Passerelle LoRaWAN : Votre guide de choix ultime

1- Introduction

Les passerelles LoRaWAN sont devenues des éléments incontournables dans le déploiement de réseaux IoT à grande échelle. Leur rôle essentiel est de faciliter la connectivité entre les appareils intelligents et les réseaux de communication, offrant une portée étendue et une consommation d’énergie minimale. Cependant, avec la multitude d’options disponibles sur le marché, choisir la passerelle LoRaWAN adaptée à vos besoins spécifiques peut s’avérer être un défi de taille.

Dans cet article, nous vous guiderons à travers les complexités de la sélection d’une passerelle LoRaWAN. Que vous soyez novice dans le domaine de l’IoT ou un expert chevronné, ce guide vous fournira les informations nécessaires pour prendre des décisions éclairées et maximiser l’efficacité de votre réseau LoRaWAN.

2- Qu’est-ce qu’une passerelle LoRaWAN ?

Une passerelle LoRa est un module radio qui agit comme un point de communication au sein d’un réseau LoRa, reliant les nœuds finaux (capteurs et appareils) au serveur du réseau LoRaWAN (LNS).

Son rôle principal est de transmettre les données collectées par les capteurs et les appareils électriques vers le cloud, même dans des environnements où les autres technologies de réseau sont inadaptées. Par exemple, la surveillance d’équipements dans des zones reculées ou des bâtiments anciens.

Contrairement aux technologies cellulaires classiques, LoRa ne communique qu’entre les appareils individuels et les passerelles associées.

2.1- De quoi se compose une passerelle LoRaWAN ?

Une passerelle LoRaWAN se compose principalement de deux éléments : l’hôte et le concentrateur : 

L’hôte est le cerveau de la passerelle LoRaWAN. Il s’agit essentiellement d’un micro-ordinateur chargé de diriger les paquets de données vers le serveur réseau et de faire fonctionner le concentrateur pour permettre la transmission et la réception sans fil. Le logiciel hôte inclut un émetteur de paquets, composant crucial, qui sélectionne le serveur réseau qui recevra les paquets de données collectés par la passerelle LoRaWAN.

-Le concentrateur est la composante RF (radiofréquence) de la passerelle LoRaWAN, qui contient une puce RF dans sa partie avant et peut recevoir des données simultanément. Le concentrateur dispose d’une puce de bande de base numérique qui traite le signal RF numériquement pour que l’hôte puisse le comprendre. L’hôte et le concentrateur de la passerelle LoRaWAN communiquent via une liaison série au niveau de la carte.

En plus du concentrateur et de l’hôte, chaque passerelle LoRaWAN nécessite une autre composante importante : Le boîtier. 

Le boîtier protège la passerelle contre les facteurs environnementaux externes. Selon l’environnement d’utilisation anticipé, le boîtier peut varier ; par exemple, la passerelle LoRaWAN Indoor adopte un  boîtier compact. En revanche, les passerelles LoRaWAN Outdoor utilisent des boîtiers plus résistants, robustes et étanches.

2.2- Les fréquences d’une passerelle LoRaWAN

Alors que le WiFi utilise des fréquences de 2,4 et 5 GHz, LoRa utilise différentes fréquences ouvertes en fonction de l’endroit où le réseau opère. Il fonctionne dans les bandes RF industrielles, scientifiques et médicales (ISM), qui varient en fonction de l’emplacement géographique.

Ce qu’il faut expliquer ici, c’est que la passerelle LoRaWAN et le nœud final doivent être sur la même fréquence pour fonctionner. Le dispositif LoRaWAN ne sera pas détectable par la passerelle s’il fonctionne sur une fréquence différente de celle de la passerelle LoRaWAN. Dans cette situation, la passerelle est incapable d’envoyer les données du dispositif au serveur réseau.

2.3- Passerelle LoRaWAN Indoor Vs Passerelle LoRaWAN Outdoor

La passerelle LoRaWAN Indoor est moins solide et n’est pas résistante aux intempéries par rapport à une passerelle LoRaWAN Outdoor. Elle est généralement équipée de ventilations dans leur boîtier, ce qui le rend peu idéale pour un déploiement en extérieur, car l’eau peut pénétrer à travers ces ventilations, déclenchant la corrosion.

