Du bit à l’onde : comprendre comment un objet connecté communique réellement

Objectif pédagogique

Dans le Module 01, nous avons progressivement construit l’architecture d’un système IoT. Nous avons suivi la donnée depuis le monde physique jusqu’au capteur, puis vers le système embarqué, la communication, le réseau, la plateforme et enfin l’application. Nous avons également compris qu’une commande pouvait parcourir cette chaîne dans le sens inverse et produire une action sur le monde physique.

Il reste maintenant à ouvrir l’une des couches les plus importantes de cette chaîne : la communication radio.

Dire qu’un objet communique en Bluetooth, en Wi-Fi, en LoRaWAN ou en 4G ne suffit pas à expliquer comment cette communication fonctionne. Derrière chacun de ces noms se trouvent une fréquence ou plusieurs bandes de fréquences, une largeur de canal, une modulation, une puissance d’émission, une sensibilité de réception, des mécanismes d’accès au spectre, des protocoles, une antenne, des contraintes réglementaires et, surtout, un environnement de propagation qui transforme profondément ce que la théorie pourrait laisser prévoir.

Une liaison radio ne consiste donc pas simplement à « envoyer des données dans l’air ».

Entre le moment où un microcontrôleur produit quelques octets et celui où un autre système parvient à les interpréter, plusieurs transformations ont lieu :

donnée → paquet → symboles → signal radiofréquence → antenne → propagation → antenne → signal reçu → démodulation → paquet → donnée

Comprendre cette chaîne est indispensable pour choisir une technologie radio, diagnostiquer une liaison instable, estimer une autonomie sur batterie, interpréter une portée annoncée par un constructeur ou analyser correctement l’exposition d’un équipement aux attaques radio.

Une technologie radio ne se choisit jamais uniquement en fonction de sa portée ou de son débit. Elle se choisit à partir d’un ensemble de compromis : couverture, énergie, débit, latence, densité, environnement, disponibilité du spectre, réglementation, coût, architecture et sécurité.

Ce premier cours du Module 02 pose donc les fondations nécessaires avant d’étudier individuellement Bluetooth, Wi-Fi, NFC, LPWAN et les réseaux cellulaires.

Public cible

Ce cours s’adresse aux étudiants et professionnels de l’IoT, des télécommunications, des réseaux, des systèmes embarqués et de la cybersécurité qui souhaitent comprendre les contraintes physiques et opérationnelles des liaisons radio. Il s’appuie sur les bases du Module 01 et ne demande pas de spécialisation préalable en ingénierie radio.

Objectifs d’apprentissage

À la fin de ce cours, vous serez capable de :

• expliquer comment une donnée numérique devient un signal radio puis redevient une donnée ;
• distinguer fréquence, longueur d’onde, canal, largeur de bande, débit et modulation ;
• comprendre pourquoi une portée radio ne peut presque jamais être résumée par un nombre unique ;
• interpréter correctement les dB, dBm et dBi ;
• construire et comprendre un budget de liaison simple ;
• expliquer le rôle de la puissance d’émission et de la sensibilité du récepteur ;
• comprendre pourquoi les technologies à bande étroite peuvent atteindre des portées importantes avec de faibles débits ;
• identifier les principales causes d’atténuation, de réflexion, de diffraction et de trajets multiples ;
• comprendre le lien entre communication radio et consommation énergétique ;
• distinguer réseau en étoile, liaison directe, mesh, gateway et réseau cellulaire ;
• comprendre le rôle de la réglementation du spectre ;
• expliquer pourquoi une interface radio crée également une nouvelle surface d’exposition en cybersécurité ;
• analyser méthodiquement les besoins radio d’un projet IoT avant de choisir une technologie.

1. Une communication radio commence bien avant l’antenne

Lorsqu’une sonde de température transmet une mesure de 32,6 °C, l’antenne n’émet évidemment pas directement « 32,6 °C ». Le système embarqué représente cette information sous forme numérique. Une pile protocolaire ajoute ensuite différents éléments permettant au récepteur de comprendre ce qui lui est envoyé : adresse, type de message, longueur, contrôle d’intégrité, compteur, information de synchronisation, éventuelles données de sécurité, etc.

Le paquet obtenu est ensuite traité par la couche physique. Les bits sont transformés en symboles, puis ces symboles modifient les caractéristiques d’un signal électromagnétique selon une technique appelée modulation. Le transceiver radio produit alors un signal RF, qui est transmis à l’antenne. Celle-ci convertit l’énergie électrique guidée dans le circuit en champ électromagnétique.

À l’autre extrémité de la liaison, le processus s’effectue en sens inverse.

L’antenne réceptrice capte une fraction extrêmement faible de l’énergie électromagnétique propagée dans l’environnement. Le récepteur amplifie et traite le signal, tente d’en extraire les symboles, reconstruit les bits, vérifie le paquet puis transmet l’information aux couches supérieures.

Cette distinction est fondamentale car plusieurs notions souvent mélangées se situent à des niveaux différents.

Bluetooth, Wi-Fi, LoRaWAN et 5G ne représentent pas simplement quatre « fréquences radio ». Ce sont des systèmes technologiques comprenant plusieurs couches.

De la même manière, MQTT ou CoAP ne sont pas des technologies radio. Ils peuvent être utilisés au-dessus de certains réseaux IP, eux-mêmes transportés par du Wi-Fi, de l’Ethernet, du LTE ou d’autres infrastructures.

LoRa et LoRaWAN constituent également un bon exemple de distinction. LoRa désigne principalement une technologie de couche physique, alors que LoRaWAN définit notamment l’organisation des communications et du réseau au-dessus de cette couche physique.

La première compétence à développer lorsqu’on analyse un équipement est donc de savoir à quelle couche appartient ce que l’on observe.

2. Fréquence et longueur d’onde : les premières contraintes physiques

Une onde électromagnétique peut notamment être caractérisée par sa fréquence.

