Réseaux et protocoles IoT

Introduction

Les réseaux et protocoles IoT relient objets, passerelles et cloud, chacun avec des compromis débit-portée-énergie. Le choix du bon réseau conditionne l'autonomie, le coût et la sécurité de la solution.

Panorama des réseaux

Personnel Area Network (PAN)

• Bluetooth LE 5.3 : 0,5-2 Mbps, 30-100 m, mesh possible.
• NFC : 424 kbps, 10 cm, sécurité de proximité.
• UWB : localisation cm (AirTag, iPhone).

Local Area Network

• Wi-Fi 6 / 6E / 7 : jusqu'à 9,6-40 Gbps théorique, portée 30-50 m.
• Zigbee 3.0 : 250 kbps, mesh, domotique (Philips Hue, IKEA).
• Thread (802.15.4) : mesh IPv6, base de Matter.

LPWAN (Low Power Wide Area Network)

• LoRaWAN : 0,3-50 kbps, 5-15 km, non-licencié (868 MHz FR).
• Sigfox : 100 bps, 10 km, licence exploitant.
• NB-IoT : 20-250 kbps, cellulaire, 10 ans.
• LTE-M : 375 kbps, cellulaire, voix VoLTE.

Cellulaire

• 4G / 5G : haut débit mais gourmand.
• 5G RedCap : catégorie IoT industriel.

Protocoles applicatifs

• MQTT (TCP, publish/subscribe, léger).
• CoAP (UDP, RESTful, très léger).
• HTTPS/REST : universel, plus lourd.
• OPC UA : standard industrie 4.0.
• AMQP : file d'attente entreprise.

Sécurité IoT

• DTLS (UDP) et TLS 1.3 (TCP) pour chiffrer.
• Authentification par certificat X.509 ou clef partagée.
• Baseline ETSI EN 303 645.
• CRA 2027 obligatoire pour tous les objets vendus en UE.
• Mise à jour OTA signée obligatoire.

Adresse IPv6 et 6LoWPAN

• IPv6 : 128 bits ($3{,}4\times10^{38}$ adresses).
• 6LoWPAN : compression IPv6 sur 802.15.4.
• Thread et Matter reposent sur IPv6.

Modèle OSI simplifié pour l'IoT

Couche	Fonction	Exemples
Application	Métier	MQTT, CoAP
Transport	Bout à bout	TCP, UDP, DTLS
Réseau	Adressage	IPv6, 6LoWPAN
Liaison	Trame	802.15.4, LoRa PHY
Physique	Modulation	Radio 868 MHz, 2,4 GHz

Cas d'usage : Smart parking

• Capteur magnétique à pile 5 ans.
• Radio LoRaWAN.
• Gateway rooftop 15 km.
• Serveur ChirpStack + broker MQTT.
• Application mobile avec paiement Stripe.

Éco-conception réseau

• Choisir la portée juste nécessaire.
• Batch envoie plutôt qu'envoi permanent.
• Sommeil profond majoritaire (99 % du temps).
• Sobriété numérique : compression payload (Protobuf, CBOR).

Exemple chiffré 1 — comparaison des technologies radio

Techno	Portée	Débit	Conso/message	Coût abonnement
BLE 5.x	10-100 m	1-2 Mbit/s	~15 µJ	0 €
Zigbee	10-100 m (maillé)	250 kbit/s	~20 µJ	0 €
Wi-Fi 6	30-50 m	> 100 Mbit/s	~5 mJ	0 €
LoRaWAN	2-15 km	0,3-50 kbit/s	~0,5 mJ	~1-5 €/an/objet
NB-IoT	1-10 km	20-250 kbit/s	~1 mJ	~5-10 €/an

Un capteur de niveau de cuve envoyant 6 messages/jour sur 8 ans choisira LoRaWAN : Wi-Fi consommerait ~10 000× plus d'énergie par octet utile.

Exemple chiffré 2 — budget de liaison LoRa

Émetteur 14 dBm, gains d'antenne 2 dBi de chaque côté, sensibilité récepteur -137 dBm (SF12) :

$\text{Budget} = 14 + 2 + 2 - (-137) = 155\ \text{dB}$

Avec l'affaiblissement en espace libre $L = 32{,}4 + 20\log_{10}(d_{km}) + 20\log_{10}(f_{MHz})$ à 868 MHz :

$155 = 32{,}4 + 20\log_{10}(d) + 58{,}8 \Rightarrow \log_{10}(d) = 3{,}19 \Rightarrow d \approx 1\,550\ \text{km (théorique)}$

En milieu urbain, les obstacles ajoutent 40-60 dB : la portée réelle retombe à 2-5 km — c'est l'écart entre modèle et terrain qu'il faut savoir commenter.

Exemple chiffré 3 — charge utile et duty cycle

Réglementation ETSI en bande 868 MHz : 1 % de duty cycle, soit 36 s d'émission par heure. Un message SF12 de 20 octets dure ~1,5 s → maximum 24 messages/heure, en pratique un toutes les 10-15 min. Encoder la température en 2 octets (0,01 °C de résolution) plutôt qu'en JSON texte (25 octets) divise le temps d'antenne par 8.

Exemple chiffré 4 — MQTT vs HTTP

Publication d'une mesure de 12 octets : HTTP POST ≈ 380 octets d'en-têtes ; MQTT PUBLISH ≈ 20 octets après connexion persistante. Sur 1 000 objets × 144 messages/jour, l'écart représente ~52 Mo/jour économisés.

Points-clés à retenir

• Le choix radio se fait par le triangle portée / débit / consommation — on ne peut pas optimiser les trois.
• Toujours vérifier la contrainte réglementaire de duty cycle avant de fixer la période d'émission.
• Sécuriser : chiffrement AES-128 de bout en bout (LoRaWAN), TLS sur MQTT, et rotation des clés — exigences renforcées par le Cyber Resilience Act (applicable 2027).