Le document présente les réseaux LPWAN, avec un accent particulier sur les technologies Sigfox et LoRaWAN, qui offrent une connectivité à faible consommation énergétique pour des dispositifs IoT. Sigfox utilise une technologie de bande ultra-narrow, tandis que LoRaWAN se base sur une architecture open source et permet une communication bidirectionnelle avec différentes classes de services. Ces réseaux tirent parti des bandes de fréquences ISM pour optimiser la portée et l'autonomie des équipements connectés.

1. Réseau LoRa
Hajer Tounsi
Ecole Supérieure des Communications de Tunis (SUP’COM)
H. Tounsi, SUP’COM 1

2. Plan
• Introduction
• Réseau LPWAN
• Technologies LPWAN
• LoRaWAN
– LoRaMAC
– La couche physique
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3. Introduction
• IoT: Un énorme nombre de dispositifs et des objets
• Equipements limités en capacité mémoire, en puissance de
calcul et en énergie
• Deux grands types de réseaux de communication radio peuvent
être utilisés pour la communication avec ces équipements:
– Les réseaux à courte portée: quelques centimètres à
quelques centaines de mètres maximum : Bluetooth, RFID,
NFC, ZigBee, WiFi, etc.
– Les réseaux à grande portée: quelques centaines de mètres à
plusieurs dizaines de kilomètres: réseaux cellulaires
traditionnels (GSM, GPRS, LTE, etc.)
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4. Réseaux LPWAN
• Les technologies Zigbee, Wifi, etc.
sont limitées en termes de portée,
de capacité, de durée de vie de la
batterie et du coût.
• La solution des réseaux cellulaires
traditionnels apparait être
surdimensionnée à de nombreux
égards : coût, infrastructure,
puissance requise, débit.
• Une réponse adaptée à ces
équipements limités en capacité
mémoire, en puissance de calcul
et en énergie : les LPWAN (Low
Power Wide Area Networks).
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5. Réseaux LPWAN
 Ce sont des réseaux sans fils basse consommation, bas débit et
longue portée, optimisés pour les équipements ayant besoin d’une
autonomie de plusieurs années
Les LPWAN utilisent les bandes de fréquences à usage libre sans
licence (ISM)
 L’utilisation des bandes ISM implique le partage des ressources avec
les concurrents et avec les autres technologies (Wifi, Zigbee,
Bluetooth, RFID, etc.)
 Ces bandes de fréquences sont régulées par des autorités
organisatrices et il est tenu de respecter des règles d’utilisation.
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6. Technologies LPWAN
• SigFox: fournit une connectivité bas débit à travers son propre réseau cellulaire
basé sur la technologie radio Ultra Narrow Band (UNB).
• La technologie utilise la bande ISM 868 MHz pour l’Europe/ ETSI et 902 MHz pour
les USA/ FCC.
• Une portée entre 30 et 50 Km dans les zones rurales et entre 3 et 10 km dans les
zones urbaines
• Plus de 7 millions d’objets l’utilisent en fin 2015 (d’après un interview avec le PDG
de SigFox)
• Sigfox offre un débit de 100 bits par seconde
• Un capteur muni d’un module SigFox peut envoyer jusqu’à 140 messages par jour
de 12 octets (charge utile) chacun (adapté aux informations de monitoring)
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7. SigFox
• Le réseau couvre une grande partie du territoire français et
plusieurs pays européens (Espagne, Pays-bas, Royaume-Uni,
Portugal,etc.),
• Quelques Services:
– contrôler des panneaux publicitaires,
– gérer le système de ventilation et de chauffage des immeubles
professionnels ou privés,
– gérer des alarmes d’une maison (détecteur d’incendie, détecteur de
fuite de gaz, alarme de sécurité…),
– mieux prévoir les dangers qui menacent la nature (flux d’eau, climat,
tremblement de terre, etc.).
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8. Technologies LPWAN
• LoRaWAN: Long Range Radio Wide Area Network
• Utilise la technologie radio LoRa basée sur une technique
d’étalement de spectre pour la transmission des signaux radio
• Technologie Open Source, soutenue par un consortium
d’industriels: IBM, Cisco, Bouygues Télécom, Orange, etc.
• Inclut d’autres fonctionnalités telle que la sécurité, le cryptage E2E,
débit adaptatif, etc.
• Adopte une topologie en étoile étendue dans laquelle les
passerelles (concentrateurs) relaient les messages entre les nœuds
extrémités (end devices) et un serveur de réseau central.
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9. LoRaWAN
• Les passerelles sont connectées au serveur réseau en utilisant une
connexion IP
• Les nœuds extrémités utilisent le protocole LoRa pour
communiquer en un seul saut avec une ou plusieurs passerelles.
• La communication entre les end devices et les passerelles est
propagée sur des canaux différents et avec des débits variables
• Le choix du débit est un compromis entre la portée et la durée du
message envoyé.
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10. • LoRaWan revendique un débit adaptatif compris entre 0,3 et 50 kbits par
seconde et une communication bidirectionnelle moins limitée que son
concurrent direct SigFox.
• Les nœuds extrémités peuvent envoyer sur n’importe quel canal libre à
n’importe quel moment avec le débit disponible du moment où ces règles sont
respectées:
– le end device change de canal de façon pseudo-aléatoire à chaque
transmission
– Le nœud doit respecter le temps de transmission maximal relative à la sous
bande et aux régulations locales (duty cycle de 1% dans la bande ISM
868MHz)
• Le réseau peut demander le nœud extrémité d’adapter son débit afin
d’optimiser la consommation d’énergie
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LoRaWAN