La fréquence indique le nombre d’oscillations du signal par seconde. Elle s’exprime en hertz :

1 kHz = 1 000 Hz
1 MHz = 1 000 000 Hz
1 GHz = 1 000 000 000 Hz

La fréquence est directement liée à la longueur d’onde :

λ = c / f

où :

• λ représente la longueur d’onde ;
• c représente approximativement la vitesse de la lumière ;
• f représente la fréquence.

Cette relation paraît théorique, mais elle a des conséquences très concrètes sur la conception des équipements, les antennes et la propagation.

À 868 MHz, la longueur d’onde dans l’espace libre est d’environ 34,5 cm.

À 2,4 GHz, elle est proche de 12,5 cm.

À 5 GHz, elle tombe à environ 6 cm.

Ces différences influencent notamment la taille électrique des antennes, la propagation autour des obstacles, les pertes dans certains matériaux et la conception physique de l’équipement.

Il serait cependant incorrect d’en déduire simplement que « les basses fréquences portent toujours plus loin ». Elles disposent souvent d’avantages de propagation à conditions comparables, mais la portée réelle dépend également de la puissance autorisée, de l’antenne, de la largeur de bande, de la sensibilité du récepteur, de la modulation, de la hauteur des antennes, du bruit et de nombreux autres paramètres.

La fréquence influence la propagation. Elle ne détermine pas, à elle seule, la portée.

Cette nuance est essentielle.

3. Le spectre radio n’est pas un espace libre

Le spectre radio constitue une ressource partagée et réglementée.

Certaines bandes sont attribuées à des réseaux mobiles, d’autres à la radiodiffusion, aux communications aéronautiques, satellitaires, militaires, scientifiques ou à de nombreux autres services.

D’autres bandes permettent l’utilisation d’équipements de faible portée ou de technologies fonctionnant sans licence individuelle. Le terme « bande libre » est parfois utilisé par simplification, mais il est trompeur.

Une bande sans licence individuelle n’est pas une bande sans règles.

Des contraintes peuvent porter sur la puissance rayonnée, la largeur de canal, les émissions hors bande, les mécanismes d’accès au canal, le temps maximal d’occupation ou encore le duty cycle.

Les paramètres peuvent également varier selon les régions du monde.

C’est particulièrement important pour les systèmes LPWAN. Les paramètres LoRaWAN, par exemple, sont définis par région dans les documents Regional Parameters de la LoRa Alliance. La version RP002-1.0.5 publiée en octobre 2025 illustre précisément cette nécessité d’adapter les paramètres radio aux environnements réglementaires régionaux.

Un équipement configuré pour un plan de fréquences utilisé dans un pays ne doit donc jamais être déployé automatiquement dans un autre.

Pour un ingénieur ou un intégrateur sérieux, le raisonnement doit être :

cas d’usage → technologie envisagée → bande utilisée → réglementation nationale applicable → configuration radio

et non :

module radio disponible → fréquence par défaut du constructeur → déploiement.

Cette question est également importante pour le Wi-Fi. La disponibilité effective de certaines bandes, notamment autour de 6 GHz, dépend des décisions réglementaires de chaque juridiction.

L’ingénierie radio ne peut donc jamais être totalement séparée de la gestion et de la réglementation du spectre.

4. Canal, largeur de bande et débit : trois notions différentes

Une bande de fréquences peut être découpée en canaux.

Un canal occupe une certaine largeur de bande, exprimée en hertz. Une transmission utilisant une largeur de 125 kHz n’occupe pas le même espace spectral qu’une transmission Wi-Fi utilisant plusieurs dizaines de mégahertz.

Cette différence est importante car la largeur de bande influence à la fois la capacité de transmission, le niveau de bruit reçu et la manière dont plusieurs systèmes peuvent partager le spectre.

Il faut également distinguer largeur de bande radio et débit binaire.

Une largeur de canal de 20 MHz ne signifie pas automatiquement que l’utilisateur disposera de 20 Mbit/s.

Le débit dépend de la modulation, du codage, du nombre de flux, de l’efficacité spectrale et de nombreux mécanismes protocolaires.

Inversement, le débit réellement disponible pour une application est toujours inférieur au débit physique annoncé, car une partie de la capacité est utilisée par les en-têtes, les acquittements, les mécanismes de contrôle, la sécurité et les retransmissions.

Cela conduit à une distinction très utile :

débit PHY ≠ débit protocolaire ≠ débit utile applicatif

Dans un système IoT, c’est généralement le troisième qui intéresse réellement l’application.

5. La modulation : comment les bits influencent le signal radio

Pour transporter une information numérique sur une onde radio, il faut modifier certaines caractéristiques du signal.

C’est le rôle de la modulation.

Selon la technologie, l’information peut notamment être représentée par des variations de fréquence, de phase, d’amplitude ou par des combinaisons de plusieurs paramètres.

Le Bluetooth Low Energy utilise par exemple une modulation de type GFSK. Dans sa couche physique actuelle, Bluetooth LE opère dans la bande ISM autour de 2,4 GHz et répartit son fonctionnement classique sur 40 canaux radio.

Les systèmes Wi-Fi modernes utilisent des schémas beaucoup plus complexes permettant de transporter une grande quantité d’informations dans de larges canaux.

Les technologies LPWAN font généralement un autre compromis : elles acceptent des débits beaucoup plus modestes afin d’obtenir une meilleure sensibilité, un fonctionnement énergétique adapté aux objets et parfois une couverture très importante.

C’est ici qu’apparaît une règle d’ingénierie fondamentale :

Il n’existe pas de performance radio gratuite.

Augmenter le débit, réduire la consommation, augmenter la portée, diminuer la latence et améliorer la robustesse simultanément est extrêmement difficile.

Chaque technologie choisit donc un compromis.

Wi-Fi privilégie généralement une capacité importante.

Bluetooth LE recherche notamment un compromis entre faible consommation, simplicité et communication de proximité.

Certaines technologies LPWAN sacrifient fortement le débit pour gagner en portée et en autonomie.

Les systèmes cellulaires ajoutent une infrastructure opérateur sophistiquée permettant mobilité, couverture étendue, contrôle de ressources et qualité de service.

