nœuds terminaux, mais aussi leur envoyer des commandes.

Nœuds LoRa : Les nœuds terminaux sont les éléments du réseau LoRa où s'effectuent le contrôle ou la détection. Ils sont généralement alimentés par batterie et situés à distance. Ils envoient des données à chaque passerelle à proximité, et ce, de manière périodique et non 24h/7 et XNUMXj/XNUMX.

Passerelle LoRa : La passerelle reçoit les données des nœuds terminaux LoRa et les transmet à un serveur réseau. Une passerelle LoRa se compose généralement d'un module radio LoRa, d'un microprocesseur et d'un support de connectivité Internet.

La passerelle convertit les données reçues des nœuds LoRa au format TCP/IP via le réseau de liaison (Ethernet, 3G, 4G, Wi-Fi, etc.) et les envoie au serveur réseau. La passerelle LoRa prend en charge les émetteurs-récepteurs multicanaux et multimodulations, et même la démodulation simultanée de signaux sur le même canal. Elle ne stocke aucune donnée et agit uniquement comme transmetteur de paquets vers le serveur réseau. Une passerelle peut connecter plusieurs terminaux. Un SX1301 à 8 canaux peut traiter environ 1.5 million de paquets par jour, prenant en charge environ 62,500 XNUMX appareils envoyant un paquet par heure.

Serveur réseau : Le serveur réseau gère le réseau. Il filtre les paquets dupliqués causés par plusieurs passerelles recevant les mêmes données, effectue des contrôles de sécurité, gère le trafic et le routage des passerelles, contrôle le débit adaptatif et transmet les messages au serveur d'applications.

Serveur d'application: Le serveur d'applications traite les données du serveur réseau, analyse les données des capteurs, prend en charge des fonctions telles que l'affichage de l'état et les alertes en temps réel, et peut éventuellement renvoyer des réponses au nœud final.

Avantages et inconvénients de la technologie LoRa

Comprendre les caractéristiques de LoRa est essentiel pour déterminer ses applications possibles. Examinons de plus près ses avantages et ses inconvénients pour vous aider à déterminer où il s'intègre le mieux.

Avantages de LoRa :

• Longue portée : Connecte des appareils jusqu'à 15-20 km en milieu rural et 2-5 km en zone urbaine. Permet une couverture à l'échelle de la ville et une bonne pénétration des bâtiments.
• Faible consommation et longue durée de vie : Conçu pour une faible consommation d'énergie, avec une autonomie prolongée jusqu'à 10 ans. Par exemple, MOKOSmart Capteur de stationnement LoRaWAN LW009 peut fonctionner jusqu'à 5 ans.
• Grande capacité: Une seule passerelle LoRa peut gérer des millions de messages provenant de milliers de nœuds finaux.
• À bas prix: Faible investissement initial en infrastructure, bande de fréquence ISM gratuite et capteurs de nœuds finaux peu coûteux.
• Norme ouverte : LoRaWAN est géré par la LoRa Alliance. Il favorise un déploiement rapide et l'interopérabilité des appareils.

Inconvénients de LoRa :

• Faible vitesse de transmission : LoRa a une bande passante relativement étroite et sa capacité à transmettre sur de longues distances se fait au prix de débits de données plus faibles, ce qui le rend adapté aux réseaux de capteurs et non aux applications à haut débit de données.
• Charge utile limitée : LoRa ne prend en charge que les petits paquets de données, avec une capacité maximale d'environ 242 octets par transmission. Il est donc moins adapté aux cas d'utilisation nécessitant des transferts de données volumineux.

Applications de la technologie LoRa

La technologie sans fil LoRa est largement utilisée dans de nombreuses applications. Grâce à sa longue portée et à sa faible consommation d'énergie, les nœuds terminaux peuvent être déployés dans des lieux très variés, à l'intérieur de bâtiments ou dans des zones reculées, pour transmettre des paquets contenant des informations importantes à la passerelle. Voici quelques applications LoRa courantes :

villes intelligentes – Comptage intelligent, surveillance environnementale, stationnement intelligent, éclairage public, gestion des déchets et plus encore.

Chaîne d'approvisionnement et logistique – Suivi et surveillance des actifs, suivi de la chaîne du froid, gestion de flotte.

Agriculture – Suivi des sols, contrôle de l’irrigation, suivi du bétail.

Industrial IdO – Surveillance des équipements, maintenance prédictive, automatisation.

Surveillance des infrastructures – Surveiller les voies ferrées, les ponts et les tunnels pour détecter tout changement physique.

Utilitaires – Réseau intelligent, comptage gaz/eau, détection de fuites, production d’électricité décentralisée.

Maisons et bâtiments intelligents – Contrôle CVC et éclairage, gestion de l’énergie, surveillance de l’occupation des locaux.

LoRa vs LoRaWAN : quelle est la différence ?

LoRa décrit la couche physique inférieure, les couches réseau supérieures étant absentes. LoRaWAN est l'un des nombreux protocoles développés pour décrire les couches supérieures du réseau. LoRaWAN est un protocole de contrôle d'accès au support (MAC) basé sur le cloud, mais agit principalement comme protocole de couche réseau pour gérer la communication entre les terminaux et les passerelles LPWAN, en tant que protocole de pilotage, maintenu par la LoRa Alliance. La version 1.0 de la spécification LoRaWAN a été publiée en juin 2015.

LoRaWAN définit l'architecture du système et le protocole de communication du réseau, tandis que la couche physique LoRa permet la liaison de communication longue portée.

