Fonctionnement des modules de communication sans fil — ESP32, nRF52840, SX1262

Quelle que soit la précision de la mesure effectuée par un capteur, cette mesure est inutile sans un moyen de la transmettre au-delà du microcontrôleur, vers une passerelle ou le cloud. Les modules de communication sans fil assurent cette transmission, et les trois technologies représentatives sont le Wi-Fi, le BLE (Bluetooth Low Energy) et le LoRa. Toutes trois partagent le principe de base de la transmission de données par onde radio (onde électromagnétique), mais leurs schémas de modulation, leurs bandes de fréquences et leurs architectures diffèrent sensiblement, ce qui engendre une répartition des tâches : « Wi-Fi — rapide mais énergivore », « BLE — économe en énergie mais à courte portée » et « LoRa — lent et économe en énergie, mais avec une portée de plusieurs kilomètres, voire de plusieurs dizaines de kilomètres ». Il n’est pas exagéré d’affirmer que ce choix de technologie sans fil, plus encore que le choix du capteur lui-même, détermine le bilan énergétique global, la portée de communication et l’architecture système d’un objet connecté.

Carte de développement ESP32 (un exemple de SoC intégrant Wi-Fi et Bluetooth)

Passerelle MultiTech Conduit (à gauche) et nœud mDot (sur la carte de développement, à droite)

Images : ESP32 carte de développement" (Ubahnverleih, CC0) / MultiTech passerelle Conduit et nœud mDot" (IOTpreneur, CC BY-SA 4.0), Wikimedia Commons.

Principe : OFDM — une solution contre les trajets multiples grâce aux sous-porteuses orthogonales (Wi-Fi)

Au lieu de transmettre toutes ses données sur une seule onde porteuse, le Wi-Fi (IEEE 802.11) utilise l’OFDM (multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence). Une large bande est divisée en de nombreuses sous-porteuses à bande étroite mutuellement orthogonales, et un flux de données lent est transporté sur chaque sous-porteuse séparément. Comme le débit de symboles diminue sur chaque sous-porteuse, la durée d’un symbole s’allonge, ce qui réduit l’impact de la propagation du délai due aux ondes réfléchies (trajets multiples), fréquentes à l’intérieur des bâtiments et en milieu urbain. L’OFDM 802.11a/g classique utilise 52 sous-porteuses (48 pour les données, 4 pour le signal pilote) espacées de 312,5 kHz dans un canal de 20 MHz de large. L'orthogonalité est essentielle : le spectre de fréquence de chaque sous-porteuse est agencé de telle sorte qu'au pic de toute autre sous-porteuse, sa propre valeur soit exactement nulle, ce qui permet de regrouper les bandes de manière compacte et d'accroître l'efficacité spectrale sans engendrer d'interférences intersymboles.

Image : Timing diagram of multipath signals in OFDM reception (Gerben49 / Mliu92, CC BY-SA 4.0), Wikimedia Commons. Elle illustre comment la conception des symboles avec un intervalle de garde absorbe les trajets multiples (multitrajets) créés par les réflexions sur les murs et le mobilier.

Les bandes de fréquences du Wi-Fi se répartissent globalement en 2,4 GHz, 5 GHz et 6 GHz (Wi-Fi 6E et versions ultérieures). La bande 2,4 GHz est favorable à la diffraction autour des obstacles et à la portée, mais comme de nombreux appareils (Bluetooth, fours à micro-ondes, Zigbee) partagent la même bande, elle est sujette à la congestion et aux interférences. Les bandes 5 GHz et 6 GHz ont relativement moins d'appareils en service et offrent une meilleure portée. Il est plus facile d'obtenir une large bande passante, ce qui les rend adaptés à un débit élevé, mais leur longueur d'onde plus courte offre une pénétration moindre à travers les murs et une portée plus réduite. Le Wi-Fi 6 (802.11ax), désormais répandu, introduit l'OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access), une évolution de l'OFDM qui permet de diviser finement un seul canal et de l'utiliser simultanément par plusieurs stations. Cette conception vise à limiter la latence et la dégradation du débit, même dans des environnements où de nombreux objets connectés sont connectés simultanément.

