LoRa και LoRaWAN

Τι σημαίνουν οι δύο όροι, για ποιον σκοπό έχει σχεδιαστεί το LoRaWAN και πώς είναι δομημένο ένα δίκτυο.

Δύο επίπεδα

Το LoRa (από το «Long Range») είναι η τεχνική ραδιομετάδοσης. Χρησιμοποιεί διαμόρφωση διασποράς φάσματος με chirp (chirp spread spectrum, CSS): κάθε σύμβολο είναι ένας τόνος που διατρέχει ολόκληρο το κανάλι. Έτσι ένας δέκτης μπορεί να αποκωδικοποιήσει σήματα που βρίσκονται κάτω από το επίπεδο του θορύβου. Η τεχνική προέρχεται από τη γαλλική εταιρεία Cycleo, την οποία εξαγόρασε η Semtech το 2012. Η Semtech κατασκευάζει ακόμη και σήμερα τα περισσότερα ραδιοτσίπ LoRa.

Ένα πακέτο LoRa ξεκινά με κανονικά chirp (το προοίμιο). Στα δεδομένα κάθε chirp ξεκινά από διαφορετική συχνότητα: αυτό το σημείο εκκίνησης μεταφέρει την πληροφορία.

Το LoRaWAN είναι το πρωτόκολλο δικτύου που βρίσκεται από πάνω. Ορίζει πώς συνδέονται οι συσκευές, πώς κρυπτογραφούνται και αριθμούνται τα μηνύματα και πώς το δίκτυο ελέγχει τις ρυθμίσεις εκπομπής. Η προδιαγραφή είναι ανοιχτή και τη συντηρεί η LoRa Alliance. Σε χρήση είναι οι εκδόσεις 1.0.x (κυρίως 1.0.3 και 1.0.4) και 1.1. Οι συχνότητες για κάθε περιοχή του κόσμου ορίζονται σε ξεχωριστό έγγραφο, τις «Regional Parameters».

Με λίγα λόγια: το LoRa είναι η ραδιοζεύξη, το LoRaWAN το δίκτυο.

Για ποιον σκοπό έχει σχεδιαστεί το LoRaWAN

Μικρές ποσότητες δεδομένων: συνήθως 10 έως 50 byte ανά μήνυμα.
Σπάνια αποστολή: λεπτά έως ώρες ανάμεσα σε δύο μηνύματα.
Μεγάλη εμβέλεια: μερικά χιλιόμετρα στην πόλη, πολύ περισσότερα στην ύπαιθρο και με οπτική επαφή.
Λειτουργία με μπαταρία: οι συσκευές βρίσκονται σχεδόν όλη την ώρα σε αναμονή και συχνά λειτουργούν για αρκετά χρόνια.
Δεν είναι κατάλληλο για φωνή, εικόνες, έλεγχο σε πραγματικό χρόνο ή συχνές απαντήσεις προς τη συσκευή.

Πώς είναι δομημένο ένα δίκτυο

Μια συσκευή δεν είναι δεμένη σε ένα gateway: κάθε gateway εντός εμβέλειας λαμβάνει το πακέτο της. Ο network server αφαιρεί τα διπλότυπα.

Στοιχείο	Λειτουργία
Τερματική συσκευή (node)	Αισθητήρας, tracker ή field tester. Στέλνει uplinks, περιστασιακά λαμβάνει downlinks.
Gateway	Λαμβάνει ό,τι ακούει σε 8 ή περισσότερα κανάλια ταυτόχρονα και το προωθεί αμετάβλητο στον network server. Ένα gateway δεν μπορεί να διαβάσει το ωφέλιμο φορτίο.
Network server (LNS)	Ελέγχει τα μηνύματα, αφαιρεί τα διπλότυπα (όταν πολλά gateways ακούν το ίδιο πακέτο), επιλέγει το gateway για την απάντηση και ελέγχει τον ρυθμό δεδομένων.
Join server	Διαχειρίζεται τα κλειδιά που χρησιμοποιούνται κατά τη σύνδεση των συσκευών.
Application server / ενοποίηση	Αποκρυπτογραφεί το ωφέλιμο φορτίο και το παραδίδει στην εφαρμογή μέσω webhook, MQTT ή παρόμοιου τρόπου.

Γι’ αυτό ένας field tester δείχνει συχνά αρκετά gateways για το ίδιο μήνυμα.

Uplink και downlink

Uplink: συσκευή → δίκτυο. Η συνήθης περίπτωση.
Downlink: δίκτυο → συσκευή. Είναι δυνατό μόνο λίγο μετά από ένα uplink. Όσο ένα gateway εκπέμπει, δεν μπορεί να λαμβάνει σε κανένα κανάλι. Γι’ αυτό τα downlinks είναι περιορισμένα.

Κατηγορίες συσκευών

Κατηγορία A: μετά από κάθε uplink ανοίγουν δύο σύντομα παράθυρα λήψης. Μόνο τότε μπορεί να απαντήσει το δίκτυο.

Κατηγορία	Συμπεριφορά	Τυπική χρήση
A	Μετά από κάθε uplink ανοίγουν δύο σύντομα παράθυρα λήψης (RX1 μετά από 1 s, RX2 ένα δευτερόλεπτο αργότερα· στο TTN RX1 μετά από 5 s). Κατά τα άλλα η συσκευή βρίσκεται σε αναμονή.	Σχεδόν όλοι οι αισθητήρες, και οι field testers
B	Επιπλέον παράθυρα λήψης σε καθορισμένες χρονικές στιγμές, συγχρονισμένα με beacons από τα gateways.	Σπάνια
C	Ακούει σχεδόν συνεχώς. Υψηλή κατανάλωση ρεύματος.	Συσκευές με τροφοδοσία από το δίκτυο, π.χ. ενεργοποιητές