En revanche, la passerelle LoRaWAN Outdoor est robuste et conçue pour être étanche aux conditions météorologiques extrêmes. De nombreuses passerelles LoRaWAN Outdoor sont certifiées IP67, ce qui signifie qu’elles sont complètement protégées contre la poussière et peuvent même survivre à des immersions temporaires dans l’eau pendant jusqu’à 30 minutes à des profondeurs entre 15 cm et 1 mètre. Un autre attribut qui rend une passerelle LoRaWAN “résistante aux intempéries” est la plage de températures plus large couverte par les puces installées.

Comme pour d’autres solutions Outdoor, ces passerelles sont généralement de 3 à 6 fois plus chères que leur homologue Indoor.

2.4- Les différentes puces des passerelles LoRaWAN

Les passerelles LoRaWAN utilisent différentes puces pour assurer leurs fonctionnalités essentielles. La première génération de puces de bande de base numérique, notamment les SX1301 et SX1308, est chargée de moduler et de démoduler les signaux numériques nécessaires au fonctionnement des passerelles.

Ces puces sont adaptées à des environnements spécifiques, avec le SX1301 principalement destiné aux passerelles Outdoor et le SX1308 aux passerelles Indoor. 

Outre les puces de bande de base numérique, une puce RF frontale est également nécessaire pour la transmission et la réception des signaux RF. 

En 2019, Semtech a introduit la deuxième génération de puces de passerelles LoRaWAN, comprenant le SX1302 pour la bande de base numérique et le SX1250 pour la partie RF frontale. Cette nouvelle génération de puces apporte des améliorations significatives en termes de consommation d’énergie, de conception thermique simplifiée et de capacité à gérer un trafic plus important, tout en réduisant les coûts des composants pour les fabricants de passerelles.

2.5- Prix des passerelles LoRaWAN

Le prix d’une passerelle LoRaWAN peut varier considérablement en fonction de plusieurs facteurs :

Facteurs influençant le prix:

• Fonctionnalités : Les passerelles avec des fonctionnalités plus avancées, comme la connectivité cellulaire intégrée, le GPS et le support multi-canal, seront plus chères.
• Fabricant : Les fabricants bien connus et établis ont tendance à proposer des passerelles plus chères que les fabricants moins connus.
• Quantité: Des prix plus avantageux peuvent être obtenus en achetant des passerelles en grande quantité.

3- Comment fonctionne une passerelle LoRaWAN ?

LoRaWAN définit et régule le comportement des appareils dans des réseaux massifs, optimisant plusieurs paramètres sans fil pour maximiser la capacité et la fiabilité du réseau. Ses principaux avantages sont une grande couverture (jusqu’à 50 km en zone dégagée et 10 km en milieu urbain) et une consommation d’énergie extrêmement faible. Ces deux caractéristiques, associées à la topologie en étoile (la passerelle LoRaWAN agit comme un hub pour transmettre des messages entre les nœuds finaux et les serveurs réseau), rendent le déploiement d’un réseau LoRaWAN facile, presque “plug and play“.

Les nœuds finaux ou dispositifs se connectent aux passerelles LoRaWAN en un seul saut, tandis que la passerelle et le serveur réseau sont reliés par IP standard. Dans un grand réseau LoRaWAN, une communication spécifique est souvent reçue par plusieurs récepteurs. Le serveur informe alors une seule passerelle LoRaWAN de répondre, tandis que les autres ignorent la transmission. 

Cette technique permet d’éviter les collisions en liaison descendante et montante, car seule une passerelle LoRaWAN transmet et les passerelles en chevauchement peuvent simplement écouter les autres diffusions.

4- Avantages d’une passerelle LoRaWAN

LoRaWAN est une technologie ouverte, gratuit et libre de tout droit d’utilisation ou de copyright. En utilisant la bande de fréquences homologuée et non licenciée, quiconque peut créer un réseau LoRaWAN de base en respectant la règle du Duty-Cycle qui limite l’émission à 1% du temps.

