LoRa un LoRaWAN

Ko nozīmē abi termini, kam LoRaWAN ir paredzēts un kā ir uzbūvēts tīkls.

Divi slāņi

LoRa (no „Long Range“) ir radio tehnoloģija. Tā izmanto chirp spread spectrum modulāciju (CSS): katrs simbols ir tonis, kura frekvence pārvietojas pāri visam kanālam. Tas ļauj uztvērējam atkodēt signālus, kas atrodas zem trokšņa līmeņa. Tehnoloģija nāk no Francijas uzņēmuma Cycleo, ko Semtech iegādājās 2012. gadā. Semtech joprojām ražo lielāko daļu LoRa radio mikroshēmu.

LoRa pakete sākas ar regulāriem čirpiem (preambula). Datos katrs čirps sākas citā frekvencē: šis sākumpunkts nes informāciju.

LoRaWAN ir virs tās esošais tīkla protokols. Tas nosaka, kā ierīces pievienojas tīklam, kā ziņojumi tiek šifrēti un skaitīti un kā tīkls vada raidīšanas iestatījumus. Specifikācija ir atvērta, un to uztur LoRa Alliance. Tiek izmantotas versijas 1.0.x (galvenokārt 1.0.3 un 1.0.4) un 1.1. Katra pasaules reģiona frekvences ir noteiktas atsevišķā dokumentā „Regional Parameters“.

Īsi sakot: LoRa ir radio savienojums, LoRaWAN ir tīkls.

Kam LoRaWAN ir paredzēts

Mazi datu apjomi: parasti 10 līdz 50 baiti vienā ziņojumā.
Reta sūtīšana: starp diviem ziņojumiem paiet no minūtēm līdz stundām.
Liels darbības attālums: pilsētā daži kilometri, laukos un tiešas redzamības apstākļos daudz vairāk.
Darbība ar bateriju: ierīces gandrīz visu laiku guļ un bieži darbojas vairākus gadus.
Nav piemērots balsij, attēliem, reāllaika vadībai vai biežām atbildēm ierīcei.

Kā ir uzbūvēts tīkls

Ierīce nav piesaistīta vienai vārtejai: katra vārteja darbības zonā uztver tās paketi. Tīkla serveris noņem dublikātus.

Daļa	Uzdevums
Gala ierīce (mezgls)	Sensors, izsekotājs vai lauka testeris. Sūta uplink ziņojumus, reizēm saņem downlink ziņojumus.
Vārteja	Uztver visu, ko dzird vienlaikus 8 vai vairāk kanālos, un nemainītu nodod tīkla serverim. Vārteja nevar nolasīt lietderīgo slodzi.
Tīkla serveris (LNS)	Pārbauda ziņojumus, noņem dublikātus (ja vairākas vārtejas dzird vienu un to pašu paketi), izvēlas vārteju atbildei un vada datu pārraides ātrumu.
Pievienošanās serveris (join server)	Pārvalda atslēgas, ko izmanto, ierīcēm pievienojoties.
Lietojumprogrammas serveris / integrācija	Atšifrē lietderīgo slodzi un nodod to lietojumprogrammai ar webhook, MQTT vai līdzīgu risinājumu.

Tāpēc lauka testeris vienam ziņojumam bieži rāda vairākas vārtejas.

Uplink un downlink

Uplink: ierīce → tīkls. Parastais gadījums.
Downlink: tīkls → ierīce. Iespējams tikai īsi pēc uplink. Kamēr vārteja raida, tā nevar uztvert nevienā kanālā. Tāpēc downlink ziņojumu ir maz.

Ierīču klases

A klase: pēc katra uplink atveras divi īsi uztveršanas logi. Tikai tad tīkls var atbildēt.

Klase	Darbība	Tipisks lietojums
A	Pēc katra uplink atveras divi īsi uztveršanas logi (RX1 pēc 1 s, RX2 sekundi vēlāk; TTN tīklā RX1 pēc 5 s). Pārējā laikā ierīce guļ.	Gandrīz visi sensori, arī lauka testeri
B	Papildu uztveršanas logi noteiktos laikos, sinhronizēti ar vārteju bāksignāliem (beacon).	Reti
C	Klausās gandrīz visu laiku. Liels enerģijas patēriņš.	Ierīces ar barošanu no elektrotīkla, piem., izpildmehānismi