Construire un répéteur MeshCore urbain avec un RAK10724

L’environnement urbain constitue l’un des contextes les plus contraignants pour exploiter un réseau Mesh LoRa (exception faite des sites spécifiquement aménagés pour la radio (pylônes, sites d’antennes, relais, infrastructures TDF, etc). En ville, la propagation radio est fortement conditionnée par la morphologie urbaine : bâtiments, rues, reliefs artificiels et obstacles rendent difficile l’établissement d’une liaison lorsque les antennes ne bénéficient pas d’une ligne de vue directe. À cela s’ajoutent les matériaux rencontrés sur le trajet radio. Béton armé, structures métalliques, vitrages ou encore murs épais peuvent fortement atténuer le signal et transformer la ville en une succession de zones d’ombre radio.

À ces contraintes de propagation s’ajoute un autre problème, moins visible : la pollution électromagnétique. En ville, les bandes radio sont soumises à un environnement nettement plus dense et chargé que dans une zone rurale. Le niveau de bruit reçu par le récepteur peut limiter la capacité à décoder des signaux pourtant suffisamment puissants, et réduire concrètement la portée exploitable d’une liaison.

L’objectif sera donc dans cette article de mettre en œuvre un ensemble cohérent de bonnes pratiques RF : comme choisir une antenne correctement accordée, limiter les pertes dans la liaison coaxiale, utiliser des connecteurs et raccordements adaptés et, plus généralement, éviter que l’énergie disponible ne soit inutilement dissipée avant d’atteindre l’antenne pour exploiter au mieux le potentiel du répéteur. Quelques décibels perdus inutilement dans cette chaîne peuvent rapidement annuler une partie du bénéfice apporté par une antenne performante ou par l’augmentation de la puissance d’émission.

Pourquoi le RAK10724 ?

Le principal intérêt du RAK10724 ne réside pas uniquement dans sa puissance d’émission pouvant atteindre 30 dBm. Son véritable avantage est son architecture FEM (Front-End Module), qui intègre l’ensemble des fonctions RF nécessaires à la gestion propre de la chaîne d’émission et de réception.

Un filtre SAW embarqué

Entre la puce SX1262 et le couple PA + LNA, le RAK10724 intègre notamment un filtre SAW RF360 de Qualcomm, assurant une sélectivité supplémentaire de la chaîne RF.

Ce filtre joue un rôle particulièrement intéressant en environnement urbain. Un récepteur LoRa ne doit pas uniquement être capable de détecter un signal très faible : il doit également être capable de le faire alors que d’autres signaux, parfois beaucoup plus puissants, sont présents autour de lui.

Un émetteur situé à proximité peut en effet injecter dans la chaîne de réception un signal suffisamment puissant pour perturber le fonctionnement du récepteur. Celui-ci peut alors subir de la désensibilisation : sa sensibilité effective se dégrade et les signaux LoRa faibles qu’il était normalement capable de décoder deviennent plus difficiles, voire impossibles, à recevoir.

Le filtre SAW contribue à limiter ce problème en apportant une meilleure réjection des signaux situés en dehors de la bande utile avant qu’ils n’atteignent les étages sensibles du récepteur. Il ne supprime évidemment pas les interférences présentes dans la bande LoRa et ne garantit pas l’absence de désensibilisation, mais il constitue une protection supplémentaire particulièrement pertinente lorsque le répéteur est installé sur un point haut en environnement urbain.

C’est donc un avantage qui ne se mesure pas uniquement par une valeur de sensibilité exprimée en dBm. Dans notre configuration MeshCore SF8 / BW 125 kHz, la partie FEM (RAK13302) spécifie une sensibilité de −128 dBm. Cette valeur constitue notre référence pour le bilan radio. Mais la capacité du récepteur à conserver cette performance en présence de signaux indésirables dépend également de l’ensemble de son architecture RF et de sa sélectivité.

Le RAK10724 apporte ainsi une réponse intégrée à une partie de ces contraintes, sans qu’il soit nécessaire de construire soi-même une chaîne composée d’un module LoRa, d’un PA, d’un LNA et d’un filtrage externe.

