Notre programme de recherche
Depuis 2019, ANS innovation mène un programme de recherche né d'un constat : dans l'industrie, les bus de terrain filaires apportent la fiabilité attendue, mais le câblage est parfois impossible ou trop coûteux. Les réseaux radio longue portée et basse consommation (LPWAN) pourraient prendre le relais, sans toutefois offrir le même niveau de service. Nous travaillons à combler cet écart sur deux plans :
- La liaison radio : la rendre robuste, en s'appuyant sur des mesures de terrain plutôt que sur des simulations.
- Le protocole : bâtir sur cette liaison un réseau maillé sécurisé et économe, dont le niveau de service approche celui d'un bus de terrain.
Ces travaux s'appuient sur la modulation LoRa, ouverte et très configurable, utilisée dans des réseaux privés, en dehors du protocole LoRaWAN, pour que les équipements puissent communiquer directement entre eux.
Volet 1 : modéliser et fiabiliser la liaison radio
Il s'agit de modéliser les performances radio des LPWAN dans des environnements difficiles, puis de choisir la modulation et la bande de fréquence les mieux adaptées, d'abord à la mise en service, puis dynamiquement, en fonction des événements. Les modèles théoriques s'appliquent mal à de petits déploiements ; nous construisons donc nos modèles à partir de longues campagnes de mesures sur le terrain, avec du matériel capable d'émettre sur plusieurs bandes dans des conditions comparables.
- Très longue distance au sol. Depuis le Climatographe, au Mont Aigoual, des liaisons de plus de 100 km ont été validées avec plus de 90 % de messages reçus et une marge de réception confortable. Nous avons développé pour l'occasion un petit émetteur capable de fonctionner plusieurs mois sur piles.
- Sites pilotes industriels. Des installations pilotes, sur des sites fortement perturbés, confrontent nos configurations radio au terrain. Les résultats sont bons mais varient d'un mois à l'autre. Nous développons donc des outils de test rapides, qui perturbent le moins possible les systèmes en service.
- Modulations à haut débit. Pour valider nos outils sur des cas différents, nous les avons appliqués à la modulation FLRC en 2,4 GHz, comparée à LoRa haut débit lors de deux campagnes : 27 jours en courte portée sans visibilité directe, puis 3 jours en longue portée en visibilité directe. L'évaluation complète a été menée en peu de temps. Elle montre qu'à faible débit, FLRC offre une fiabilité comparable à celle de LoRa sur 2 à 3 km. Ces résultats ont été présentés aux journées scientifiques LPWAN 2025.
Volet 2 : protocoles et réseau maillé
L'objectif est d'apporter aux LPWAN les services d'un bus de terrain : dialogue direct entre équipements, topologie flexible, sécurité élevée. Les architectures centralisées, où tout passe par un serveur, sont mal adaptées aux environnements radio perturbés. La réglementation des bandes libres limite en outre le temps d'émission, donc le nombre et la taille des messages. Un réseau maillé lève ces obstacles, à condition que ses protocoles soient conçus pour l'ultra bas débit : messages très courts, sécurité sans phase de négociation, détection rapide des pannes, cohérence des données partagées entre les nœuds.
- Un réseau maillé multi-chemins validé dans la durée. Un réseau organisé autour de quelques nœuds routeurs dédiés reste fiable depuis deux ans. Même les équipements dont la liaison directe avec le poste central est mauvaise ne perdent pratiquement aucun message, grâce aux nœuds routeurs et aux chemins multiples.
- La simplicité comme critère. Une couche d'accès au médium (MAC) qui veut tout couvrir devient vite trop complexe pour être optimisée et testée. Nous nous imposons donc une limite mesurable : moins de 1 000 lignes de code et une complexité cyclomatique moyenne inférieure à 5. Deux implémentations aux besoins très différents la respectent : l'une transfère de gros volumes de données, l'autre dessert un réseau maillé de très grande portée.
- Du sur-mesure en quelques mois. Un produit radio maillé, optimisé pour un besoin précis, demande quelques mois de travail, tests et validation sur le terrain compris.
Partenaires
Ces travaux sont menés en interne et en collaboration avec le Laboratoire d'Informatique de Grenoble (LIG), le Centre spatial universitaire de Grenoble (CSUG) et le CNES.