Principe : Modulation GFSK et topologie en étoile du BLE

Le BLE (Bluetooth Low Energy) utilise la même bande ISM de 2,4 GHz que le Wi-Fi, mais adopte une philosophie de conception totalement différente. Au lieu d'un système multiporteuse comme l'OFDM, sa modulation est la GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying), un système monoporteuse simple. Au lieu de modifier directement la fréquence avec le signal numérique 0/1 sous forme d'onde carrée, la GFSK lisse d'abord la forme d'onde à l'aide d'un filtre gaussien avant de la modifier, ce qui atténue l'élargissement brutal de la bande passante occupée. La bande passante associée à la modulation réduit les interférences avec les canaux adjacents. À partir de BLE 5, cette base GFSK prend en charge des modes sélectionnables tels que LE 2M PHY, qui conserve un bit par symbole et porte le débit de symboles à 2 Msym/s, et LE Coded PHY (S=2/S=8), qui utilise un codage correcteur d'erreurs et un mappage de motifs pour répartir les bits d'information sur plusieurs symboles, permettant ainsi à l'application d'optimiser le compromis entre vitesse et portée.

Du point de vue de la topologie, BLE adopte fondamentalement une configuration en étoile (un-à-plusieurs). Un dispositif central unique (un smartphone ou une passerelle) assure la connexion à plusieurs périphériques (nœuds de capteurs), et chaque périphérique communique directement avec le dispositif central. De plus, l'efficacité énergétique de BLE repose sur un fonctionnement à cycle de service. Au lieu de rester constamment en réception, la radio s'active brièvement à intervalles de connexion prédéterminés pour échanger des données, puis reste en veille. Ce fonctionnement à cycle de service est au cœur même de son efficacité énergétique. L'efficacité du LoRa permet à un capteur BLE de fonctionner pendant des années avec une seule pile bouton. C'est la principale différence de conception avec le Wi-Fi, qui suppose une connectivité réseau constante et continue. Aucun schéma public approprié n'ayant été trouvé pour cette section, l'explication du principe se limite ici à des équations et à du texte.

Principe : Étalement de spectre par modulation à fréquence variable (CSS) et facteur d'étalement du LoRa

Le LoRa (Long Range) utilise un schéma de modulation différent du Wi-Fi et du BLE : l'étalement de spectre par modulation à fréquence variable (CSS). Sa forme d'onde de base est un « chirp » — un signal dont la fréquence porteuse est balayée linéairement sur toute la bande au fil du temps — et les données sont encodées en décalant la fréquence initiale de ce chirp symbole par symbole. À la réception, la multiplication par un signal de référence dont la fréquence varie dans le sens inverse du chirp (un « downchirp ») facilite la détection d'un pic, même à partir d'un signal faible. Ce mécanisme confère au LoRa une haute sensibilité de réception, capable de démoduler même à un rapport signal/bruit (SNR) très faible (un signal plus faible que le signal de référence). (bruit).

Le paramètre clé de LoRa est le facteur d'étalement (SF), qui varie de SF7 à SF12. Chaque augmentation de SF double le nombre de balayages de chirp par symbole (la longueur effective du symbole), ce qui allonge le temps nécessaire à l'envoi des mêmes données (temps d'antenne) mais améliore la sensibilité de réception d'environ 2,5 dB. Autrement dit, SF12 permet d'étendre considérablement la portée par rapport à SF7, mais le débit de données chute sensiblement, et le temps de transmission plus long augmente également la consommation d'énergie et l'occupation du réseau. Ce compromis — « augmenter le facteur d'étalement permet d'aller plus loin, mais plus lentement » — est au cœur de la conception des réseaux LoRa.

Image : Example combinaisons de sous-chirps en modulation CSS (wdwd, CC BY-SA 3.0), Wikimedia Commons. Cette image illustre le principe de représentation d'un symbole par des combinaisons de signaux chirp dont la fréquence varie linéairement dans le temps.

La couche physique de LoRa utilise les bandes ISM inférieures au GHz (qui varient selon les régions : la bande 868 MHz en Europe, la bande 915 MHz en Amérique du Nord, etc.). Plus la fréquence est basse, plus la diffraction et la pénétration de l'onde radio sont favorables. Ainsi, à puissance d'émission égale, la portée est plus grande et la transmission se fait au-delà des obstacles qu'avec la bande 2,4 GHz. En contrepartie, de nombreuses réglementations régionales imposent des limites de cycle de service pour la transmission dans la bande inférieure au GHz (par exemple, certains canaux de la bande 868 MHz en Europe limitent le temps de transmission à moins de 1 %), ce qui la rend inadaptée aux applications nécessitant des envois de données fréquents. Au-dessus de cette couche physique, « LoRaWAN » est normalisé comme spécification de la couche MAC qui gère la communication entre plusieurs terminaux LoRa et une passerelle. La différence réside dans le fait que LoRa désigne le schéma de modulation lui-même, tandis que LoRaWAN désigne le protocole réseau.