Et le prix ?

Oui, le RAK10724 est relativement cher face à un module LoRa classique. Mais la comparaison doit tenir compte de ce qu’il faudrait ajouter pour obtenir une chaîne RF comparable.

À partir d’un module SX1262 classique, il faudrait potentiellement ajouter :

• • • un filtre SAW : environ 25 € selon le modèle et le fournisseur, hors frais de port ;
    • un amplificateur de puissance adapté à la puissance recherchée ;
    • éventuellement les éléments nécessaires à la gestion et à l’alimentation de cet amplificateur ;
    • le câblage et les connecteurs nécessaires à l’intégration ;
    • et surtout, gérer les pertes supplémentaires introduites par chaque élément de la chaîne RF.

À cela s’ajoute la difficulté de réaliser correctement l’intégration RF. Un PA ajouté à un module existant ne constitue pas automatiquement une meilleure solution : adaptation d’impédance, filtrage, alimentation, dissipation thermique et qualité du signal émis doivent être correctement maîtrisés.

Le RAK10724 présente donc un intérêt particulier dans une approche « solution intégrée / sur étagère » : une partie importante de la chaîne RF est déjà conçue et intégrée autour du SX1262 d’un filtre SAW (Surface Acoustic Wave) et d’un PA/LNA SKY66122. Son surcoût doit ainsi être comparé non pas à celui d’un simple module LoRa SX1262, mais à celui d’une chaîne RF complète capable de fournir les mêmes fonctionnalités.

Sa puissance d’émission constitue également un avantage lorsqu’il est nécessaire de déporter l’antenne du boîtier. Installer l’antenne plus haut, ou dans une position offrant une meilleure dégagement radio, peut apporter un gain de propagation bien plus intéressant que de conserver l’antenne directement sur le boîtier. Cette installation impose toutefois une longueur de câble coaxial plus importante et donc des pertes supplémentaires.

La puissance disponible sur le RAK10724 permet de disposer d’une marge supplémentaire pour compenser ces pertes, à condition de rester dans les limites réglementaires applicables à l’installation complète. Il ne s’agit donc pas simplement de « mettre plus de puissance », mais de pouvoir arbitrer plus librement entre puissance d’émission, pertes coaxiales et positionnement de l’antenne.

Au final, l’intérêt du RAK10724 ne se limite donc pas à son niveau de puissance : son intégration RF, son filtrage et cette marge disponible pour la liaison coaxiale en font une solution particulièrement intéressante pour réaliser un répéteur urbain compact, performant et relativement simple à mettre en œuvre.

Attention : le RAK10724 a évolué depuis sa commercialisation. La première version utilisait un RAK13302 VC permettant de sélectionner l’alimentation batterie ou 5 V externe. Les versions actuelles utilisent un RAK13302 VD, décliné en deux variantes matérielles distinctes : Battery ou External 5V (Documentation officielle RAKwireless — RAK10724 / WisMesh Starter Kit).

La fabrication

Ce répéteur n’est pas né d’un plan de conception figé dès le départ. Il a connu trois versions de conception, chacune ayant permis d’améliorer ou de simplifier certains aspects du montage.

La première itération de ce prototype est d’ailleurs toujours installée sur mon toit à ce jour. Après plusieurs mois de fonctionnement, elle répond parfaitement aux contraintes identifiées au début de cet article : exposition aux conditions extérieures, autonomie énergétique et surtout fonctionnement dans un environnement radio urbain particulièrement contraint.

Les évolutions qui ont suivi ne sont donc pas la conséquence d’un prototype qui ne fonctionnait pas, mais plutôt d’une volonté de faire évoluer la conception à partir de l’expérience acquise sur le terrain. La version présentée dans cet article reprend ces enseignements et cherche à proposer une réalisation plus aboutie, tout en restant relativement simple à reproduire.

