LoRa і LoRaWAN

Що означають обидва терміни, для чого призначений LoRaWAN і як побудована мережа.

Два рівні

LoRa (від «Long Range») – це радіотехнологія. Вона використовує модуляцію з розширенням спектра чирпами (chirp spread spectrum, CSS): кожен символ – це тон, частота якого проходить через увесь канал. Завдяки цьому приймач може декодувати сигнали, що лежать нижче рівня шуму. Технологія походить від французької компанії Cycleo, яку Semtech придбала у 2012 році. Більшість радіочипів LoRa і сьогодні виробляє Semtech.

Пакет LoRa починається з регулярних чирпів (преамбула). У даних кожен чирп починається з іншої частоти: саме ця початкова точка несе інформацію.

LoRaWAN – це мережевий протокол над нею. Він визначає, як пристрої приєднуються до мережі, як повідомлення шифруються й нумеруються і як мережа керує параметрами передавання. Специфікація відкрита, її підтримує LoRa Alliance. Використовуються версії 1.0.x (переважно 1.0.3 і 1.0.4) та 1.1. Частоти для кожного регіону світу визначено в окремому документі – «Regional Parameters».

Коротко: LoRa – це радіозв’язок, LoRaWAN – мережа.

Для чого призначений LoRaWAN

Невеликі обсяги даних: зазвичай від 10 до 50 байтів на повідомлення.
Рідке надсилання: від кількох хвилин до кількох годин між двома повідомленнями.
Велика дальність: кілька кілометрів у місті, значно більше за містом і за прямої видимості.
Живлення від батареї: пристрої майже весь час сплять і часто працюють кілька років.
Не підходить для голосу, зображень, керування в реальному часі чи частих відповідей пристрою.

Як побудована мережа

Пристрій не прив’язаний до шлюзу: його пакет приймає кожен шлюз у зоні дії. Мережевий сервер видаляє дублікати.

Компонент	Завдання
Кінцевий пристрій (вузол)	Датчик, трекер або польовий тестер. Надсилає uplink-повідомлення, час від часу приймає downlink-повідомлення.
Шлюз	Одночасно на 8 або більше каналах приймає все, що чує, і без змін передає це мережевому серверу. Шлюз не може прочитати корисне навантаження.
Мережевий сервер (LNS)	Перевіряє повідомлення, видаляє дублікати (коли кілька шлюзів чують той самий пакет), вибирає шлюз для відповіді та керує швидкістю передачі даних.
Сервер приєднання (join server)	Керує ключами, які використовуються під час приєднання пристроїв.
Сервер застосунків / інтеграція	Розшифровує корисне навантаження й передає його застосунку через вебхук, MQTT або подібним способом.

Тому польовий тестер часто показує кілька шлюзів для одного повідомлення.

Uplink і downlink

Uplink: пристрій → мережа. Звичайний випадок.
Downlink: мережа → пристрій. Можливий лише невдовзі після uplink. Поки шлюз передає, він не може приймати на жодному каналі. Тому можливостей для downlink небагато.

Класи пристроїв

Клас A: після кожного uplink відкриваються два короткі вікна приймання. Лише тоді мережа може відповісти.

Клас	Поведінка	Типове застосування
A	Після кожного uplink відкриваються два короткі вікна приймання (RX1 через 1 s, RX2 на секунду пізніше; у TTN RX1 через 5 s). В інший час пристрій спить.	Майже всі датчики, зокрема й польові тестери
B	Додаткові вікна приймання у фіксований час, синхронізовані маяками від шлюзів.	Рідко
C	Слухає майже весь час. Високе енергоспоживання.	Пристрої з мережевим живленням, напр. виконавчі пристрої