NFC adopte encore une logique différente : la communication se produit sur une distance extrêmement courte et repose largement sur le couplage en champ proche plutôt que sur une liaison radio longue portée comparable au Wi-Fi ou au LTE.

6. Une précision importante : NFC ne se raisonne pas comme le Wi-Fi

NFC est souvent placé dans les mêmes tableaux que Bluetooth, Wi-Fi ou LoRaWAN sous la catégorie « technologies sans fil ». C’est correct d’un point de vue fonctionnel, mais cela peut masquer une différence physique importante.

NFC fonctionne autour de 13,56 MHz et exploite un couplage électromagnétique à très courte distance. La logique physique du lien est donc très différente d’une communication Wi-Fi ou cellulaire.

Le NFC Forum indique aujourd’hui une portée typique pouvant aller jusqu’à environ 2 cm dans le cadre des spécifications récentes, avec la possibilité particulière de transférer non seulement des données mais également de l’énergie vers certains dispositifs passifs.

Un tag NFC peut ainsi fonctionner sans batterie propre parce que le lecteur fournit l’énergie nécessaire au fonctionnement de l’électronique pendant l’échange.

Cette propriété montre déjà pourquoi il est dangereux de vouloir comparer toutes les technologies uniquement par :

portée + débit + consommation.

Certaines architectures répondent à des besoins fondamentalement différents.

7. Puissance radio : comprendre dBm, dB et dBi

Les ingénieurs radio utilisent énormément les décibels parce qu’ils permettent de manipuler facilement des rapports de puissance très importants.

Trois unités reviennent constamment.

dBm

Le dBm représente une puissance absolue exprimée par rapport à 1 milliwatt.

Quelques valeurs permettent de développer une intuition :

0 dBm = 1 mW
10 dBm = 10 mW
20 dBm = 100 mW
30 dBm = 1 W

Une différence de 10 dB représente un facteur 10 en puissance.

Une différence d’environ 3 dB représente approximativement un facteur 2.

Ainsi, passer de 10 dBm à 20 dBm ne signifie pas doubler la puissance : cela signifie la multiplier par dix.

dB

Le dB exprime un gain ou une perte relative.

Un câble peut introduire 2 dB de perte.

Un obstacle peut ajouter plusieurs décibels d’atténuation.

Un amplificateur peut fournir un gain exprimé en dB.

dBi

Le dBi est notamment utilisé pour caractériser le gain d’une antenne par rapport à une antenne isotrope théorique.

Une antenne avec davantage de gain ne « crée » pas d’énergie. Elle concentre davantage cette énergie dans certaines directions.

Cette nuance devient importante lorsqu’on étudie les antennes directionnelles.

8. EIRP : ce que le système rayonne réellement

La puissance configurée dans le transceiver n’est pas exactement la puissance que l’ensemble du système rayonne.

Supposons :

puissance émetteur : +14 dBm
pertes câble et connecteur : −1 dB
gain antenne : +2 dBi

L’EIRP approximative devient :

14 − 1 + 2 = 15 dBm

Cette notion est fondamentale car de nombreuses réglementations ne limitent pas uniquement la puissance électrique produite par l’émetteur, mais la puissance effectivement rayonnée compte tenu de l’antenne.

Changer d’antenne n’est donc pas toujours une modification anodine.

Une antenne possédant un gain supérieur peut améliorer une liaison tout en faisant également dépasser certaines limites réglementaires si l’ensemble du système n’a pas été conçu correctement.

Cela explique pourquoi l’ingénierie RF, la conformité réglementaire et l’homologation des équipements doivent être considérées ensemble.

9. Le budget de liaison : l’un des outils les plus importants de l’ingénieur radio

La question « est-ce que le signal arrivera ? » peut commencer à recevoir une réponse grâce au budget de liaison, ou link budget.

Une forme très simplifiée est :

Puissance reçue = puissance émise + gains − pertes

Prenons un exemple.

Un objet transmet à :

+14 dBm

Son antenne apporte :

+2 dBi

Les pertes RF du côté émetteur sont :

−1 dB

La propagation et les obstacles introduisent :

−100 dB

L’antenne réceptrice apporte :

0 dBi

Les pertes du récepteur représentent :

−1 dB

La puissance reçue sera approximativement :

14 + 2 − 1 − 100 + 0 − 1 = −86 dBm

Supposons maintenant que le récepteur puisse décoder correctement le signal jusqu’à :

−100 dBm.

La liaison possède alors une marge d’environ :

14 dB

Cette différence est appelée marge de liaison.

C’est elle qui permet au système d’absorber les variations liées à l’environnement : déplacement d’une personne, pluie, végétation, orientation de l’équipement, variation de fabrication, changement du niveau d’interférence, vieillissement, obstacles temporaires ou perturbations du canal.

Concevoir une liaison qui fonctionne tout juste n’est pas la même chose que concevoir une liaison robuste.

Une démonstration réalisée à courte distance sur une table de laboratoire ne prouve donc pratiquement rien concernant la robustesse d’un déploiement réel.

10. La sensibilité du récepteur : écouter très faiblement peut être plus important qu’émettre très fort

La puissance d’émission attire souvent toute l’attention.

Pourtant, la capacité du récepteur à détecter et décoder des signaux extrêmement faibles peut être tout aussi importante.

Cette capacité est notamment représentée par la sensibilité du récepteur.

Un récepteur capable de fonctionner à −120 dBm est capable de décoder un signal beaucoup plus faible qu’un récepteur dont la limite se situe à −90 dBm.

Une différence de 30 dB correspond à un rapport de puissance considérable.

Mais cette sensibilité dépend notamment :

• de la largeur de bande ;
• du niveau de bruit ;
• du facteur de bruit du récepteur ;
• de la modulation ;
• du codage ;
• du rapport signal sur bruit nécessaire pour décoder correctement l’information.

C’est l’une des raisons pour lesquelles comparer uniquement les puissances d’émission de deux technologies ne permet presque jamais de comparer correctement leur portée.

11. Le bruit explique une grande partie du compromis débit–portée

Tout récepteur reçoit du bruit.