Comparaison des spécifications des produits clés

L'ESP32-C6 se distingue par l'intégration de trois normes sans fil — Wi-Fi, BLE et IEEE 802.15.4 (Zigbee/Thread) — sur une seule puce RISC-V. Selon l'application, elle peut basculer entre une configuration envoyant les données directement vers le cloud via Wi-Fi, une autre se connectant à un smartphone via BLE, ou une dernière rejoignant un réseau maillé Zigbee/Thread via 802.15.4 — une flexibilité qu'une puce monofonctionnelle ne peut égaler. Le nRF52840, puce dédiée au BLE, offre une conception très aboutie. Son équilibre entre une sensibilité de réception de -95 dBm et un courant d'émission de 16,4 mA est optimal pour les objets connectés et les balises alimentés par pile bouton. Le SX1262, en revanche, affiche une sensibilité de réception nettement supérieure (-148 dBm), soit 53 dB de plus que le nRF52840 (-95 dBm). Il peut ainsi démoduler un signal plus de 200 000 fois plus faible. Cet écart de sensibilité est le principal facteur expliquant la différence de portée : de quelques mètres à plusieurs dizaines de mètres pour le BLE, contre plusieurs kilomètres à plusieurs dizaines de kilomètres pour le LoRa. Le CC2652R7 est un module multiprotocole qui bascule entre les protocoles de manière similaire à une radio logicielle (SDR), ce qui le rend idéal pour les appareils tels que les hubs domotiques qui doivent prendre en charge plusieurs normes sans fil. Le MultiTech mDot est utilisé depuis longtemps dans les applications industrielles comme module LoRaWAN et figure parmi les rares produits à afficher une portée en visibilité directe de 16 km, mesurée et publiée.

Histoire : le terme marketing « Wi-Fi » et les litiges de brevets liés aux ondes radio

Le nom Wi-Fi n'est pas, en réalité, l'abréviation d'une norme technique. Il s'agit d'un terme marketing inventé en 1999 par l'agence de branding Interbrand, à la demande de la WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance, devenue ensuite la Wi-Fi Alliance) – l'organisme industriel qui certifie l'interopérabilité des équipements de réseau local sans fil conformes à la norme IEEE 802.11. Conçu pour évoquer la sonorité de la « haute fidélité », le terme a parfois été rebaptisé « Wireless Fidelity », mais officiellement, il ne s'agit pas de l'abréviation d'un mot précis. L'histoire de la popularité fulgurante de cette technologie – qui, sans son appellation technique « IEEE 802.11b », n'aurait probablement jamais rencontré le succès auprès du grand public – est une étude de cas sur le pouvoir du nom, et pas seulement sur celui de la technologie elle-même.

Parallèlement, derrière la technologie OFDM, pilier du Wi-Fi, se cache une histoire moins connue de litiges en matière de brevets. L'agence de recherche nationale australienne, le CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation), avait déposé un brevet en 1992 (brevet américain n° 5 487 069) pour une technique de correction des distorsions induites par les trajets multiples, développée dans le cadre de recherches en radioastronomie. Cette technique faisant écho à un élément essentiel des implémentations OFDM ultérieures des générations IEEE 802.11a/g/n, le CSIRO a intenté, à partir de 2005, une série de procès contre les principaux fabricants d'équipements Wi-Fi afin d'obtenir des redevances de licence. Des accords à l'amiable et des contrats de licence ont finalement été conclus avec de nombreux fabricants, et le CSIRO aurait ainsi perçu plus de 420 millions de dollars de revenus de licences grâce à ce portefeuille de brevets. Le fait qu'un brevet issu de la radioastronomie ait généré des revenus aussi colossaux, grâce à une technologie désormais gratuite et omniprésente dans notre quotidien, est un aspect méconnu de l'histoire technique du Wi-Fi.

Exemple concret : Le réseau de compteurs intelligents LoRaWAN de ZENNER – un réseau de 10 millions d'appareils