Donc en résumé:

LoRa = modulation de la couche physique

LoRaWAN = protocole et architecture de communication

Ensemble, ils fournissent une solution complète comprenant à la fois une connectivité longue portée et une architecture de communication réseau flexible.

LoRa vs autres technologies sans fil

Il existe quelques différences entre LoRa et d'autres technologies IoT comme NB-IoT, Sigfox et LTE-M. Parmi les plus importantes, on peut citer :

LoRa fonctionne dans des bandes ISM sans licence au lieu d'utiliser un spectre sous licence comme les réseaux cellulaires.

LoRa utilise une technique de modulation CSS (Chirp Spread Spectrum) unique par rapport aux schémas de modulation utilisés par d'autres protocoles.

LoRa a des protocoles de sécurité moins robustes que d'autres comme NB-IoT.

LoRa possède des capacités longue distance plus robustes que d’autres technologies comme le WiFi ou le Bluetooth.

LoRa est principalement utilisé pour les applications longue portée et faible consommation, telles que la surveillance de l'environnement et l'agriculture intelligente, tandis que d'autres protocoles comme LTE-M sont mieux adaptés aux applications telles que la télématique des véhicules et les applications IoT mobiles.

Technologie LoRa – concepts incontournables

Lorsqu'on débute dans le monde de LoRa, il peut être difficile de comprendre cette technologie. Pour vous aider à démarrer, voici quelques concepts clés à connaître :

• • LoRa (longue portée) : Il s'agit de la couche physique ou de la modulation sans fil utilisée pour créer la liaison de communication longue portée. Elle repose sur la modulation à étalement de spectre (chirp).
  • LoRaWAN (réseau étendu LoRa) : Un protocole ouvert construit sur LoRa qui définit l'architecture du système et le protocole de communication pour les appareils utilisant LoRa.
  • Classe LoRaWAN A, B, C : Différentes classes de fonctionnement des appareils dans LoRaWAN :
    • Classe A: La classe la plus économe en énergie où les appareils n'écoutent les messages de liaison descendante que brièvement après l'envoi d'une transmission de liaison montante.
    • Classe B: Permet des créneaux de liaison descendante planifiés via des balises synchronisées dans le temps, offrant un équilibre entre efficacité énergétique et latence.
    • Classe C: Écoute en permanence les messages de liaison descendante, sauf lors de la transmission, offrant ainsi la latence la plus faible mais la consommation d'énergie la plus élevée.
  • LPWAN (réseau étendu à faible consommation) : Un type de réseau de communication sans fil conçu pour permettre des communications longue portée à faible débit binaire entre des éléments tels que des capteurs fonctionnant sur batterie.
  • ADR (débit de données adaptatif) : Une fonctionnalité de LoRaWAN qui optimise les débits de données, le temps d’antenne et la consommation d’énergie du réseau.
  • ISM (Industriel, Scientifique et Médical) : Il s’agit de bandes radio réservées à l’échelle internationale à l’utilisation de l’énergie radiofréquence à des fins industrielles, scientifiques et médicales.
  • TTN (Le Réseau des Objets) : Un réseau de données IoT mondial, ouvert et participatif qui utilise LoRaWAN.
  • ABP (Activation par personnalisation) : Une méthode d'activation d'appareil LoRaWAN où les clés de sécurité sont directement codées en dur dans l'appareil.
  • SF (facteur de propagation) : Un paramètre dans LoRa qui détermine le taux de chirp, qui affecte le débit de données et la portée de communication.

  Qu'est-ce que l'Alliance LoRa ?

  Comme pour de nombreux autres systèmes, un organisme industriel a été créé pour développer puis promouvoir le système sans fil LoRa dans l'ensemble de l'industrie, appelé le Alliance LoRaIl a été lancé en février 2015. Comme l'indique l'Alliance, il a été créé pour fournir une norme mondiale ouverte pour une connectivité LPWAN IoT sécurisée et de niveau opérateur.

  Bien que LoRa ait été essentiellement développé par Semtech, l'ouverture de la norme lui a permis d'être adopté par un grand nombre d'entreprises, développant ainsi l'écosystème et obtenant un engagement nettement plus important, une plus grande variété de produits et une augmentation globale de l'utilisation et de l'acceptation.

  Les membres fondateurs de l'Alliance LoRa comprennent Actility, Cisco, Eolane, IBM, Kerlink, IMST, MultiTech, Sagemcom, Semtech et Microchip Technology, ainsi que les principaux opérateurs de télécommunications : Bouygues Telecom, KPN, SingTel, Proximus, Swisscom et FastNet (qui fait partie de Telkom South Africa).

  Premiers pas avec la technologie LoRa

  En principe, chacun peut configurer son propre système de communication LoRa. LoRa fonctionnant sur une bande de fréquences sans licence, aucun coût de licence n'est requis. Si vous souhaitez couvrir une zone limitée avec LoRaWAN, il est tout à fait logique d'exploiter vos propres passerelles et serveurs. Vous souhaitez créer le vôtre ? Solutions LoRaWANC'est plus simple que vous ne le pensez ! Vous pouvez vous lancer avec les différents appareils et solutions MOKOSmart LoRaWAN.

  EN SAVOIR PLUS SUR LORA

  • Quelles sont les différences entre LoRa et LoRaWAN
  • Comment le capteur LoRa envoie et reçoit des données
  • Qu'est-ce qu'un module LoRa et comment fonctionne le matériel IoT