La question de la capacité maximale d’un réseau LoRaWAN est centrale dans les projets IoT à grande échelle, mais elle est souvent abordée de manière simplifiée, voire erronée. Contrairement aux réseaux cellulaires, LoRaWAN repose sur un accès radio non coordonné, soumis à des contraintes réglementaires strictes et à une modulation volontairement peu efficace spectralement. Cet article propose une analyse rigoureuse de la capacité théorique d’un réseau LoRaWAN en tenant compte de l’airtime, du duty cycle, des collisions et du rôle fondamental de l’ADR.
1. Définition de la capacité dans un réseau LoRaWAN
La capacité d’un réseau LoRaWAN ne se mesure pas en débit agrégé mais en nombre de messages transmis avec succès sur une période donnée. Elle dépend directement du temps total d’occupation radio disponible, de la distribution des Spreading Factors et de la probabilité de collisions.
Dans un réseau LoRaWAN, la ressource rare n’est pas la bande passante mais le temps d’antenne. Chaque message consomme une fraction de cette ressource et réduit mécaniquement la capacité restante pour les autres objets.
2. Temps d’antenne disponible et duty cycle
En Europe, les canaux LoRaWAN fonctionnent principalement dans des sous-bandes soumises à un duty cycle de 1 %, parfois 0,1 %. Sur un canal donné, le temps d’émission maximal autorisé par heure est donc de 36 secondes pour un duty cycle de 1 % et de 3,6 secondes pour un duty cycle de 0,1 %.
Si l’on considère une passerelle LoRaWAN utilisant 8 canaux uplink à 1 %, le temps total théorique d’occupation radio disponible est de 8 × 36 secondes par heure, soit 288 secondes par heure. Cette valeur constitue une borne supérieure absolue qui ne peut être dépassée indépendamment du nombre d’objets ou de passerelles.
3. Airtime par message selon le Spreading Factor
L’airtime d’un message LoRaWAN dépend fortement du Spreading Factor. À titre indicatif pour un payload court, un message en SF7 occupe typiquement de l’ordre de 40 à 60 ms, tandis qu’un message équivalent en SF12 peut dépasser 1 seconde.
Cette relation est quasi exponentielle. Chaque augmentation de SF double approximativement la durée d’émission. Ainsi, un objet en SF12 consomme autant de temps d’antenne que plusieurs dizaines d’objets en SF7.
4. Capacité théorique brute par canal
En supposant un canal à 1 % de duty cycle et un airtime de 50 ms par message en SF7, le nombre maximal théorique de messages par heure sur ce canal est de 36 / 0,05, soit environ 720 messages par heure. En SF12 avec un airtime de 1 seconde, ce nombre chute à 36 messages par heure.
Ces valeurs représentent une limite mathématique idéale sans tenir compte des collisions, des messages de signalisation ni de la répartition réelle des Spreading Factors.
5. Distribution des Spreading Factors et impact sur la capacité globale
Dans un réseau réel, les objets sont répartis sur plusieurs Spreading Factors. Sans ADR, une proportion significative d’objets reste bloquée sur des SF élevés, ce qui réduit drastiquement la capacité globale.
Avec un ADR bien configuré et une densité suffisante de passerelles, il est possible de concentrer la majorité des objets sur SF7 et SF8. Dans ce scénario, la capacité globale du réseau peut être multipliée par un facteur supérieur à 5 par rapport à un réseau mal optimisé.
La capacité totale d’un réseau est donc la somme pondérée des capacités par Spreading Factor, pondérée par la proportion d’objets sur chaque SF.
6. Collisions et efficacité réelle
LoRaWAN utilise un accès aléatoire de type ALOHA. La probabilité de collision augmente linéairement avec la charge du réseau. En pratique, lorsque l’occupation radio dépasse environ 30 à 40 %, le taux de collisions devient significatif et la capacité utile commence à décroître.
La capacité théorique calculée précédemment doit donc être corrigée par un facteur d’efficacité, souvent compris entre 0,5 et 0,7 dans des réseaux bien conçus, et parfois inférieur à 0,3 dans des réseaux saturés.
7. Rôle critique de l’ADR dans la capacité maximale
L’ADR est le principal levier pour rapprocher un réseau LoRaWAN de sa capacité maximale théorique. En réduisant l’airtime moyen par message, l’ADR diminue la charge radio globale et réduit la probabilité de collisions.
Sans ADR, la capacité d’un réseau LoRaWAN chute rapidement dès que le nombre d’objets augmente. Avec ADR, un réseau peut supporter plusieurs milliers d’objets par passerelle dans des conditions favorables, à condition que la fréquence d’émission reste faible.
8. Impact du trafic descendant
Le trafic downlink est un facteur souvent négligé dans les calculs de capacité. Les downlinks consomment du temps d’antenne côté passerelle et sont soumis aux mêmes contraintes de duty cycle. Chaque downlink réduit donc la capacité uplink disponible.
Dans les réseaux LoRaWAN à forte charge, le trafic descendant doit être strictement limité aux fonctions essentielles comme l’ADR, les accusés de réception critiques ou les commandes ponctuelles.
9. Capacité théorique vs capacité exploitable
La capacité maximale théorique d’un réseau LoRaWAN correspond à une borne supérieure rarement atteignable en pratique. La capacité exploitable dépend de nombreux facteurs comme la topologie du réseau, la qualité radio, la discipline des objets, la taille des payloads et la politique d’ADR.
Dans des conditions optimales, un réseau bien conçu peut atteindre 50 à 60 % de sa capacité théorique. Au-delà, la dégradation des performances devient non linéaire et conduit à une augmentation rapide des pertes de messages.
Conclusion
La capacité d’un réseau LoRaWAN est avant tout une problématique de temps d’antenne, pas de nombre d’objets. Comprendre les relations entre airtime, Spreading Factors, duty cycle et collisions est indispensable pour concevoir des réseaux scalables. L’ADR, la limitation du trafic descendant et une planification rigoureuse sont les clés pour exploiter efficacement la capacité réelle d’un réseau LoRaWAN et éviter les effets de saturation souvent observés sur le terrain.