En effet, en France, la réglementation spécifie que sur la bande de fréquences utilisée par LoRa, un dispositif ne peut émettre plus de 1% du temps sur une heure glissante, soit 36 secondes au maximum toutes les 3600 secondes. De plus, les capteurs connectés à ces passerelles ajustent automatiquement leur puissance d’émission pour garantir un transfert efficace des données (appelé facteur d’étalement ou Spreading factor : SF). Ainsi, placer une passerelle à proximité des capteurs permet une gestion optimale de l’énergie des batteries et une rentabilité accrue de l’installation. Par conséquent, un réseau LoRaWAN privé (avec ses propres passerelles) est toujours plus économique en termes de consommation des batteries par rapport à un réseau LoRaWAN géré par un tiers.

De plus, le réseau LoRaWAN présente les avantages suivants :

• Faible coût
• Connectivité longue portée
• Faible consommation d’énergie de vos capteurs
• Nombreuses plateformes open source disponibles

Il n’est donc pas étonnant que tant de personnes utilisent les passerelles LoRaWAN pour créer des solutions IoT personnalisées.

La passerelle LoRaWAN est l’intermédiaire entre l’appareil et le serveur réseau. Elle a deux fonctions principales :

1. Sélectionner la bonne fréquence pour la réception des paquets (enregistrement de la passerelle LoRaWAN auprès du transitaire de paquets).
2. Envoyer correctement les données au serveur réseau.

Une fois entièrement configurées, ces passerelles sont rapidement opérationnelles. Mais quels sont les avantages spécifiques de leur utilisation ?

4.1- Communication longue portée

Les passerelles LoRaWAN permettent aux appareils de communiquer sur des distances pouvant atteindre plusieurs kilomètres en espace ouvert. Les applications nécessitant une couverture sur de grandes zones, telles que les installations de villes intelligentes, la surveillance agricole, le suivi des actifs et l’IoT industriel, bénéficient de cette portée étendue.

4.2- Faible consommation d’énergie et durée de vie prolongée

La technologie LoRaWAN consomme très peu d’énergie, ce qui permet aux équipements connectés sur la passerelle de fonctionner longtemps sur batterie. Une passerelle LoRaWAN est le meilleur choix pour les applications nécessitant des batteries longue durée (capteurs) et une maintenance minimale, car elle permet aux appareils d’envoyer des données sur de grandes distances tout en consommant très peu d’énergie.

4.3- Évolutivité

Il est facile d’étendre les réseaux LoRaWAN en ajoutant des passerelles. Chaque passerelle augmente la capacité et la zone de couverture du réseau, permettant la connexion de plus d’appareils. LoRaWAN convient aux déploiements IoT de petite et grande envergure grâce à son évolutivité.

4.4- Rentabilité

Pour la connectivité IoT, les passerelles LoRaWAN offrent une alternative économique. Comparées aux réseaux cellulaires classiques, elles offrent une couverture longue portée avec moins d’infrastructure nécessaire. Comme les appareils LoRaWAN consomment moins d’énergie, ils nécessitent moins de changements et de recharges de batterie, ce qui se traduit par des économies.

4.5- Flexibilité et polyvalence

Les passerelles LoRaWAN prennent en charge une variété d’applications et de cas d’utilisation. Elles peuvent être combinées avec différents types de capteurs et d’appareils pour permettre une gamme d’applications IoT, notamment l’agriculture intelligente, le comptage intelligent, le suivi des actifs et la surveillance de l’environnement. L’adaptabilité de la technologie LoRaWAN permet une personnalisation et un ajustement aux besoins spécifiques de chaque secteur.

4.6- Sécurité

LoRaWAN intègre des fonctionnalités de sécurité robustes pour protéger le transfert de données et garantir la confidentialité des appareils IoT. Le chiffrement protège les communications entre les nœuds finaux, les passerelles et le serveur réseau contre les accès non autorisés et la manipulation des données. Ce niveau de protection est essentiel dans les déploiements IoT impliquant des informations sensibles ou des infrastructures vitales.

5- Types de passerelles LoRaWAN

Il existe 2 types de passerelles LoRaWAN : 

• Les passerelles LoRaWAN mono-canal 
• les passerelles LoRaWAN multi-canaux

Les passerelles LoRaWAN mono-canal utilisent généralement des émetteurs-récepteurs moins chers tels que le SX1276 et le SX1272. Ces économies de matériel se reflètent dans le prix global, ce qui rend les passerelles à canal unique un choix attractif, car elles abaissent la barrière d’entrée pour les passionnés de réseau souhaitant essayer LoRaWAN sans trop s’engager financièrement.