À température ambiante, la densité de puissance du bruit thermique est approximativement de :

−174 dBm/Hz

Le bruit total reçu augmente avec la largeur de bande.

Une approximation couramment utilisée est :

N = −174 + 10 log10(B) + NF

où :

• B représente la largeur de bande en hertz ;
• NF représente le facteur de bruit du récepteur.

Avant même d’ajouter le facteur de bruit du récepteur, une bande de 125 kHz présente un bruit thermique d’environ :

−123 dBm

Une bande de 20 MHz se situe autour de :

−101 dBm

La différence est donc proche de 22 dB.

C’est énorme.

Ce simple calcul permet de comprendre une partie de la philosophie des technologies LPWAN.

En réduisant fortement la largeur de bande et le débit, puis en utilisant des techniques de modulation et de codage adaptées, il devient possible de détecter des signaux extrêmement faibles.

En contrepartie, transmettre la même quantité de données peut prendre beaucoup plus longtemps.

Nous retrouvons donc le compromis :

largeur de bande ↓ → bruit intégré ↓ → sensibilité potentielle ↑ → débit disponible ↓

Ce n’est évidemment pas l’unique mécanisme en jeu, mais il constitue une clé essentielle pour comprendre pourquoi certaines technologies longues portées peuvent fonctionner avec des puissances relativement modestes.

12. La perte en espace libre

Même dans un environnement parfait, sans mur, sans arbre et sans interférence, le signal reçu devient plus faible lorsque la distance augmente.

L’UIT utilise la propagation en espace libre comme référence fondamentale pour l’ingénierie radio. La recommandation UIT-R P.525 fournit notamment les méthodes de calcul correspondantes.

Une formule couramment utilisée est :

FSPL = 32,44 + 20 log10(f) + 20 log10(d)

avec :

• f exprimée en MHz ;
• d exprimée en kilomètres ;
• FSPL exprimée en dB.

Prenons une distance de 100 mètres.

À 868 MHz, la perte théorique en espace libre est d’environ 71 dB.

À 2,4 GHz, elle est proche de 80 dB.

À 5 GHz, elle dépasse 86 dB.

À distance identique, une fréquence plus élevée subit donc ici une perte en espace libre supérieure.

Mais ce calcul reste une référence idéale.

Dans le monde réel, l’environnement va ajouter bien d’autres phénomènes.

13. Le monde réel : réflexion, diffraction, absorption et trajets multiples

Une onde radio ne traverse pas un environnement comme une ligne géométrique parfaite entre deux points.

Elle rencontre des bâtiments, du métal, du verre, du béton, de la végétation, des véhicules, de l’eau, des machines et des personnes.

Plusieurs phénomènes apparaissent.

Réflexion

Une partie du signal peut rebondir sur une surface.

Dans un entrepôt métallique ou une usine, les réflexions peuvent être nombreuses.

Diffraction

Les ondes peuvent contourner partiellement certains obstacles.

Ce phénomène est particulièrement important lorsqu’une liaison n’est pas parfaitement en visibilité directe.

Absorption

Certains matériaux absorbent une partie de l’énergie radio.

Le corps humain lui-même contient beaucoup d’eau et peut affecter fortement certaines bandes.

Diffusion

Des surfaces irrégulières peuvent disperser le signal dans plusieurs directions.

Multi-trajets

Le récepteur peut recevoir plusieurs versions du même signal ayant suivi des chemins différents.

Certaines peuvent s’additionner.

D’autres peuvent s’annuler partiellement.

Le niveau reçu peut alors varier fortement lorsqu’on déplace l’équipement de seulement quelques centimètres.

C’est pour cette raison qu’une liaison radio excellente à un endroit précis peut devenir médiocre juste à côté.

14. Le cas de l’antenne installée « au mauvais endroit »

Imaginons un capteur radio correctement conçu.

Le constructeur annonce une bonne puissance d’émission.

Le récepteur possède une excellente sensibilité.

Sur le papier, le budget de liaison paraît confortable.

L’intégrateur installe pourtant l’équipement dans une armoire métallique.

La liaison devient instable.

Le problème n’est ni le protocole ni le firmware.

L’environnement immédiat de l’antenne détruit une partie des performances attendues.

Cette situation illustre un principe souvent sous-estimé :

Une excellente radio reliée à une mauvaise antenne, mal intégrée dans un boîtier ou installée dans un mauvais environnement devient une mauvaise liaison radio.

La position de l’antenne, son orientation, sa polarisation, son adaptation, la proximité du plan de masse, du boîtier, d’une batterie ou d’éléments métalliques font partie du système radio.

L’antenne ne doit jamais être considérée comme un simple accessoire ajouté à la fin du projet.

15. Pourquoi la portée annoncée par un constructeur doit être interprétée avec prudence

Les fiches techniques utilisent souvent des formulations telles que :

« jusqu’à 100 mètres »

« plusieurs kilomètres »

« longue portée »

Ces valeurs peuvent être parfaitement exactes dans les conditions de test du fabricant tout en étant pratiquement impossibles à reproduire dans un autre environnement.

La portée dépend notamment de :

la puissance d’émission + la sensibilité + les antennes + la fréquence + la modulation + la largeur de bande + les obstacles + les interférences + la hauteur + la réglementation + la marge de liaison

Dire qu’une technologie possède une portée de 100 mètres n’a donc pas beaucoup de sens sans préciser les conditions.

En radio, il vaut mieux demander :

quel budget de liaison ?

quelle puissance rayonnée ?

quelle sensibilité ?

quel débit ou quel mode PHY ?

quelle marge ?

quel environnement ?

quelles antennes ?

quelle hauteur ?

quelle réglementation ?

Cette manière de poser la question distingue rapidement une approche marketing d’une véritable approche d’ingénierie.

16. RSSI : une valeur utile mais dangereuse lorsqu’elle est utilisée seule

De nombreux systèmes fournissent un indicateur appelé RSSI, pour Received Signal Strength Indicator.

Il représente, selon les implémentations, une estimation du niveau de puissance reçu.

Un RSSI de −50 dBm correspond généralement à un signal beaucoup plus fort qu’un RSSI de −90 dBm.

