LoRa ja LoRaWAN

Mitä kaksi termiä tarkoittavat, mihin LoRaWAN on tarkoitettu ja miten verkko rakentuu.

Kaksi kerrosta

LoRa (sanoista ”Long Range”) on radiotekniikka. Se käyttää chirp spread spectrum -modulaatiota (CSS): jokainen symboli on ääni, jonka taajuus pyyhkäisee koko kanavan yli. Tämän ansiosta vastaanotin pystyy purkamaan signaaleja, jotka ovat kohinatason alapuolella. Tekniikka on peräisin ranskalaiselta Cycleo-yritykseltä, jonka Semtech osti vuonna 2012. Semtech valmistaa yhä useimmat LoRa-radiopiirit.

LoRa-paketti alkaa säännöllisillä chirpeillä (johdanto). Datassa jokainen chirp alkaa eri taajuudelta: tämä alkukohta kantaa tiedon.

LoRaWAN on sen päällä toimiva verkkoprotokolla. Se määrittelee, miten laitteet liittyvät verkkoon, miten viestit salataan ja lasketaan ja miten verkko ohjaa lähetysasetuksia. Määrittely on avoin, ja sitä ylläpitää LoRa Alliance. Käytössä ovat versiot 1.0.x (pääasiassa 1.0.3 ja 1.0.4) ja 1.1. Kunkin maailman alueen taajuudet määritellään erillisessä asiakirjassa, ”Regional Parameters”.

Lyhyesti: LoRa on radioyhteys, LoRaWAN verkko.

Mihin LoRaWAN on tarkoitettu

Pienet datamäärät: tyypillisesti 10–50 tavua viestiä kohden.
Harvoin lähettäminen: minuuteista tunteihin kahden viestin välillä.
Pitkä kantama: muutama kilometri kaupungissa, paljon enemmän maaseudulla ja näköyhteydellä.
Paristokäyttö: laitteet nukkuvat lähes koko ajan ja toimivat usein useita vuosia.
Ei sovellu puheeseen, kuviin, reaaliaikaiseen ohjaukseen tai tiheisiin vastauksiin laitteelle.

Miten verkko rakentuu

Laite ei ole sidottu yhteen gatewayhin: jokainen kantaman sisällä oleva gateway vastaanottaa sen paketin. Verkkopalvelin poistaa kaksoiskappaleet.

Osa	Tehtävä
Päätelaite (solmu)	Anturi, paikannin tai kenttätesteri. Lähettää uplinkkejä, vastaanottaa toisinaan downlinkkejä.
Gateway	Vastaanottaa kaiken, minkä se kuulee vähintään 8 kanavalla samanaikaisesti, ja välittää sen muuttamattomana verkkopalvelimelle. Gateway ei pysty lukemaan hyötykuormaa.
Verkkopalvelin (LNS)	Tarkistaa viestit, poistaa kaksoiskappaleet (kun useampi gateway kuulee saman paketin), valitsee gatewayn vastausta varten ja ohjaa datanopeutta.
Join-palvelin	Hallitsee avaimia, joita käytetään laitteiden liittyessä verkkoon.
Sovelluspalvelin / integraatio	Purkaa hyötykuorman salauksen ja välittää sen sovellukselle webhookin, MQTT:n tai vastaavan kautta.

Siksi kenttätesteri näyttää usein useita gatewayta samalle viestille.

Uplink ja downlink

Uplink: laite → verkko. Tavallinen tapaus.
Downlink: verkko → laite. Mahdollinen vain hetki uplinkin jälkeen. Kun gateway lähettää, se ei voi vastaanottaa millään kanavalla. Downlinkkejä on siksi vähän käytettävissä.

Laiteluokat

Luokka A: jokaisen uplinkin jälkeen avautuu kaksi lyhyttä vastaanottoikkunaa. Vain silloin verkko voi vastata.

Luokka	Toiminta	Tyypillinen käyttö
A	Jokaisen uplinkin jälkeen avautuu kaksi lyhyttä vastaanottoikkunaa (RX1 1 s:n jälkeen, RX2 sekuntia myöhemmin; TTN:ssä RX1 5 s:n jälkeen). Muuten laite nukkuu.	Lähes kaikki anturit, myös kenttätesterit
B	Lisävastaanottoikkunoita kiinteinä aikoina, synkronoitu gatewayjen lähettämillä majakkasignaaleilla (beacon).	Harvinainen
C	Kuuntelee lähes koko ajan. Suuri virrankulutus.	Verkkovirtaa käyttävät laitteet, esim. toimilaitteet