LoRa と LoRaWAN

2つの層

LoRa(「Long Range」に由来)は無線技術です。チャープスペクトラム拡散変調(CSS)を使います。各シンボルは、チャネル全体を掃引するトーンです。これにより、受信機はノイズレベルより低い信号も復号できます。この技術はフランスの Cycleo 社が開発したもので、2012年に Semtech が同社を買収しました。現在も LoRa 無線チップの大半は Semtech が製造しています。

LoRaWAN はその上にあるネットワークプロトコルです。デバイスがどのようにネットワークに参加するか、メッセージをどのように暗号化してカウントするか、ネットワークが送信設定をどのように制御するかを定めています。仕様はオープンで、LoRa Alliance が管理しています。使われているのはバージョン 1.0.x(主に 1.0.3 と 1.0.4)と 1.1 です。世界の地域ごとの周波数は、別の文書「Regional Parameters」で定められています。

要するに、LoRa は無線リンク、LoRaWAN はネットワークです。

LoRaWAN の用途

• 少量のデータ： 1メッセージあたり通常 10～50 バイト。
• まれな送信： 2つのメッセージの間隔は数分から数時間。
• 長い通信距離： 市街地で数キロメートル、郊外や見通しのよい場所ではそれよりはるかに長くなります。
• 電池駆動： デバイスはほぼ常にスリープしており、多くの場合、数年間動作します。
• 向いていない用途： 音声、画像、リアルタイム制御、デバイスへの頻繁な返信。

ネットワークの構成

構成要素	役割
エンドデバイス(ノード)	センサー、トラッカー、フィールドテスター。アップリンクを送信し、ときどきダウンリンクを受信します。
ゲートウェイ	8つ以上のチャネルで聞こえるものすべてを同時に受信し、そのままネットワークサーバーへ渡します。ゲートウェイはペイロードを読めません。
ネットワークサーバー(LNS)	メッセージを検査し、重複を取り除き(複数のゲートウェイが同じパケットを受信した場合)、返信に使うゲートウェイを選び、データレートを制御します。
Join サーバー	デバイスの参加時に使う鍵を管理します。
アプリケーションサーバー / インテグレーション	ペイロードを復号し、Webhook や MQTT などでアプリケーションに渡します。

このため、フィールドテスターでは同じメッセージに対して複数のゲートウェイが表示されることがよくあります。

アップリンクとダウンリンク

• アップリンク： デバイス → ネットワーク。通常のケースです。
• ダウンリンク： ネットワーク → デバイス。アップリンクの直後にしか送れません。ゲートウェイは送信中、どのチャネルでも受信できません。そのためダウンリンクは限られています。

デバイスクラス

クラス	動作	主な用途
A	アップリンクのたびに短い受信ウィンドウが2つ開きます(RX1 は 1 s 後、RX2 はその 1 秒後。TTN では RX1 は 5 s 後)。それ以外のときはスリープしています。	ほぼすべてのセンサー、フィールドテスターも
B	ゲートウェイからのビーコンで同期し、決まった時刻に追加の受信ウィンドウを開きます。	まれ
C	ほぼ常に受信しています。消費電力が大きくなります。	商用電源で動くデバイス(例：アクチュエーター)