Mais un signal fort n’est pas nécessairement un bon signal.

Imaginez deux personnes qui discutent dans une pièce.

La première parle très fort.

Mais dix autres personnes parlent en même temps.

Le niveau sonore est élevé, pourtant comprendre la conversation reste difficile.

La radio connaît un problème similaire.

C’est pourquoi il est souvent nécessaire d’observer également le rapport signal sur bruit, le niveau d’interférence, le taux d’erreur ou le nombre de retransmissions.

Dans les réseaux cellulaires, d’autres indicateurs tels que RSRP, RSRQ ou SINR permettent d’aller plus loin que la simple mesure d’un niveau de puissance.

Mesurer la force du signal sans mesurer sa qualité peut conduire à un mauvais diagnostic.

17. Portée montante et portée descendante ne sont pas toujours identiques

Une communication radio peut être asymétrique.

Une station de base disposant d’une alimentation permanente, d’antennes performantes, d’une puissance importante et d’un récepteur de qualité ne possède pas les mêmes capacités qu’un petit objet fonctionnant sur pile.

Il peut donc arriver qu’un objet entende parfaitement une infrastructure alors que l’infrastructure reçoit difficilement l’objet, ou inversement.

La portée doit alors être analysée dans les deux directions :

uplink : objet → infrastructure

downlink : infrastructure → objet

Cette question est particulièrement importante pour les objets à très basse consommation et certains réseaux longue portée.

Une architecture n’est opérationnelle que si le chemin complet nécessaire au service fonctionne.

Un capteur qui peut envoyer une mesure mais qui ne reçoit pas correctement les commandes, acquittements ou mises à jour n’offre pas nécessairement une communication satisfaisante.

18. La radio et l’énergie : transmettre n’est qu’une partie du problème

Dans un objet sur batterie, le transceiver radio peut représenter une partie importante de la consommation énergétique.

Mais une erreur fréquente consiste à observer uniquement le courant maximal pendant l’émission.

La véritable question est :

combien d’énergie faut-il pour accomplir la communication utile ?

Une approximation simple de l’énergie consommée pendant une phase radio est :

E = V × I × t

où :

• V représente la tension ;
• I le courant ;
• t la durée.

Un émetteur consommant 40 mA pendant 40 ms sous 3,3 V utilise approximativement :

5,3 mJ.

Un autre consommant 120 mA mais seulement pendant 5 ms utilise environ :

2 mJ.

Le second consomme trois fois plus de courant instantané, mais moins d’énergie pour cette opération.

Cela montre pourquoi la notion de « technologie basse consommation » doit être étudiée sur l’ensemble du cycle de fonctionnement.

Il faut considérer :

• le temps passé en veille ;
• le réveil du microcontrôleur ;
• le démarrage de la radio ;
• la recherche ou l’association au réseau ;
• l’écoute du canal ;
• la transmission ;
• la réception ;
• les acquittements ;
• les retransmissions ;
• le retour en veille.

Dans certains protocoles, écouter peut coûter presque autant d’énergie que transmettre.

19. Les retransmissions peuvent détruire une autonomie théorique

Supposons qu’un objet ait été conçu pour transmettre une mesure toutes les dix minutes.

Dans le laboratoire, chaque paquet est envoyé une seule fois.

L’estimation annonce plusieurs années d’autonomie.

Une fois installé, le signal traverse plusieurs murs et subit de fortes interférences.

Une partie des paquets doit être transmise deux, trois ou quatre fois.

L’objet passe davantage de temps réveillé.

Il écoute plus longtemps.

La batterie se vide beaucoup plus rapidement que prévu.

Le problème n’est donc pas seulement :

combien consomme le module radio ?

La vraie question est :

Combien d’énergie coûte une donnée effectivement livrée dans les conditions réelles du réseau ?

Cette notion sera particulièrement importante lorsque nous comparerons Bluetooth LE, Wi-Fi, LoRaWAN, NB-IoT et LTE-M.

20. Le temps d’occupation radio : ce que coûte réellement un paquet

Le Time on Air représente le temps pendant lequel un message occupe le canal radio.

Une technologie très longue portée peut avoir besoin de transmettre un paquet pendant beaucoup plus longtemps qu’une technologie à haut débit.

Cela crée plusieurs conséquences.

Premièrement, l’émetteur reste actif plus longtemps.

Deuxièmement, le canal est occupé plus longtemps.

Troisièmement, la probabilité de collision avec d’autres transmissions peut augmenter.

Quatrièmement, certaines réglementations imposent des limites d’occupation ou de duty cycle dans certaines bandes.

Il existe donc un compromis subtil.

Une transmission lente peut permettre une excellente sensibilité et une longue portée, mais ne convient pas nécessairement à une caméra ou à une application exigeant un flux continu.

Une transmission très rapide peut libérer le canal rapidement, mais nécessiter davantage de bande passante et un rapport signal sur bruit plus favorable.

21. Les principales architectures radio

Le choix d’une technologie doit également tenir compte de la topologie du réseau.

Liaison point à point

Deux équipements communiquent directement.

C’est l’architecture la plus simple conceptuellement.

Étoile

De nombreux objets communiquent avec un point central.

Le Wi-Fi domestique ou de nombreux réseaux LPWAN suivent en partie cette logique.

Mesh

Plusieurs équipements peuvent relayer les messages d’autres équipements.

Le mesh peut étendre la couverture, mais augmente la complexité : routage, consommation, latence, synchronisation, maintenance et sécurité.

Réseau cellulaire

L’objet communique avec une infrastructure opérateur composée de stations radio, d’un cœur de réseau et de systèmes de gestion.

L’organisation, l’authentification et la mobilité sont alors largement prises en charge par cette infrastructure.

Architecture avec gateway

De nombreux systèmes IoT utilisent une passerelle faisant la transition entre deux mondes.

Par exemple :

capteurs radio locaux → gateway → IP → Internet ou réseau privé → plateforme

La gateway peut effectuer de la traduction protocolaire, de l’agrégation de données, du traitement local ou de la sécurité.