Les vols de ballons stratosphériques
Un ballon stratosphérique est un banc d'essai exceptionnel : depuis son altitude, un émetteur voit des centaines de kilomètres de territoire en visibilité directe. Aucun relief ni bâtiment ne vient alors masquer les limites du matériel, ce qui permet d'évaluer les très grandes distances. Voici deux exemples de vols réalisés en 2025.
Vol Planète Sciences, Romans-sur-Isère
Pour ce vol, nous avons développé un tracker GPS doté de trois modes de communication : LoRaWAN sur deux réseaux, celui d'un opérateur et le réseau CampusIoT de l'université Grenoble Alpes, et LoRa avec une modulation optimisée, reçue par notre propre récepteur.
- Les trois modes ont fonctionné. Sur le réseau de l'opérateur, aucun message n'a été perdu de tout le vol, y compris aux vitesses les plus élevées.
- Portée. Les passerelles CampusIoT ont reçu le tracker jusqu'à 170 km (Mont Blanc) et 150 km (Mont Aigoual), avec des signaux proches de −130 dBm.
- Notre récepteur, situé en moyenne à 80 km du ballon, a enregistré de 11 à 37 % de pertes selon la configuration. C'est plus qu'attendu, en partie à cause d'un parachute qui a mal fonctionné et d'une descente très rapide.
Vol CSUG / CNES, Aire-sur-l'Adour et Climatographe
Ce vol a demandé un important travail de préparation au premier semestre 2025, au Climatographe : l'ancien observatoire météo du Mont Aigoual, qui dispose d'un espace d'essais en conditions extrêmes. Ce site est devenu une base au sol, distante de 350 km. Toutes les expérimentations sont documentées dans le dépôt public du projet ThingSat.
- 350 km. À cette distance, les meilleures configurations ont perdu moins de 5 % des messages. Une fois protégée du bruit ambiant, une liaison LoRa de 350 km est donc parfaitement fiable, comme le laissaient prévoir les essais préliminaires menés au Puy de Dôme.
- Protocole. Pendant les 2 h 37 de communication avec le ballon, chaque configuration a émis environ 400 messages. Les configurations font varier la chaîne radio, la puissance d'émission et la présence d'un LNA en réception.
- Un réseau à très grande échelle en projet. Le Climatographe peut servir de relais terrestre pour des liaisons de plus de 100 km. Il fait partie d'un projet de réseau maillé industriel à l'échelle du Sud-Est de la France.
Le succès des réseaux maillés LoRa utilisant le flood
Meshtastic et MeshCore connaissent un vrai succès. Ces réseaux LoRa maillés et collaboratifs fonctionnent sans internet ni opérateur : chacun peut installer un répéteur sur un toit ou un sommet. Leurs messages sont principalement diffusés par flood : chaque répéteur qui entend un message le retransmet. Aucune table de routage n'est à maintenir, ce qui rend le réseau robuste et simple à étendre.
Mais à l'échelle d'un pays, avec des répéteurs aux configurations hétérogènes, le flood devient difficile à maîtriser.
Notre méthode d'analyse
Nous analysons le réseau MeshCore au niveau des liens radio, sans nous limiter aux niveaux de réception. Les cartes sont produites chaque mois à partir des paquets captés par des observateurs, qui publient tout ce qu'ils reçoivent sur un broker MQTT. Elles se répartissent en trois séries.
Les routes
Autour de six villes, nous suivons le trajet des messages flood qui y arrivent. Chaque ville est traitée comme un seul nœud : les relais urbains se repassent les copies d'un même message, et ces sauts internes sont regroupés. La route commence donc à l'entrée en ville, et nous en analysons les cinq derniers relais. Deux notions en ressortent : le couloir, c'est-à-dire la direction d'où vient le message, et la porte d'entrée, le dernier relais avant la ville. On mesure ainsi le taux d'utilisation de chaque répéteur.
La qualité des liens
Pour un observateur qui est aussi répéteur, nous mesurons la qualité de ses liens radio directs avec ses voisins, ainsi que la charge du canal.
La configuration des voisins
En accumulant les données, nous déduisons la configuration des répéteurs voisins (scopes, nombre maximal de sauts, fréquence des adverts, horloge, délais d'émission) et détectons les changements intervenus au cours du mois.