LoRa en LoRaWAN

Waar de twee begrippen voor staan, waarvoor LoRaWAN bedoeld is en hoe een netwerk is opgebouwd.

Twee lagen

LoRa (van “Long Range”) is de radiotechniek. Ze gebruikt chirp-spread-spectrummodulatie (CSS): elk symbool is een toon die over het hele kanaal loopt. Daardoor kan een ontvanger signalen decoderen die onder het ruisniveau liggen. De techniek komt van het Franse bedrijf Cycleo, dat Semtech in 2012 overnam. Semtech maakt ook vandaag nog de meeste LoRa-radiochips.

Een LoRa-pakket begint met regelmatige chirps (de preamble). In de data begint elke chirp op een andere frequentie: dat beginpunt draagt de informatie.

LoRaWAN is het netwerkprotocol daarboven. Het legt vast hoe apparaten zich aanmelden, hoe berichten worden versleuteld en geteld en hoe het netwerk de zendinstellingen regelt. De specificatie is open en wordt beheerd door de LoRa Alliance. In gebruik zijn de versies 1.0.x (vooral 1.0.3 en 1.0.4) en 1.1. De frequenties per wereldregio staan in een apart document, de “Regional Parameters”.

Kort gezegd: LoRa is de radioverbinding, LoRaWAN het netwerk.

Waarvoor LoRaWAN bedoeld is

Kleine hoeveelheden data: meestal 10 tot 50 bytes per bericht.
Zelden zenden: minuten tot uren tussen twee berichten.
Groot bereik: enkele kilometers in de stad, veel meer op het platteland en bij vrij zicht.
Werking op batterij: apparaten slapen bijna de hele tijd en werken vaak meerdere jaren.
Niet geschikt voor spraak, beelden, realtime besturing of vaak antwoorden naar het apparaat.

Hoe een netwerk is opgebouwd

Een apparaat is niet aan een gateway gebonden: elke gateway binnen bereik ontvangt zijn pakket. De netwerkserver verwijdert de dubbele exemplaren.

Onderdeel	Taak
Eindapparaat (node)	Sensor, tracker of fieldtester. Verstuurt uplinks, ontvangt af en toe downlinks.
Gateway	Ontvangt alles wat hij hoort op 8 of meer kanalen tegelijk en geeft het ongewijzigd door aan de netwerkserver. Een gateway kan de payload niet lezen.
Netwerkserver (LNS)	Controleert de berichten, verwijdert dubbele exemplaren (als meerdere gateways hetzelfde pakket horen), kiest de gateway voor het antwoord en regelt de datasnelheid.
Join-server	Beheert de sleutels die worden gebruikt wanneer apparaten zich aanmelden.
Applicatieserver / integratie	Ontsleutelt de payload en geeft hem via webhook, MQTT of iets vergelijkbaars door aan de applicatie.

Daarom toont een fieldtester vaak meerdere gateways voor hetzelfde bericht.

Uplink en downlink

Uplink: apparaat → netwerk. Het gewone geval.
Downlink: netwerk → apparaat. Alleen mogelijk kort na een uplink. Zolang een gateway zendt, kan hij op geen enkel kanaal ontvangen. Downlinks zijn daarom schaars.

Apparaatklassen

Klasse A: na elke uplink gaan twee korte ontvangstvensters open. Alleen dan kan het netwerk antwoorden.

Klasse	Gedrag	Typisch gebruik
A	Na elke uplink gaan twee korte ontvangstvensters open (RX1 na 1 s, RX2 een seconde later; bij TTN RX1 na 5 s). Verder slaapt het apparaat.	Bijna alle sensoren, ook fieldtesters
B	Extra ontvangstvensters op vaste tijdstippen, gesynchroniseerd door beacons van de gateways.	Zelden
C	Luistert bijna de hele tijd. Hoog stroomverbruik.	Apparaten op netstroom, bijv. actuatoren