Schéma de principe (Base)

Liste de matériel (BOM)

• • • 1 x Carte WisMesh 1W – RAK10724 – External 5V -8XX (Ali Rakwireless) ou (Store constructeur)
    • 1 x Waveshare Solar Power Manager Module (D)
    • 1 x Module RTC – Micro Crystal RV-3028-C7 – RAK12002 (Option)
    • 1 x Capteur de température & humidité – Sensirion SHTC3 – RAK1901 (Option)
    • 3 x Batteries Li-Ion 18650 Murata US18650VTC6 3120mAh – 30A
    • 1 x Boitier ABS IP67 150x150x90 [grey15015090]
    • 1 x Panneau solaire 5 à 6 Watts  pour le sud, ou 9 Watts pour le nord
    • 1 x Antenne colinéaire OPA-Design 868 MHz 4.4 dBi
    • 1 x Câble RG58 Type N mâle-mâle 30 cm
    • 1 x Connecteur écrou Type N Femelle 10 cm
    • 1 x Presse étoupe PG7 ou Connecteur étanche SP13 IP68 2 broches [Back Nut]
    • 1 x Valve de ventilation M8x1.25
    • 1 x Filtre cavité Sysmocom (Option ++)
    • 1 x Connecteur USB-C avec bouchon étanche (Option +++)

Les petits plus apportés au fil des itérations

Toutes les évolutions n’ont pas consisté à modifier la partie radio ou à chercher davantage de performances. Certaines répondent simplement à des problèmes rencontrés en exploitation, tandis que d’autres permettent d’anticiper les évolutions futures de l’installation. C’est notamment le cas de quelques composants que j’ai choisi d’intégrer en option.

Le module RTC

Cet ajout concerne la gestion de l’heure avec un RTC (Real Time Clock). Le choix s’est porté sur le Micro Crystal RV-3028-C7, proposé par RAKwireless sous la référence RAK12002. Cela peut sembler assez secondaire pour un répéteur, mais l’heure a son importance dans MeshCore. Certains mécanismes du protocole reposent sur une référence temporelle et une dérive de l’horloge peut devenir problématique lorsque le répéteur fonctionne de manière autonome pendant une longue période.

Sur un équipement que l’on installe quelque part et que l’on souhaite ensuite laisser fonctionner pendant des semaines ou des mois, je trouve donc intéressant de disposer d’une référence de temps locale et stable, notamment lorsque le répéteur ne peut pas régulièrement récupérer une heure fiable auprès d’une source externe.

Le RTC n’est évidemment pas indispensable au fonctionnement du répéteur. C’est plutôt une petite amélioration qui prend tout son sens dans une installation destinée à fonctionner longtemps sans intervention.

Le capteur de température et d’humidité

Autre ajout, beaucoup plus orienté vers la surveillance du système : le capteur de température et d’humidité Sensirion SHTC3, proposé par RAKwireless sous la référence RAK1901.

L’intérêt n’est pas simplement de savoir s’il fait chaud ou froid dans le boîtier. En disposant à la fois de la température et de l’humidité relative, il devient notamment possible de déterminer le point de rosée (dew point). Cette donnée est particulièrement intéressante pour un équipement installé à l’extérieur. Une humidité élevée ne signifie pas forcément qu’il y aura condensation, mais lorsque la température des parois ou des composants se rapproche du point de rosée, le risque de condensation augmente.

On peut ainsi surveiller plus finement les conditions réelles dans lesquelles fonctionne l’électronique et, éventuellement, comprendre certains problèmes qui pourraient apparaître avec les variations de température entre le jour et la nuit ou au fil des saisons.

Là encore, ce capteur reste optionnel. Il s’agit surtout d’un moyen de mieux connaître ce qui se passe réellement à l’intérieur du boîtier, plutôt que de simplement supposer que tout va bien.

Le connecteur étanche SP13 IP68 2 broches

Cette évolution répond à une problématique encore différente : la possibilité de faire évoluer la partie photovoltaïque de l’installation. Au départ, le panneau solaire est dimensionné en fonction de la consommation estimée du répéteur. Mais cette consommation peut évoluer, tout comme les conditions d’ensoleillement ou les besoins énergétiques selon la saison.

J’ai donc préféré utiliser un connecteur SP13 IP68 2 broches avec écrou arrière (Back Nut) plutôt que de faire entrer directement le câble dans le boîtier au travers d’un presse-étoupe.