Les passerelles LoRaWAN multi-canaux peuvent être considérées comme le “vrai deal”, car elles sont conformes aux normes l’Alliance LoRa et alimentées par des émetteurs-récepteurs beaucoup plus coûteux mais polyvalents. Ces passerelles peuvent recevoir sur 8 ou 10 canaux et 6 facteurs de diffusion simultanément.

Les problèmes avec les passerelles mono-canal 

En termes de fonctionnalité, les passerelles mono-canal  sont très limitées. Cela conduit à des approches moins idéales pour diverses solutions réseau. Elles ne peuvent recevoir que sur un seul facteur de diffusion et un seul canal à la fois. Bien que certaines passerelles à canal unique puissent basculer entre différents facteurs de diffusion et fréquences pour simuler des passerelles multi-canaux, la plupart d’entre elles n’ont qu’environ 2 % de la capacité d’une passerelle multi-canaux.

Un autre problème avec les passerelles mono-canal est le manque de support de liaison descendante. Cela peut entraîner la perte de messages si un réseau tente de planifier une liaison descendante (downlink). Les appareils proches d’une passerelle mono-canal sans support de liaison descendante ne passeront pas à des facteurs de diffusion plus efficaces, mais “encombraient” plutôt le spectre avec des retransmissions inutiles.

6- Comment choisir votre passerelle LoRaWAN ?

L’objectif de ce guide est de vous fournir les informations nécessaires pour choisir en toute confiance la passerelle LoRaWAN adaptée à vos besoins.

Nous examinerons en détail les principaux facteurs et caractéristiques à considérer lors du choix d’une passerelle, notamment :

6.1- Consommation d’énergie

Dans le monde de l’IoT (et plus particulièrement de LoRaWAN®), la réduction de la consommation d’énergie est primordiale. Si un fonctionnement basse consommation est généralement recherché pour les nœuds finaux (capteurs), cela ne signifie pas que les passerelles ne peuvent pas être de gros consommateurs d’énergie.

En effet, les avantages du LoRaWAN le rendent particulièrement adapté aux solutions dans des scénarios peu conventionnels. Il est courant d’avoir un réseau entier où non seulement les nœuds finaux sont alimentés par batterie ou par énergie solaire, mais aussi les passerelles. Les déploiements dans des zones éloignées, où le réseau électrique n’est pas disponible, sont précisément le terrain de jeu idéal pour LoRaWAN.

La consommation d’énergie des passerelles LoRaWAN varie en fonction du modèle et des fonctionnalités. On peut dire qu’une valeur inférieure à 10 watts est considérée comme une bonne performance.

6.2- Type de concentrateur

Le concentrateur est le cœur radio de votre passerelle LoRaWAN, responsable du traitement des trames LoRa entrantes, de leur démodulation et du traitement du signal. Comme Semtech est l’un des principaux fabricants de processeurs de bande de base numérique, la compatibilité avec votre plateforme ne devrait pas poser de problème. 

Voici un aperçu des 4 options disponibles :

SX1308 : Option la plus économique, avec la sensibilité et la puissance de sortie les plus faibles. Il peut cependant gérer 8 canaux simultanément et prend en charge les SF7 à SF12. (SF : Facteur de propagation).

SX1301 : Variante supérieure au SX1308, offrant une meilleure sensibilité et une puissance de sortie accrue. Adapté aux passerelles Outdoor pour une meilleure portée, c’est l’option la plus utilisée à ce jour.

SX1302 : Successeur du SX1301, il présente une consommation d’énergie réduite, facilitant la conception thermique et réduisant les coûts. Il gère davantage de trafic (SF5 à SF12) et dispose de fonctionnalités supplémentaires, comme une meilleure stabilité d’horloge et des options de synchronisation précises. Il conquiert progressivement le marché et équipe les nouvelles passerelles.

SX1303 : Intègre toutes les améliorations du SX1302 (consommation et chaleur réduites) et introduit une nouvelle fonctionnalité : la capacité “Fine Timestamp” habilitant la géolocalisation basée sur le TDOA (Time Difference of Arrival) dans les modules utilisant cette puce Semtech.

En résumé : Pour une solution plus pérenne, le SX1302 est le choix idéal.