11. • Lora utilise les bandes de fréquences ISM (868 MHz et 433 MHz
pour l’Europe et 915 MHz aux USA) avec une portée comprise
entre 15 et 20 km dans les zones rurales et entre 3 et 8 km dans
les zones urbaines.
• L’utilisation des codes d’étalement orthogonal permet à plusieurs
signaux d’occuper le même canal (les communications sur un
même canal avec des débits différents n’interfèrent pas entre
elles )
• L’utilisation de ces bandes limite la puissance de transmission des
nœuds à 14dBm ou 25 mW et un cycle de transmission de 1%
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LoRaWAN

12. LoRaWAN architecture
LoRa WAN offre trois classes de services
 Class A: offre une communication
bidirectionnelle dans laquelle une
transmission montante (uplink) est
suivie par deux courtes fenêtres de
réception (downlink) définies
aléatoirement (ALOHA).
 Class B: en plus des fenêtres de
réception de classe A, d’autres fenêtres
sont définies. Le nœud extrémité reçoit
de la passerelle des beacons de
synchronisation pour ouvrir ses fenêtres
de réception
Classe C: : les nœuds ont en continue
des fenêtres de réception ouvertes qui
ne sont fermées qu’à la transmission
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13. La couche physique
• En Europe, la bande de fréquence ISM est définie par l’ETSI
• Les canaux peuvent être librement fournis par l’opérateur réseau
• Les équipements EU868Mhz doivent être capables d’opérer dans les bandes
de fréquences de 863 à 870 MHz
• Ils doivent figurer une structure de données capable de stocker une
information (fréquence, débits) sur 16 canaux minimum
• Chaque équipement LoRa doit supporter par défaut les 3 canaux (868.10
Mhz, 868.30 Mhz, 868.50 Mhz) pour la transmission
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14. La couche physique
• Les messages Join Request utilisés pour l’association entre un end device et
le serveur réseau sont diffusés sur les fréquences suivantes:
• Différents types de modulation sont utilisés pour des débits différents et des
puissances d’émission différentes
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15. • Le serveur réseau peut annoncer d’autres canaux dans le message
d’association Join Accept: une liste optionnelle de fréquences de canaux peut
être envoyée dans le message. Cette liste correspond à 5 canaux de ch4 à ch8
• Exemple de carte de fréquences:
La couche physique
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16. • La taille des données M envoyées (charge utile) est définie en octets dans
le tableau suivant . Elle dépend des limites de la modulation utilisée
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La couche physique

17. LoRa MAC
• Afin de participer dans un réseau LoRaWAN, chaque end device doit être activé
– Over the air activation: avant tout échange avec le serveur réseau, le end
device doit suivre une procédure d’association (join request, join accept)
– Activation by personalization: lier directement le end device à un réseau en
évitant les messages (join request, join accept)
• Une fois activé, le end device stocke l’information suivante (adresse de
l’équipement, identifiant d’application, une clé de session réseau, une clé de
session application)
• L’adresse de l’équipement est codée sur 32 bits:
– les 7 bits de poids fort correspondent à l’identifiant réseauNwkID (permet de
distinguer les réseaux voisins ou chevauchés de différents opérateurs)
– les 25 bits de poids faible correspondent à l’adresse réseau de l’équipement
peut être attribuée arbitrairement par l’administrateur
• L’identifiant de l’application est une adresse EUI-64 identifiant d’une manière
unique le fournisseur de l’application du end device (stocké dans le end device)
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18. LoRa MAC
• Après chaque transmission le end device ouvre deux fenêtres de réception
– La première après un temps (receive-delay1) de la fin de la transmission montante.
Cette fenêtre utilise le même canal que la transmission montante
– La deuxième fenêtre utilise
une fréquence et un débit fixes
configurés, et commence après
un temps (receive-delay2)
• La durée de fenêtre de réception doit correspondre au moins au temps
nécessaire à l’interface radio du nœud extrémité pour détecter le préambule
• Une fois le préambule détecté, le nœud récepteur reste actif jusqu’à la
démodulation de la trame envoyée en downlink
• un nœud émetteur ne peut commencer une nouvelle transmission que si il
reçoit un message en downlink dans la première ou deuxième fenêtre ou la
deuxième fenêtre expire
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19. Références
• N. Sornin (Semtech), M. Luis (Semtech), T. Eirich (IBM), T. Kramp (IBM),
O.Hersent (Actility), LoRaWan specification, LoRa alliance, Janvier 2015
• http://lorawan.blogspot.com/2015/11/cours-1-architecture-du-reseau-
lora.html
• Nicolas DUCROT, Dominique RAY, Ahmed SAADANI, LoRa Device Developer
Guide, Orange, Avril 2016.
• http://www.objetconnecte.com/tout-savoir-sur-sigfox/
• http://www.objetconnecte.com/interview-avec-ludovic-le-moan-ceo-de-
sigfox/)
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