Mais elle peut également devenir un point de concentration et de dépendance critique.

22. Une gateway change également le modèle de sécurité

Considérons cent capteurs communiquant uniquement avec une gateway.

Une compromission isolée d’un capteur reste potentiellement limitée à ce capteur.

Une compromission de la gateway peut exposer les communications des cent équipements, les identifiants, la configuration réseau et le chemin vers le système d’information.

L’architecture radio influence donc directement l’architecture de sécurité.

Cela montre pourquoi le choix entre :

connexion directe au réseau

et

communication locale + passerelle

ne doit jamais être traité uniquement comme une décision de connectivité.

Il affecte également :

• le modèle de confiance ;
• les dépendances ;
• la segmentation ;
• la disponibilité ;
• la maintenance ;
• les mises à jour ;
• les capacités de supervision ;
• la surface d’attaque.

23. Coexistence radio : plusieurs technologies utilisent parfois le même environnement spectral

La bande autour de 2,4 GHz constitue un excellent exemple.

Wi-Fi, Bluetooth, certaines implémentations IEEE 802.15.4, de nombreux équipements propriétaires et d’autres systèmes peuvent y fonctionner simultanément.

La conséquence est évidente : tous ces équipements doivent partager une ressource physique commune.

Bluetooth LE utilise notamment des mécanismes de saut de fréquence adaptatif afin d’éviter progressivement certains canaux jugés défavorables. La spécification répartit son fonctionnement principal sur 40 canaux de 2 MHz et permet d’écarter certains canaux lorsque les conditions se dégradent.

Cela ne signifie pas que les interférences disparaissent.

Cela signifie que la technologie tente de les gérer.

Un environnement radio est dynamique.

Un canal propre à 3 heures du matin peut devenir saturé à 10 heures.

Un réseau fonctionnant correctement dans un bâtiment vide peut se dégrader lorsque des centaines d’utilisateurs arrivent avec leurs téléphones, ordinateurs et points d’accès.

24. La robustesse radio ne se juge pas uniquement pendant l’installation

Un test réalisé une fois ne suffit pas pour conclure qu’une infrastructure radio est robuste.

Il faut considérer différentes conditions :

jour et nuit ;

faible et forte occupation ;

portes ouvertes et fermées ;

machines arrêtées et en fonctionnement ;

saison sèche et saison des pluies dans certains environnements ;

végétation faible ou dense ;

mobilité des personnes ou véhicules ;

évolution du nombre d’équipements.

Dans les installations importantes, une véritable ingénierie radio nécessite donc des mesures, de la documentation et parfois une surveillance continue.

25. Radio et cybersécurité : la frontière physique disparaît

Un câble Ethernet impose généralement qu’un attaquant atteigne physiquement le câble ou l’infrastructure qui le transporte, sauf s’il attaque le réseau depuis un autre point connecté.

Une interface radio change cette logique.

Le signal quitte physiquement le boîtier.

Il traverse parfois des murs, des clôtures ou les limites d’un site.

La première conséquence est que l’attaquant potentiel n’a plus nécessairement besoin de toucher physiquement l’objet.

Il peut tenter d’observer ou d’interagir avec la communication depuis l’environnement radio.

Cela introduit notamment plusieurs familles de risques :

écoute passive, lorsque l’attaquant tente d’observer les échanges ;

usurpation, lorsqu’un équipement tente de se faire passer pour un autre ;

rejeu, lorsqu’une transmission valide est capturée puis retransmise ;

brouillage, lorsqu’un signal parasite empêche ou dégrade la communication ;

attaque sur l’association ou l’appairage, selon la technologie ;

déni de sommeil, lorsque l’interface radio est utilisée pour maintenir inutilement un équipement sur batterie actif ;

analyse de métadonnées, lorsque la communication reste chiffrée mais révèle malgré tout certains comportements ou identifiants.

Les mécanismes exacts seront étudiés dans les futurs cours.

Il faut cependant retenir immédiatement une idée :

Le chiffrement protège certaines propriétés de la communication. Il ne fait pas disparaître la physique de la radio.

Une liaison parfaitement chiffrée peut toujours subir du brouillage.

La présence d’un équipement peut parfois être détectée même si son contenu est chiffré.

Et une mauvaise procédure d’appairage peut affaiblir un excellent algorithme cryptographique.

26. La portée de l’attaquant n’est pas forcément celle du produit

C’est une erreur importante dans les analyses de sécurité radio.

Un constructeur peut annoncer que son objet fonctionne correctement à cinquante mètres.

On pourrait alors considérer qu’un attaquant doit se trouver à moins de cinquante mètres.

Pas nécessairement.

L’équipement légitime utilise peut-être une petite antenne intégrée avec un gain limité.

Un observateur pourrait utiliser une antenne plus performante, mieux positionnée et un récepteur plus sensible.

Pour une écoute passive, il n’a même pas nécessairement besoin d’établir une liaison bidirectionnelle.

La zone dans laquelle une transmission peut être détectée ou observée peut donc être différente de la zone dans laquelle deux équipements commerciaux sont capables de communiquer normalement entre eux.

Cette distinction entre portée opérationnelle et portée d’observation potentielle est très importante en cybersécurité radio.

27. « Courte portée » ne signifie pas « sécurisé »

NFC illustre bien ce piège.

Une portée très courte réduit naturellement certaines possibilités d’interaction.

Mais proximité physique et authentification cryptographique sont deux choses différentes.

Bluetooth possède le même type de problème conceptuel : une liaison courte portée ne doit pas être considérée comme sûre uniquement parce qu’un attaquant est supposé être éloigné.

La sécurité doit être assurée par :

• l’authentification ;
• la gestion des clés ;
• le chiffrement ;
• la protection contre le rejeu ;
• la conception correcte des protocoles ;
• la sécurité du firmware ;
• la gestion du cycle de vie.

La distance est une propriété physique utile.

Elle ne remplace pas un mécanisme de sécurité.

28. LPWAN n’est pas une technologie unique

Le terme LPWAN, pour Low Power Wide Area Network, désigne une famille de technologies conçues pour permettre notamment des communications longues distances avec des objets à consommation réduite.