6.3- Nombre de canaux des passerelles LoRaWAN

Choisir le bon nombre de canaux pour votre passerelle LoRaWAN est crucial pour sa capacité et sa flexibilité. Voici les 2 catégories principales :

Passerelles LoRaWAN mono-canal 

• Obsolescence croissante – Principalement destinées au passé ou aux tests en laboratoire via la conversion d’un nœud pour rediriger les paquets.
• Limites importantes – Écoute unique sur une fréquence, limitant sévèrement la capacité de gestion des nœuds.

Passerelles LoRaWAN multi-canaux 

• Standard actuel – Généralement dotées de 8 canaux, avec des options 16 canaux disponibles (ex : Gateway LoRaWAN Wifi Ethernet 4G UG65 Milesight).
• Écoute simultanée sur plusieurs canaux et facteurs d’étalement, permettant de traiter les données de nombreux nœuds.

6.4-  Antennes

Comme pour les passerelles, les antennes LoRa sont soit Indoor soit Outdoor.

Antenne Indoor

Les antennes Indoor ont un gain plus faible, car elles sont plus petites et destinées aux passerelles avec une couverture réduite.

Antenne Outdoor

Les antennes Outdoor sont nettement plus volumineuses, plus robustes et offrent un gain plus élevé.

Il est possible d’utiliser une passerelle LoRaWAN Indoor avec une grande antenne Outdoor en reliant les deux avec un câble d’extension. Toutefois, cette solution n’est pas courante :

• Encombrement important : l’antenne et le câble prennent beaucoup de place à l’intérieur.
• Difficulté d’installation : le montage d’une grande antenne à l’intérieur peut être complexe et peu esthétique.
• Impact visuel : l’antenne peut nuire à la décoration de l’espace.

Malgré ces inconvénients, cette configuration peut être intéressante si la portée est absolument critique et que l’utilisation d’une antenne extérieure avec un gain élevé s’avère indispensable.

6.5- Portée de la passerelle LoRaWAN

En général, la portée d’une passerelle LoRaWAN dépend uniquement de l’antenne. C’est vrai, en partie. Plus le gain de l’antenne est élevé, plus la distance à laquelle un nœud peut communiquer avec la passerelle tout en gardant une bonne réception est grande. Mais d’autres facteurs jouent également un rôle crucial :

• Emplacement de l’antenne/de la passerelle : Une installation en extérieur et en hauteur (ligne de mire dégagée) réduit les obstacles et améliore la portée.
• Directivité de l’antenne : Plus le gain est élevé, plus l’antenne est directive. Elle peut couvrir une plus grande distance, mais sur une zone plus restreinte.
• Interférences : Un réseau dense avec de nombreux nœuds génère beaucoup d’interférences, ce qui diminue la portée.

En résumé : Utiliser une antenne plus grande (gain plus élevé) augmentera toujours la portée, mais sachez que ce n’est pas une relation linéaire. Tenez compte des autres facteurs pour déterminer la solution optimale pour votre installation.

6.6- Connectivité

Comment acheminer les données collectées par votre passerelle LoRaWAN vers le cloud ? 3 options principales s’offrent à vous : Ethernet, Wi-Fi et cellulaire. Certains fabricants proposent des passerelles compatibles avec chacune de ces options, voire les combinent pour une redondance accrue. 

Quelle est la meilleure option ? Il n’y a pas de réponse unique, tout dépend de votre application ! Voici quelques éléments à considérer :

• Mobilité de la passerelle: Si vous prévoyez de déplacer la passerelle régulièrement, le cellulaire s’avère pratique.
• Fiabilité requise: Pour une connexion critique et une garantie de fonctionnement continu, privilégiez le filaire (Ethernet) ou une combinaison cellulaire-Ethernet.
• Volume de données: Le Wi-Fi peut être suffisant pour des réseaux compacts, mais le cellulaire ou l’Ethernet s’imposent pour un fort trafic de données.

Un bonus non négligeable : la redondance

Plus vous disposez d’options de connexion, plus la garantie de rester connecté en cas de défaillance d’une liaison est élevée. Si la fiabilité est primordiale, recherchez des passerelles LoRaWAN multi-connectivité.