Le réseau LoRaWAN exploité par le groupe allemand Minol-ZENNER illustre parfaitement l'évolutivité de ce type de réseau. En septembre 2025, l'entreprise a annoncé avoir dépassé les 10 millions de capteurs connectés à son réseau LoRaWAN – principalement des compteurs intelligents d'eau, de chauffage et de gaz. Considéré comme l'un des plus grands réseaux LoRaWAN au monde, il constitue un cas d'utilisation idéal, tirant parti de la faible consommation et de la longue portée de la technologie LoRa : chaque compteur fonctionne sur batterie pendant de longues périodes et transmet ses relevés à une passerelle à basse fréquence. L'Alliance LoRa (l'organisme industriel qui gère la norme LoRaWAN) a également annoncé en décembre 2025 que le nombre total de terminaux LoRaWAN déployés dans le monde, tous opérateurs membres confondus, avait dépassé les 125 millions, enregistrant une croissance annuelle continue de 25 %. Avec 10 millions de terminaux, ZENNER réalise une performance exceptionnelle pour un seul opérateur, même au sein de ce total mondial, devançant largement d'autres acteurs majeurs tels qu'Actility (4,6 millions), The Things Industries (3,8 millions), Birdz (3,6 millions) et Netmore (3,4 millions).

Un réseau de cette envergure repose sur une conception permettant à une seule passerelle LoRaWAN de gérer des milliers de terminaux, chaque terminal ayant un faible cycle d'utilisation (un compteur intelligent n'émet que quelques fois par jour, au maximum). Les contraintes de bande passante sans fil constituent également une contrainte de conception constante en robotique. Par exemple, le projet Newbot a constaté, grâce à des mesures de bande passante Wi-Fi, que « la diffusion de données brutes sans restriction sature la bande passante ». LoRaWAN, quant à lui, offre une évolutivité différente, « pouvant prendre en charge un grand nombre d'appareils simultanément », précisément en limitant fortement le volume et la fréquence des données envoyées par appareil dès le départ.

La petite start-up française à l'origine de LoRa et des recherches repoussant les limites de la communication sans fil

La technologie de modulation de LoRa n'est pas née dans un grand laboratoire d'entreprise. Entre 2009 et 2010, Cycleo, une jeune start-up grenobloise, a développé une technique d'étalement de spectre par modulation de fréquence (chirp) pour les communications sans fil longue portée à faible consommation. Semtech, fabricant de semi-conducteurs, s'intéressant à cette technologie, a acquis Cycleo en 2012 et a intégré la technologie LoRa à sa propre gamme de produits. Celle-ci a donné naissance à la famille actuelle de puces LoRa, notamment les séries SX126x/SX127x, puis à LoRaWAN, la spécification ouverte désormais gérée par l'association à but non lucratif LoRa Alliance. Un système de modulation développé par une simple start-up française a donné naissance, en un peu plus d'une décennie, à un réseau mondial de plus de 125 millions d'appareils.

En contrepartie de son efficacité énergétique et de sa longue portée, LoRaWAN repose fondamentalement sur une configuration à saut unique où les appareils communiquent directement avec une passerelle, ce qui lui confère une limitation intrinsèque : sa couverture est limitée dans les zones où le signal radio de la passerelle ne peut pas atteindre directement, comme les terrains montagneux, les souterrains ou les zones d'ombre des bâtiments. Pour pallier cette contrainte, un article publié sur arXiv en décembre 2025, intitulé « Mesh Augmentation of LoRaWAN-based IoT Networks » (arXiv:2512.00161, Ram Ramanathan et al.), propose un protocole appelé « LIMA » qui étend la portée de communication effective grâce à un routage maillé multi-sauts entre les dispositifs finaux, sans aucune modification de l'infrastructure LoRaWAN existante. Les simulations montrent une amélioration du taux de réussite de la livraison jusqu'à 5 fois et une réduction de la consommation d'énergie jusqu'à 12,6 fois par rapport à une configuration classique à saut unique. Ceci démontre que la recherche remettant en question le principe même du saut unique, même pour un déploiement LoRaWAN comptant désormais 10 millions de dispositifs, reste active.

Un nom inspiré d'un surnom royal danois : pourquoi « Bluetooth » ?

L'origine de la technologie sans fil Bluetooth, à la base du BLE, remonte à des recherches entreprises au sein du groupe suédois Ericsson en 1994. Jaap Haartsen, alors ingénieur chez Ericsson, et ses collègues, sous la direction de Nils Rydbeck, ont entrepris des recherches sur une liaison sans fil basse consommation et à courte portée pour connecter les téléphones mobiles à leurs périphériques – point de départ de ces travaux. En 1996, Ericsson, Intel et Nokia ont entamé des discussions en vue de normaliser cette norme sans fil à courte portée. Fin 1997, lors d'une conversation informelle dans un bar de Toronto, Jim Kardach, alors ingénieur chez Intel, aurait proposé le nom « Bluetooth » comme appellation provisoire. Kardach avait découvert le roi danois Harald Ier (Harald Blåtand, « Harald Bluetooth » en français) grâce à un roman viking que lisait un collègue. Il compara l'exploit de ce roi, qui avait unifié le Danemark et la Norvège, à la vision d'« unifier », par le biais de cette technologie sans fil, les industries alors fragmentées de l'informatique et de la téléphonie mobile. Ce nom n'était initialement qu'un nom provisoire, en attendant que le service marketing choisisse un nom officiel. Mais sa sonorité agréable lui valut une certaine popularité, et il fut finalement adopté comme nom officiel. Le logo Bluetooth, toujours utilisé aujourd'hui, combine les runes du Futhark récent pour « H » (ᚼ) et « B » (ᛒ) — un emblème formé des initiales d'Harald Ier. Le fait qu'un surnom de roi nordique subsiste tel quel comme nom de produit pour un système de modulation unique illustre, sous un angle différent de la controverse autour du nom du Wi-Fi, que le nom d'une technologie ne la décrit pas nécessairement.