Il ne désigne donc pas un protocole unique.

LoRaWAN appartient à cette famille.

NB-IoT et LTE-M y appartiennent également dans la catégorie des technologies cellulaires normalisées par le 3GPP.

La GSMA continue d’ailleurs à présenter NB-IoT et LTE-M comme deux technologies LPWA complémentaires intégrées à l’évolution 5G et destinées à rester utilisées sur le long terme.

La différence d’architecture est cependant majeure.

LoRaWAN peut être déployé dans un réseau privé utilisant des bandes exemptes de licence individuelle selon la réglementation locale.

NB-IoT et LTE-M utilisent généralement une infrastructure opérateur et du spectre licencié.

Dire simplement « je veux du LPWAN » ne suffit donc absolument pas à définir une architecture.

29. Quelques repères avant les futurs cours

Ce tableau n’est volontairement pas une fiche de performances.

Écrire « Bluetooth = 100 mètres » ou « LoRaWAN = 15 kilomètres » donnerait une illusion de précision.

Nous savons maintenant pourquoi ces chiffres ne peuvent être interprétés qu’avec leurs conditions techniques.

30. Étude de cas — Superviser une installation hydraulique distante

Considérons maintenant un cas d’ingénierie.

Une installation hydraulique située à plusieurs kilomètres d’un centre technique contient :

• un capteur de niveau ;
• un capteur de pression ;
• un compteur ;
• une vanne motorisée ;
• un système local de contrôle.

Les capteurs transmettent quelques dizaines d’octets toutes les quinze minutes.

Le système doit fonctionner plusieurs années.

Certaines zones sont difficiles d’accès.

Une commande distante de fermeture peut occasionnellement être nécessaire.

La couverture Internet locale n’est pas garantie partout.

Comment choisir la technologie radio ?

La mauvaise méthode consisterait à ouvrir immédiatement un catalogue et à chercher « le module qui porte le plus loin ».

La bonne méthode commence par les contraintes.

Quantité de données

Quelques dizaines d’octets toutes les quinze minutes représentent un besoin de débit très faible.

Le Wi-Fi possède donc probablement beaucoup plus de capacité que nécessaire.

Mais cela ne suffit pas à l’exclure : d’autres critères doivent être évalués.

Distance

Plusieurs kilomètres rendent une liaison Bluetooth traditionnelle peu naturelle sans architecture intermédiaire.

Des technologies LPWAN ou cellulaires deviennent logiquement intéressantes.

Énergie

Si les capteurs doivent fonctionner sur batterie plusieurs années, l’association réseau, le temps d’écoute, la fréquence des transmissions et les retransmissions deviennent critiques.

Infrastructure disponible

Une couverture NB-IoT ou LTE-M réellement disponible sur le site changerait complètement l’analyse.

L’existence d’un point haut pouvant accueillir une gateway LoRaWAN pourrait également modifier l’architecture.

Commande descendante

Le besoin de commander une vanne signifie que la liaison ne peut pas être étudiée uniquement comme un système de télémétrie montante.

La disponibilité du downlink, sa latence et sa fiabilité deviennent importantes.

Criticité

Une mesure retardée peut être acceptable.

Une commande de fermeture d’urgence ne possède pas nécessairement la même tolérance.

On pourrait donc découvrir que les deux fonctions ne doivent même pas utiliser exactement le même niveau de confiance ou de redondance.

Réglementation

Le plan de fréquences et les puissances utilisées doivent être compatibles avec la réglementation nationale.

Sécurité

Une commande de vanne nécessite une authentification forte, une protection contre le rejeu, une gestion rigoureuse des clés et une journalisation appropriée.

Nous voyons ici pourquoi la question :

« LoRaWAN ou 4G ? »

est posée trop tôt.

La vraie question est :

Quelles propriétés de communication notre système doit-il garantir dans son environnement réel ?

31. Une méthode professionnelle en douze questions

Avant de choisir une technologie radio pour un projet IoT, il faut pouvoir répondre au minimum aux questions suivantes.

1. Quelle quantité de données doit être transmise ?

Quelques octets par jour ? Plusieurs kilooctets par minute ? De l’audio ? De la vidéo ?

2. À quelle fréquence ?

Une fois par jour ? Toutes les minutes ? En continu ?

3. Quelle latence est acceptable ?

Une seconde ? Une minute ? Plusieurs heures ?

4. Quelle distance réelle doit être couverte ?

Quelques centimètres ? Une pièce ? Un bâtiment ? Plusieurs kilomètres ?

5. Quel est l’environnement ?

Intérieur, extérieur, sous-sol, industrie métallique, zone urbaine dense, végétation, milieu mobile ?

6. Quelle autonomie énergétique est nécessaire ?

Alimentation secteur, batterie rechargeable, pile devant tenir dix ans ?

7. Quelle infrastructure existe déjà ?

Wi-Fi, réseau mobile, gateway, fibre, Ethernet, alimentation ?

8. Combien d’équipements seront déployés ?

Dix objets et dix mille objets ne créent pas la même charge radio ni les mêmes enjeux de gestion.

9. La communication doit-elle être bidirectionnelle ?

Télérelève seulement ou également commande, configuration et mise à jour ?

10. Quelles contraintes réglementaires s’appliquent ?

Bande autorisée, puissance, duty cycle, certification et homologation.

11. Quelle criticité ?

Que se passe-t-il si un paquet est perdu ? Si le lien disparaît pendant une heure ? Si une commande arrive en retard ?

12. Quel modèle de menace ?

Qui peut écouter le signal ? Qui peut émettre dans cette bande ? Quelles fonctions seraient dangereuses en cas d’usurpation, de rejeu ou de brouillage ?

Lorsque ces douze questions sont correctement renseignées, le choix technologique devient beaucoup plus rationnel.

32. Les erreurs de raisonnement les plus fréquentes

« Plus de puissance signifie automatiquement plus de portée »

Pas nécessairement. La sensibilité, l’antenne, le bruit, la fréquence et l’environnement sont tout aussi importants.

