LoRa i LoRaWAN

Co oznaczają oba pojęcia, do czego służy LoRaWAN i jak zbudowana jest sieć.

Dwie warstwy

LoRa (od „Long Range”) to technika radiowa. Wykorzystuje modulację chirp spread spectrum (CSS): każdy symbol to ton, którego częstotliwość przebiega przez cały kanał. Dzięki temu odbiornik może dekodować sygnały leżące poniżej poziomu szumu. Technika pochodzi od francuskiej firmy Cycleo, którą Semtech przejął w 2012 roku. Semtech nadal produkuje większość układów radiowych LoRa.

Pakiet LoRa zaczyna się od regularnych chirpów (preambuła). W danych każdy chirp zaczyna się od innej częstotliwości: ten punkt początkowy niesie informację.

LoRaWAN to protokół sieciowy działający nad nią. Określa, jak urządzenia dołączają do sieci, jak wiadomości są szyfrowane i liczone oraz jak sieć steruje ustawieniami nadawania. Specyfikacja jest otwarta i utrzymywana przez LoRa Alliance. W użyciu są wersje 1.0.x (głównie 1.0.3 i 1.0.4) oraz 1.1. Częstotliwości dla każdego regionu świata określa osobny dokument „Regional Parameters”.

W skrócie: LoRa to łącze radiowe, LoRaWAN to sieć.

Do czego służy LoRaWAN

Małe ilości danych: zwykle 10 do 50 bajtów na wiadomość.
Rzadkie nadawanie: od minut do godzin między dwiema wiadomościami.
Duży zasięg: kilka kilometrów w mieście, znacznie więcej na terenach wiejskich i przy widoczności bezpośredniej.
Zasilanie bateryjne: urządzenia prawie cały czas śpią i często działają kilka lat.
Nie nadaje się do głosu, obrazów, sterowania w czasie rzeczywistym ani częstych odpowiedzi do urządzenia.

Jak zbudowana jest sieć

Urządzenie nie jest przypisane do jednej bramki: każda bramka w zasięgu odbiera jego pakiet. Serwer sieciowy usuwa duplikaty.

Element	Zadanie
Urządzenie końcowe (węzeł)	Czujnik, lokalizator lub tester terenowy. Wysyła uplinki, czasem odbiera downlinki.
Bramka	Odbiera wszystko, co słyszy jednocześnie na 8 lub więcej kanałach, i przekazuje to bez zmian do serwera sieciowego. Bramka nie może odczytać ładunku.
Serwer sieciowy (LNS)	Sprawdza wiadomości, usuwa duplikaty (gdy kilka bramek słyszy ten sam pakiet), wybiera bramkę do odpowiedzi i steruje szybkością transmisji.
Serwer dołączania (join server)	Zarządza kluczami używanymi przy dołączaniu urządzeń.
Serwer aplikacji / integracja	Odszyfrowuje ładunek i przekazuje go do aplikacji przez webhook, MQTT lub podobny mechanizm.

Dlatego tester terenowy często pokazuje kilka bramek dla tej samej wiadomości.

Uplink i downlink

Uplink: urządzenie → sieć. Typowy przypadek.
Downlink: sieć → urządzenie. Możliwy tylko krótko po uplinku. Gdy bramka nadaje, nie może odbierać na żadnym kanale. Dlatego downlinków jest niewiele.

Klasy urządzeń

Klasa A: po każdym uplinku otwierają się dwa krótkie okna odbioru. Tylko wtedy sieć może odpowiedzieć.

Klasa	Zachowanie	Typowe zastosowanie
A	Po każdym uplinku otwierają się dwa krótkie okna odbioru (RX1 po 1 s, RX2 sekundę później; w TTN RX1 po 5 s). Poza tym urządzenie śpi.	Prawie wszystkie czujniki, także testery terenowe
B	Dodatkowe okna odbioru w stałych momentach, synchronizowane sygnałami beacon z bramek.	Rzadko
C	Nasłuchuje prawie cały czas. Duży pobór energii.	Urządzenia zasilane z sieci, np. elementy wykonawcze