LoRa и LoRaWAN

Что означают эти два понятия, для чего предназначен LoRaWAN и как устроена сеть.

Два уровня

LoRa (от «Long Range») – это радиотехнология. Она использует модуляцию с расширением спектра чирпами (chirp spread spectrum, CSS): каждый символ – это тон, частота которого проходит через весь канал. Благодаря этому приёмник может декодировать сигналы, которые лежат ниже уровня шума. Технология разработана французской компанией Cycleo, которую Semtech купила в 2012 году. Semtech и сегодня производит большую часть радиочипов LoRa.

Пакет LoRa начинается с регулярных чирпов (преамбула). В данных каждый чирп начинается с другой частоты: эта начальная точка и несёт информацию.

LoRaWAN – это сетевой протокол поверх неё. Он определяет, как устройства подключаются к сети, как сообщения шифруются и нумеруются и как сеть управляет параметрами передачи. Спецификация открыта, её ведёт LoRa Alliance. Используются версии 1.0.x (в основном 1.0.3 и 1.0.4) и 1.1. Частоты для каждого региона мира задаются в отдельном документе – «Regional Parameters».

Коротко: LoRa – это радиосвязь, LoRaWAN – сеть.

Для чего предназначен LoRaWAN

Малые объёмы данных: обычно от 10 до 50 байт на сообщение.
Редкая передача: от нескольких минут до нескольких часов между двумя сообщениями.
Большая дальность: несколько километров в городе, намного больше за городом и при прямой видимости.
Работа от батареи: устройства почти всё время спят и часто работают несколько лет.
Не подходит для голоса, изображений, управления в реальном времени и частых ответов устройству.

Как устроена сеть

Устройство не привязано к шлюзу: его пакет принимает каждый шлюз в зоне досягаемости. Сетевой сервер удаляет дубликаты.

Компонент	Задача
Оконечное устройство (узел)	Датчик, трекер или полевой тестер. Отправляет uplink, иногда принимает downlink.
Шлюз	Принимает всё, что слышит, одновременно на 8 или более каналах и передаёт это без изменений на сетевой сервер. Шлюз не может прочитать полезные данные.
Сетевой сервер (LNS)	Проверяет сообщения, удаляет дубликаты (когда один и тот же пакет слышат несколько шлюзов), выбирает шлюз для ответа и управляет скоростью передачи данных.
Сервер подключения (join server)	Управляет ключами, которые используются при подключении устройств.
Сервер приложений / интеграция	Расшифровывает полезные данные и передаёт их приложению через вебхук, MQTT или аналогичным способом.

Поэтому полевой тестер часто показывает несколько шлюзов для одного и того же сообщения.

Uplink и downlink

Uplink: устройство → сеть. Обычный случай.
Downlink: сеть → устройство. Возможен только вскоре после uplink. Пока шлюз передаёт, он не может принимать ни на одном канале. Поэтому возможности для downlink ограничены.

Классы устройств

Класс A: после каждого uplink открываются два коротких окна приёма. Только в них сеть может ответить.

Класс	Поведение	Типичное применение
A	После каждого uplink открываются два коротких окна приёма (RX1 через 1 с, RX2 на секунду позже; в TTN RX1 через 5 с). В остальное время устройство спит.	Почти все датчики, в том числе полевые тестеры
B	Дополнительные окна приёма в фиксированное время, синхронизированные маяками (beacons) шлюзов.	Редко
C	Слушает почти всё время. Высокое энергопотребление.	Устройства с питанием от сети, например исполнительные устройства