LoRa e LoRaWAN

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

Duas camadas

LoRa (de “Long Range”, longo alcance) é a técnica de rádio. Ela usa a modulação chirp spread spectrum (CSS): cada símbolo é um tom que percorre todo o canal. Isso permite que um receptor decodifique 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 em uma frequência diferente: esse ponto de partida carrega a informação.

LoRaWAN é o protocolo de rede que fica por cima. Ele define como os dispositivos entram na rede, como as mensagens são criptografadas e contadas e como a rede controla os parâmetros de transmissão. A especificação é aberta e mantida pela LoRa Alliance. Estão em uso as versões 1.0.x (principalmente 1.0.3 e 1.0.4) e 1.1. As frequências de cada região do mundo são definidas em um documento separado, os “Regional Parameters”.

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

Para que serve o LoRaWAN

Pequenas quantidades de dados: normalmente de 10 a 50 bytes por mensagem.
Envios raros: de minutos a horas entre duas mensagens.
Longo alcance: alguns quilômetros na cidade, muito mais no campo e com linha de visada.
Operação a bateria: os dispositivos dormem quase o tempo todo e muitas vezes funcionam por vários anos.
Não é adequado para voz, imagens, controle em tempo real ou respostas frequentes ao dispositivo.

Como uma rede é montada

Um dispositivo não fica preso a um gateway: todo gateway ao alcance recebe o seu pacote. O servidor de rede remove as duplicatas.

Parte	Função
Dispositivo final (nó)	Sensor, rastreador ou testador de campo. Envia uplinks e, ocasionalmente, recebe downlinks.
Gateway	Recebe tudo o que ouve em 8 ou mais canais ao mesmo tempo e repassa sem alterações ao servidor de rede. Um gateway não consegue ler o payload.
Servidor de rede (LNS)	Verifica as mensagens, remove duplicatas (quando vários gateways ouvem o mesmo pacote), escolhe o gateway para a resposta e controla a taxa de dados.
Join server	Gerencia as chaves usadas quando os dispositivos entram na rede.
Servidor de aplicação / integração	Descriptografa o payload e o entrega ao aplicativo por webhook, MQTT ou meio semelhante.

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

Uplink e downlink

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

Classes de dispositivos

Classe A: depois de cada uplink, abrem-se duas janelas curtas de recepção. Só então a rede pode responder.

Classe	Comportamento	Uso típico
A	Depois de cada uplink, abrem-se duas janelas curtas de recepção (RX1 após 1 s, RX2 um segundo depois; no TTN, RX1 após 5 s). No resto do tempo, o dispositivo dorme.	Quase todos os sensores, inclusive testadores de campo
B	Janelas de recepção adicionais em horários fixos, sincronizadas por beacons dos gateways.	Raro
C	Escuta quase o tempo todo. Alto consumo de energia.	Dispositivos ligados à rede elétrica, por exemplo, atuadores