Il assure bien évidemment une liaison étanche, mais il apporte surtout une certaine scalabilité à la partie photovoltaïque. Il devient possible de remplacer le panneau par un modèle plus puissant, ou de faire évoluer l’installation solaire, sans devoir modifier le boîtier ou refaire toute son intégration interne. C’est typiquement le genre de détail qui ne change rien au fonctionnement du répéteur le jour de sa mise en service, mais qui peut éviter de mauvaises surprises quelques mois plus tard.

Le connecteur USB-C avec bouchon étanche

Enfin, dernière évolution et probablement la plus optionnelle : l’ajout d’un connecteur USB-C avec bouchon étanche. Le principe est tout simplement de conserver un accès USB depuis l’extérieur du boîtier, sans avoir à ouvrir celui-ci pour intervenir sur le répéteur.

Cela peut paraître anecdotique, mais une fois le boîtier installé à l’extérieur, potentiellement en hauteur, chaque ouverture devient une petite opération de maintenance. Il faut ouvrir le boîtier, interrompre éventuellement le fonctionnement, puis surtout s’assurer que le joint et la fermeture sont correctement remis en place. Avec ce connecteur, l’accès USB reste disponible tout en conservant la protection du boîtier lorsqu’il n’est pas utilisé.

Concevoir une chaîne RF performante… sans sortir du cadre réglementaire

Après avoir déterminé le type d’antenne le plus adapté (dans mon cas en urbain l’OPA-Design 868 MHz 4.4 dBi), il reste une étape que je considère essentielle, mais qui est pourtant souvent négligée : vérifier que l’ensemble de la chaîne radio est à la fois performant et conforme à la réglementation.

Lorsque l’on échange sur les forums ou les groupes dédiés à MeshCore, les discussions tournent souvent autour de la puissance d’émission, du gain des antennes ou du choix du câble coaxial. Chacun de ces éléments influence effectivement les performances d’un répéteur, mais ils ne doivent jamais être considérés indépendamment les uns des autres.

En réalité, c’est l’ensemble de la chaîne RF qui détermine la puissance réellement rayonnée par l’installation.

La qualité du câble

Dans un premier temps évoquons les pertes liées aux connexions câblés. Il n’est pas évident de faire son marché dans le domaine. On doit indépendamment de la qualité du câbles admettre que plus ce dernier sera court moins il y aura de perte. Sauf à réaliser soi-même le sertissage des connectiques, dans la plus part des cas, nous allons devoir faire l’achat arbitraire de longueurs prédéfinies (15, 30, 50 cm ou encore 1, 2, 3, 5 m…).

Afin de vous éclairer sur les choix, et l’optimisation de vos fabrications, prenez conscience qu’un câble avec peu de pertes sera le plus souvent plus rigide (blindage), et inversement plus souple avec plus de pertes. Il y aura donc dans vos choix des priorités liés à l’espace nécessaire pour faire un virage à l’intérieur et l’extérieur du boitier. A titre d’exemple voici un tableau identifiant les câbles les plus représentatif du marché :

Le filtre cavité

Un filtre cavité est un filtre radiofréquence mécanique très sélectif qui permet de ne laisser passer qu’une plage de fréquences déterminée. Il est constitué d’une ou plusieurs cavités métalliques résonantes. Chaque cavité est accordée sur une fréquence donnée : les signaux situés dans la bande de fonctionnement traversent le filtre avec relativement peu d’atténuation, tandis que les fréquences éloignées de cette bande sont fortement atténuées.

Son principal bénéfice est de réduire les signaux indésirables reçus par l’antenne. Sur un site urbain ou un point haut fortement exposé aux émissions radio, cela permet notamment de limiter les risques de saturation et de désensibilisation du récepteur. Un filtre cavité peut donc améliorer la capacité du récepteur à détecter et décoder les signaux MeshCore faibles en présence de signaux beaucoup plus puissants sur des fréquences voisines.

Le filtre cavité n’est pas indispensable lorsque la chaîne RF est correctement conçue : antenne correctement accordée autour de 869 MHz, câbles et connecteurs de qualité, et filtrage SAW déjà intégré au RAK10724.