« Une fréquence plus basse porte toujours plus loin »

Elle peut offrir certains avantages de propagation, mais le résultat final dépend de l’ensemble du système.

« RSSI élevé signifie bonne liaison »

Pas nécessairement. Un signal fort entouré d’interférences peut produire une mauvaise communication.

« Le débit annoncé est le débit disponible pour l’application »

Faux. Les protocoles, le partage du canal, les retransmissions et les en-têtes réduisent le débit utile.

« Une technologie basse consommation consomme toujours moins »

Il faut calculer l’énergie sur l’ensemble du cycle de communication.

« Une liaison courte portée est naturellement sécurisée »

La sécurité ne peut pas reposer uniquement sur la distance.

« Une bande sans licence peut être utilisée sans contrainte »

Faux. L’utilisation du spectre reste encadrée.

« Une portée annoncée de 10 km garantit 10 km sur le terrain »

Absolument pas.

33. Ce que l’ingénieur regarde réellement sur le terrain

À ce stade, plusieurs indicateurs doivent commencer à faire partie de notre vocabulaire.

Puissance d’émission : énergie envoyée par le système radio.

EIRP : puissance effectivement rayonnée en prenant notamment en compte l’antenne.

RSSI : estimation du niveau de signal reçu.

SNR ou SINR : rapport entre le signal utile et le bruit ou les interférences.

Sensibilité : niveau minimal permettant au récepteur de décoder correctement.

PER / Packet Error Rate : proportion de paquets reçus incorrectement ou perdus.

Retries : nombre de retransmissions nécessaires.

Time on Air : durée d’occupation radio du message.

Duty Cycle : proportion de temps pendant laquelle l’équipement transmet.

Link Margin : réserve disponible avant que la liaison ne devienne inutilisable.

Aucun de ces indicateurs ne raconte toute l’histoire à lui seul.

C’est leur combinaison qui permet de comprendre réellement une liaison.

34. Ce qu’il faut retenir

Une communication radio n’est pas une abstraction.

Elle commence par une donnée numérique, mais elle finit nécessairement par être soumise aux lois de la physique.

Les bits sont organisés en paquets, transformés en symboles puis transportés par un signal radio. L’antenne, la fréquence, la puissance, le bruit, la modulation et l’environnement déterminent ensuite ce qu’il reste de ce signal lorsqu’il atteint le récepteur.

La portée n’est donc jamais une propriété simple d’un protocole.

Elle résulte d’un budget de liaison.

La puissance d’émission ne suffit pas.

La sensibilité du récepteur compte.

La largeur de bande compte.

Le rapport signal sur bruit compte.

L’antenne compte.

L’environnement compte.

La réglementation compte.

Et la marge disponible compte.

Nous avons également vu que la recherche de portée entraîne généralement des compromis. Les systèmes à bande étroite peuvent obtenir d’excellentes sensibilités, mais acceptent des débits plus faibles. Les technologies à grande capacité utilisent davantage de bande et imposent d’autres contraintes. Les réseaux cellulaires apportent une infrastructure sophistiquée, tandis que d’autres architectures s’appuient sur des gateways privées.

La consommation énergétique doit elle aussi être étudiée comme un système. Un module qui consomme peu pendant l’émission peut devenir inefficace s’il passe beaucoup de temps à écouter, s’associer ou retransmettre.

Enfin, le passage du filaire au radio transforme également le modèle de sécurité. Le signal dépasse le boîtier. L’attaquant n’a plus nécessairement besoin d’un accès physique direct. Écoute, rejeu, usurpation, brouillage et épuisement énergétique deviennent des scénarios qu’il faut intégrer dès la conception.

La radio n’est pas seulement un moyen de transporter les données. Elle constitue une couche d’architecture, une contrainte énergétique, une ressource réglementée et une surface d’exposition.

C’est cette vision globale qui nous permettra maintenant d’étudier correctement chaque grande famille de technologies.

Quiz d’auto-évaluation

Conclusion

Nous venons de franchir une étape importante.

Jusqu’ici, la communication apparaissait dans l’architecture IoT comme une simple flèche reliant l’objet au réseau.

Cette flèche contient en réalité un monde entier.

Elle contient des bits, des symboles, une modulation, un émetteur, une antenne, du spectre, du bruit, des obstacles, des interférences, un récepteur et des protocoles.

Elle contient aussi des contraintes d’énergie, de réglementation, de sécurité et d’architecture.

Nous disposons maintenant du vocabulaire et des modèles nécessaires pour entrer dans l’étude des technologies elles-mêmes.

La prochaine question ne sera donc plus :

« Quelle technologie porte le plus loin ? »

mais :

« Quel compromis radio cette technologie réalise-t-elle, et pour quel type de système a-t-elle réellement été conçue ? »

Prochaine étape — Bluetooth, Bluetooth Low Energy, Wi-Fi et NFC

Dans le prochain cours, nous entrerons dans les technologies de proximité. Nous verrons pourquoi Bluetooth Classic et Bluetooth Low Energy ne répondent pas exactement aux mêmes besoins, comment le Wi-Fi privilégie la capacité et l’intégration IP, pourquoi NFC appartient à une logique physique différente et comment ces technologies peuvent parfois coexister dans un même objet.

Nous commencerons également à observer leurs mécanismes de découverte, d’association, d’adressage et de sécurité afin de comprendre comment une simple interface radio devient progressivement une véritable interface système.

Références techniques de base

Ce cours s’appuie notamment sur les principes et spécifications de référence suivants :

• UIT-R P.525-5 — Calculation of free-space attenuation, édition en vigueur de novembre 2024.
• Bluetooth SIG — Bluetooth Core Specification 6.3, adoptée le 5 mai 2026.
• Bluetooth SIG — Bluetooth Low Energy Primer.
• NFC Forum — spécifications et présentation technique NFC, incluant NFC Release 15.
• LoRa Alliance — LoRaWAN Regional Parameters RP002-1.0.5.
• GSMA — Mobile IoT Deployment Guide, édition 2026, pour NB-IoT et LTE-M.