Paramètres influençant les performances

• Portée et sensibilité de réception : La sensibilité de réception du SX1262 (-148 dBm) est supérieure de 53 dB à celle du nRF52840 (-95 dBm), ce qui explique la différence de portée : « LoRa atteint des distances de plusieurs kilomètres à plusieurs dizaines de kilomètres, tandis que BLE atteint des distances de quelques mètres à plusieurs dizaines de mètres. » C’est le point de départ de la répartition des tâches : les appareils LoRa sont destinés à la surveillance extérieure de vastes zones, et les appareils BLE aux dispositifs portables et balises à courte portée en intérieur.

• Compromis débit de données/autonomie : Le choix entre les modules SF7 et SF12 de LoRa implique un compromis entre la portée et le débit de données/la consommation d’énergie. Le SF12 nécessitant une durée d'émission bien plus importante que le SF7 pour transmettre les mêmes données, les applications telles que les compteurs intelligents de ZENNER (qui envoient de petites quantités de données plusieurs fois par jour) privilégient une conception qui maximise la portée, même au prix d'une augmentation du SF. En revanche, les applications qui échangent fréquemment des données devraient envisager le Wi-Fi ou le BLE plutôt que le LoRa.

• Puissance d'émission et consommation de courant : Le nRF52840 consomme 16,40 mA à +8 dBm en émission ; le SX1262 consomme encore plus de courant à +22 dBm en émission. Dans les capteurs BLE conçus pour une autonomie d'un an avec une pile bouton, la conception de base consiste à limiter la puissance d'émission afin de réduire la consommation. À l'inverse, côté passerelle, où l'alimentation est plus facile à sécuriser, une conception asymétrique, privilégiant une puissance d'émission élevée pour minimiser la consommation de la batterie côté réception (liaison descendante puissante, liaison montante faible), est courante, notamment dans LoRaWAN.

• Choix de la bande de fréquence : La bande 2,4 GHz (Wi-Fi, BLE, Zigbee/Thread) est utilisable globalement, mais sujette à la congestion. La bande sub-GHz (868/915 MHz pour LoRa) offre une bonne capacité de diffraction autour des obstacles et convient aux longues portées, mais l'attribution des fréquences et les réglementations relatives au cycle de service varient selon les régions. Pour les produits déployés à l'échelle mondiale, la gestion de cette différence réglementaire (commutation de région du module) représente une contrainte de conception pratique.

• Topologie et évolutivité : La topologie en étoile du BLE a une limite supérieure quant au nombre de périphériques qu'un seul central peut gérer, tandis que LoRaWAN est conçu pour qu'une seule passerelle puisse prendre en charge des milliers de dispositifs finaux ; un déploiement à grande échelle comme le réseau de 10 millions de dispositifs de ZENNER n'est pas réaliste sans LoRaWAN. Dans le même temps, comme le montre l'article de LIMA, la recherche sur les extensions de maillage qui compensent la contrainte de saut unique progresse également, et la conception de la topologie continue d'évoluer.

• Nécessité d'une prise en charge multiprotocole : Les SoC intégrant plusieurs normes sans fil sur une seule puce, comme l'ESP32-C6 ou le CC2652R7, présentent un avantage pour les produits dont le cas d'utilisation n'est pas encore défini ou qui pourraient changer de protocole à l'avenir. En revanche, les puces monoprotocoles comme le SX1262 ou le nRF52840 offrent un avantage en termes d'optimisation de la consommation et de la sensibilité lorsqu'elles sont limitées à ce protocole. Le choix entre la prise en charge multiprotocole et la spécialisation monofonctionnelle dépend de la priorité à accorder au coût de développement ou à la consommation énergétique du produit final.