Il s’agit d’une solution supplémentaire, à la fois coûteuse et potentiellement génératrice de pertes d’insertion. Elle doit donc être envisagée en dernier recours, uniquement lorsque le niveau de bruit ou les perturbations constatées sur le site restent problématiques malgré une chaîne RF correctement réalisée.

L’approche consiste donc à optimiser d’abord l’installation existante avant d’ajouter du filtrage supplémentaire. Le filtre cavité devient alors une réponse à un problème identifié sur le terrain, et non un composant systématique de la réalisation.

Et si le répéteur générait lui-même des perturbations ?

Jusqu’ici, je me suis surtout intéressé aux perturbations venant de l’extérieur : les nombreux émetteurs présents en ville, le bruit radio ambiant, les signaux puissants qui peuvent venir perturber notre petit répéteur.

Mais il y a un autre problème auquel je n’avais pas forcément pensé au départ : et si le répéteur se perturbait lui-même ?

Dans notre montage, le panneau solaire et les batteries sont reliés à un Solar Power Manager, qui se charge ensuite d’alimenter le RAK10724. Or, cette électronique n’est pas simplement un morceau de fil : elle embarque des circuits de conversion et de régulation qui peuvent eux-mêmes générer du bruit électrique.

Ce bruit peut circuler sur les lignes d’alimentation, mais il peut aussi se propager autrement dans le montage et finir par atteindre la partie radio. Et c’est là que le problème devient intéressant : on demande à notre récepteur de décoder des signaux LoRa extrêmement faibles tout en installant, à quelques centimètres de lui, une électronique susceptible de générer ses propres perturbations.

Heureusement, le RAK13302, qui constitue la partie radio du RAK10724, n’est pas complètement dépourvu de protections. La chaîne RF intègre notamment un filtre SAW, et la partie radio est enfermée sous un blindage métallique. Ce dernier permet de limiter les couplages électromagnétiques avec l’électronique située autour du module.Cela ne règle cependant pas tout. Un blindage peut limiter les perturbations rayonnées, mais il ne va évidemment pas empêcher une perturbation présente sur l’alimentation de circuler directement jusqu’au module. C’est donc un problème différent, qui dépend notamment de la façon dont l’ensemble du répéteur est alimenté et câblé.

Je ne vais pas prétendre apporter ici la solution miracle d’un électronicien spécialisé dans l’EMI. Ce n’est d’ailleurs pas le but de cet article. Je trouve simplement intéressant de soulever cette question, parce que c’est un aspect auquel on ne pense pas forcément lorsque l’on assemble son premier répéteur : l’électronique nécessaire à son alimentation peut elle-même devenir une source de perturbations pour la radio.

Pour moi, cela fait donc partie des choses à garder en tête lors de la conception. Au même titre que le choix de l’antenne, la qualité du câble coaxial ou l’ajout éventuel d’un filtre RF, l’alimentation mérite d’être considérée comme une partie de la chaîne radio, même si elle n’en fait pas directement partie.

Et surtout, plutôt que de partir immédiatement dans des solutions compliquées, je préfère retenir une approche simple : construire, mesurer et observer le comportement du montage réel. Si le répéteur fonctionne correctement, inutile de complexifier la réalisation. En revanche, si le niveau de bruit ou les performances de réception se dégradent lorsque certaines parties de l’électronique sont activées, il faudra alors chercher à comprendre pourquoi.

La puissance d’émission (TX)

La puissance configurée dans le firmware n’est qu’un point de départ. Entre le module LoRa et l’antenne, le signal traverse plusieurs composants : un ou plusieurs connecteurs, quelques mètres de câble coaxial, parfois un parafoudre ou un filtre cavité, avant d’être finalement rayonné par l’antenne. Chacun de ces éléments introduit des pertes ou, dans le cas de l’antenne, modifie la façon dont l’énergie est répartie dans l’espace.

C’est cette combinaison qui détermine la Puissance Apparente Rayonnée (PAR ou ERP), autrement dit la puissance réellement émise par l’installation. Or, cette valeur n’est pas laissée au hasard.