6.7- Alimentation : PoE, batterie, solaire

Choisir le mode d’alimentation de votre passerelle LoRaWAN peut considérablement influencer la facilité d’installation et même les possibilités de déploiement. Voici un aperçu des options :

• PoE (Power over Ethernet) : Solution privilégiée pour une installation simplifiée et économique si votre passerelle dispose d’une connexion Ethernet et que le PoE est disponible.
• Batterie : Utile pour les zones isolées sans accès au réseau électrique. Coût élevé, nécessitant généralement un panneau solaire en complément pour une recharge continue.
• Solaire : Durable et écologique, mais nécessite une batterie pour stocker l’énergie et assurer la disponibilité. Investissement initial plus important.

6.8- Température de fonctionnement

• Passerelles LoRaWAN Outdoor : Conçues pour résister à des températures plus basses grâce à leurs boîtiers industriels robustes.
• Passerelles LoRaWAN Indoor : Limitées en termes de résistance au froid en raison de leur conception moins protégée.

6.9- Résistance aux intempéries

• Passerelles LoRaWAN Outdoor : Dotées d’un indice de protection (IP) élevé, mieux adaptées aux conditions climatiques difficiles (pluie, vent, poussière).
• Passerelles LoRaWAN Indoor : Généralement moins résistantes aux éléments extérieurs et nécessitent une installation à l’abri.

En résumé

• Optez pour une passerelle LoRaWAN Outdoor si vous prévoyez une installation en espace ouvert, quel que soit le climat.
• Utilisez exclusivement les passerelles LoRaWAN outdoor dans des environnements contrôlés et protégés 

6.10- Compatibilité avec les plateformes : Un facteur clé pour vos applications LoRaWAN

La capacité d’une passerelle LoRaWAN à se connecter à différentes plateformes et services est essentielle pour la flexibilité et l’évolutivité de votre réseau. Voici les fonctionnalités clés à considérer :

Transitaire de paquets et pont MQTT 

Transitaire de paquets: Fonctionnalité de base permettant de transmettre simplement les données brutes des nœuds connectés.

Pont MQTT: Permet de transférer les données vers une plateforme tierce en utilisant le protocole MQTT, largement utilisé et efficace pour les scénarios à faible bande passante (ex : réseau LoRaWAN hors réseau avec backhaul cellulaire).

Station de base et serveur LoRaWAN intégré

Station de base Semtech : Support de ce standard commun qui garantit la compatibilité avec de nombreuses plateformes tierces.

Serveur LoRaWAN intégré : Transforme la passerelle en une station de base autonome capable de collecter, décrypter et décoder les données localement. Cette fonctionnalité, autrefois optionnelle, devient de plus en plus courante (ex : TTN v3).

Gestion à distance : Un atout précieux

À mesure que les réseaux LoRaWAN grandissent, la gestion et la surveillance à distance deviennent essentielles pour réduire les coûts de maintenance. Certaines passerelles haut de gamme offrent cette fonctionnalité pour piloter efficacement votre réseau, même à grande échelle.

En résumé, pour choisir la bonne passerelle LoRaWAN, privilégiez un modèle compatible avec vos outils et plateformes, offrant idéalement Station de base, pont MQTT et gestion à distance pour une flexibilité et une évolutivité accrues.

7- Passerelles LoRaWAN : Nos recommandations

Le choix de la bonne passerelle LoRaWAN peut aider les utilisateurs à construire une architecture IoT robuste et fiable. Cependant, un marché saturé rend difficile la sélection de la passerelle LoRaWAN. Le tableau suivant présente une comparaison entre les Gateways LoRaWAN les plus populaires sur le marché.

8- Conclusion

Vous recherchez une solution évolutive et accessible pour la domotique, le suivi logistique ou la gestion de villes intelligentes ? Les passerelles LoRaWAN s’imposent comme la norme du secteur pour connecter facilement de nombreux systèmes. De plus, les modules offrent une flexibilité supplémentaire, permettant de suivre et collecter différents types de données.

Grâce à leur protocole de communication chiffré, adaptatif et multi-réception, les réseaux LoRaWAN conviennent à quasiment tous les projets IoT, d’aujourd’hui et de demain. Contactez-nous dès maintenant par chat ou via le formulaire et l’équipe Airicom vous aidera à choisir la passerelle LoRaWAN idéale pour votre application IoT.