LoRa e LoRaWAN

O que significam os dois termos, para que serve o LoRaWAN e como se constrói uma rede.

Duas camadas

LoRa (de «Long Range», longo alcance) é a técnica de rádio. Usa a modulação chirp spread spectrum (CSS): cada símbolo é um tom que percorre todo o canal. Isto permite a um recetor descodificar sinais que estão abaixo do nível de ruído. A técnica vem da empresa francesa Cycleo, que a Semtech comprou em 2012. A Semtech ainda hoje fabrica a maioria dos chips de rádio LoRa.

Um pacote LoRa começa com chirps regulares (o preâmbulo). Nos dados, cada chirp começa numa frequência diferente: é esse ponto de partida que transporta a informação.

LoRaWAN é o protocolo de rede que assenta sobre ela. Define como os dispositivos se juntam à rede, como as mensagens são cifradas e contadas e como a rede controla as configurações de transmissão. A especificação é aberta e mantida pela LoRa Alliance. Estão em uso as versões 1.0.x (sobretudo 1.0.3 e 1.0.4) e 1.1. As frequências de cada região do mundo são definidas num documento à parte, os «Regional Parameters».

Em resumo: LoRa é a ligação de rádio, LoRaWAN é a rede.

Para que serve o LoRaWAN

Pequenas quantidades de dados: tipicamente 10 a 50 bytes por mensagem.
Envios raros: minutos a horas entre duas mensagens.
Grande alcance: alguns quilómetros na cidade, muito mais no campo e com linha de vista.
Funcionamento a bateria: os dispositivos dormem quase todo o tempo e funcionam muitas vezes durante vários anos.
Não adequado a voz, imagens, controlo em tempo real ou respostas frequentes ao dispositivo.

Como se constrói uma rede

Um dispositivo não está ligado a um gateway: todos os gateways ao alcance recebem o seu pacote. O servidor de rede remove os duplicados.

Componente	Função
Dispositivo final (nó)	Sensor, tracker ou tester de campo. Envia uplinks e recebe ocasionalmente downlinks.
Gateway	Recebe tudo o que ouve em 8 ou mais canais em simultâneo e passa-o sem alterações ao servidor de rede. Um gateway não consegue ler o payload.
Servidor de rede (LNS)	Verifica as mensagens, remove duplicados (quando vários gateways ouvem o mesmo pacote), escolhe o gateway para a resposta e controla a taxa de dados.
Servidor de join	Gere as chaves usadas quando os dispositivos se juntam à rede.
Servidor de aplicação / integração	Decifra o payload e entrega-o à aplicação por webhook, MQTT ou semelhante.

É por isso que um tester de campo mostra muitas vezes vários gateways para a mesma mensagem.

Uplink e downlink

Uplink: dispositivo → rede. O caso habitual.
Downlink: rede → dispositivo. Só é possível pouco depois de um uplink. Enquanto um gateway transmite, não consegue receber em nenhum canal. Por isso, os downlinks são escassos.

Classes de dispositivos

Classe A: após cada uplink abrem-se duas janelas de receção curtas. Só nesse momento a rede pode responder.

Classe	Comportamento	Utilização típica
A	Após cada uplink abrem-se duas janelas de receção curtas (RX1 após 1 s, RX2 um segundo depois; na TTN, RX1 após 5 s). No resto do tempo, o dispositivo dorme.	Quase todos os sensores, também os testers de campo
B	Janelas de receção adicionais em momentos fixos, sincronizadas por beacons dos gateways.	Raro
C	Escuta quase sempre. Consumo de energia elevado.	Dispositivos ligados à rede elétrica, por exemplo atuadores