Il est donc tout à fait possible de dépasser cette limite en associant une puissance d’émission élevée à une antenne de fort gain et à une chaîne RF présentant très peu de pertes. À l’inverse, une installation utilisant un câble coaxial inadapté ou inutilement long peut perdre plusieurs décibels avant même que le signal n’atteigne l’antenne.

Dans les deux cas, le résultat n’est pas satisfaisant. Soit l’installation devient non conforme, soit elle dégrade inutilement les performances du répéteur.

C’est précisément pour éviter ces situations que j’ai fabriqué un calculateur de chaîne radiofréquence (RF). Son objectif n’est pas d’obtenir la puissance maximale possible, mais de vérifier rapidement qu’une configuration reste cohérente avec les performances recherchées tout en respectant les limites réglementaires.

Le calculateur

L’outil prend en compte l’ensemble des paramètres qui composent une installation : la puissance d’émission configurée sur le module LoRa, le type et la longueur du câble coaxial, les pertes des connecteurs, l’éventuelle présence d’un filtre cavité et, bien entendu, le gain de l’antenne. En quelques secondes, il permet d’estimer la puissance réellement rayonnée et de visualiser l’influence de chaque composant sur le bilan radio global.

Ce calculateur permet de comparer plusieurs configurations, d’optimiser une installation lorsque cela est pertinent, mais surtout de m’assurer que le répéteur que je m’apprête à installer respecte le cadre réglementaire applicable à la bande 869 MHz.

La conformité n’est pas une contrainte qui s’oppose à la performance : Au contraire, elle fait partie intégrante d’une conception rigoureuse. Une installation bien pensée est avant tout une installation équilibrée, où chaque composant a été choisi pour répondre à un besoin précis plutôt que pour afficher les caractéristiques les plus impressionnantes sur une fiche technique.

En quelques paramètres, il devient possible de visualiser l’influence :

• • • • • de la puissance d’émission de la carte LoRa ;
        • du type et de la longueur du câble coaxial ;
        • des pertes introduites par les connecteurs ;
        • de la présence éventuelle d’un filtre cavité ;
        • du gain de l’antenne choisie.

Son objectif n’est pas de remplacer une étude radio complète avec des appareils de mesures adaptés, mais de permettre de vérifier rapidement qu’une configuration reste cohérente lorsque l’on ne dispose pas du matériel de mesure approprié.

À propos de cet article

Cet article propose une approche volontairement pédagogique et accessible, avec l’objectif de démocratiser l’accès à la technique. Le Mesh, le LoRa et la radiofréquence peuvent rapidement devenir des domaines complexes. L’idée est ici de rendre ces notions suffisamment compréhensibles pour permettre à un débutant de comprendre les principaux enjeux, de faire ses propres choix et d’expérimenter à son tour.

Certaines notions sont donc volontairement simplifiées. L’objectif n’est pas de produire un cours d’électronique ou de radiofréquence, mais de partager une expérience concrète et les connaissances acquises au fil de la pratique.

Et justement, je préfère préciser mes limites : je ne suis ni électronicien, ni expert en radiofréquence, ni radioamateur. Cet article est le reflet de ma petite expérience, acquise après quelques mois de pratique du Mesh, du LoRa et plus particulièrement de MeshCore.

Il peut donc contenir des approximations ou des erreurs. Si vous êtes plus expérimenté que moi dans ces domaines et que vous en identifiez une, n’hésitez pas à me le signaler. Les remarques argumentées et les corrections sont les bienvenues : elles permettront d’améliorer l’article et, je l’espère, de rendre le partage encore plus utile aux débutants.

Le Résilient

Je m’appelle Sébastien. Sans jugement ou catégorisation, je ne m’identifie pas plus particulièrement aux « Survivalistes », « Preppers », « Décroissant », (…) qui ont cependant le mérite de mettre en lumière des sujets et connaissances malgré tout. Je me reconnais plutôt comme un « Résilient ». En tant que père de famille, je développe une approche modérée, structurée et éducative avec une forte envie d’apprendre et transmettre. En savoir plus.

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