LoRa (ang. Long Range) to standard bezprzewodowej transmisji i wymiany danych o dużym zasięgu i niskim poborze mocy, dedykowany do przesyłu niewielkiej ilości danych. Cechy te sprawiają, że jest to idealne rozwiązanie do tworzenia rozległych sieci różnego rodzaju czujników, dostarczających danych do systemów sterowania, kontroli i nadzoru. W technologii tej nie prześlemy obrazu, szczególnie w jakości odpowiedniej do dzisiejszych wymagań. Jednak przetworzone i wyodrębnione dane z kamer, takie jak numery rejestracyjne pojazdów, ich waga lub kategoria jak najbardziej już tak. LoRa wpisuje się pomiędzy takie standardy jak Wi-Fi, Bluetooth, LTE czy ZigBee i oferuje to czego one zaoferować nie mogą, poprzez albo obniżenie kosztów, albo zwiększenie zasięgu. LoRa-WAN (ang. Long Range Wide Area Network) to natomiast dwukierunkowy protokół MAC (ang. Medium Access Protocol – protokół dostępu do łącza), opracowany pod kątem dużej wydajności, dalekiego zasięgu i małego poboru mocy. Pojęcia te nie są zatem tożsa-me. LoRaWAN optymalizuje zużycie energii oraz obsługuje mechanizmy optymalizacji ruchu pomiędzy węzłami. Tworzenie bezpiecznych połączeń gwarantuje mechanizm szyfrowania punkt-punkt. Protokół obsługuje również bezprzewodową rejestrację nowych urządzeń w sieci i nadawanie w trybie multicast (komunikacja jeden-do-wielu).
Od strony formalnej za standard LoRa odpowiada LoRa Alliance. Jest to otwarte stowarzyszenie non-profit, które od momentu powstania w 2015 r. stało się jednym z największych i najszybciej rozwijających się sojuszy w sektorze technologicznym. Jego członkowie ściśle współpracują i dzielą się doświadczeniami w celu promowania i napędzania rozwoju standardu LoRa, który uważają za wiodący, otwarty i globalny standard bezpiecznej łączności IoT.
Typowa architektura sieci LoRaWAN została przedstawiona na rysunku.
Składa się ona z czterech podstawowych komponentów:
urządzeń końcowych ED (ang. End Nodes),
bramek (stacji bazowych, routerów) GW (ang Gateway),
serwera sieciowego NS (ang. Network Server),
serwera aplikacyjnego AS (ang. Application Server).
Urządzenia końcowe (węzły) ED to rozproszone elementy sieci, realizujące określone funkcje czujnikowe i pomiarowe. Mają niewielką moc obliczeniową, ale są wyposażone w moduł komunikacji bezprzewodowej, którym wysyłają odbierane dane do bramek. Transmisja z węzła do bramki określana jest mianem Uplink, a w drugą stronę Downlink. W zależności od ilości przesyłanych danych i zużywanej energii węzły dzielą się na klasy A, B i C. Bramki (modemy, punkty dostępu) GW odbierają dane wysyłane przez urządzenia końcowe ED za pomocą LoRaWAN. Z założenia są one przezroczyste i mają ograniczoną moc obliczeniową. Ich główna rola to konwersja medium transmisyjnego i pakietów na dalszą transmisję za pomocą tradycyjnej sieci IP. Serwer sieciowy NS jest odbiorcą wszystkich danych wysyłanych przez węzły za pośrednictwem bramek. Ma dużą moc obliczeniową i realizuje złożone procesy przetwarzania danych. Może być oparty o bezpośrednią infrastrukturę fizyczną lub zrealizowany w chmurze obliczeniowej. Może współpracować, i często współpracuje, z centrum baz danych. Serwer aplikacji AS to serwer, który obsługuje zasadniczą aplikację, realizującą określone zadania i dostarczającą określoną usługę. Warto zaznaczyć, że serwerów aplikacji może być więcej niż jeden a aplikacje i usługi mogą być różne, chociaż mogą bazować na tej samej sieci i części lub całości tych samych danych.
Siła i popularność technologii LoRaWAN wynika m.in. z tego, że do transmisji wyko-rzystuje nielicencjonowane megahercowe pasma ISM (ang. Industrial, Scientific, Medical – „przemysłowe, naukowe, medyczne”):
169 MHz (Azja),
433 MHz (Azja),
868 MHz (Europa),
915 MHz (Ameryka Północna).
Osiągane odległości transmisyjne pomiędzy komunikującymi się ze sobą urządzeniami mogą być liczone w kilometrach, oczywiście w zależności od ukształtowania i typu terenu oraz rodzaju i umiejscowienia anten. Osiągnięcie takiego zasięgu wiąże się jednak z ceną, którą jest jak wspomniano wcześniej niewielki transfer danych, który może wahać się, w zależności od konfiguracji modemu od kilobajtów, do pojedynczych bajtów na sekundę. Pomimo tego osiągnięcie tak dużych odległości kosztem niewielkiego zużycia energii nie byłoby możliwe bez zastosowania odpowiedniej modulacji sygnału radiowego. W LoRa-WAN wykorzystywana jest do tego celu modulacja CSS (ang. Chirp Spread Spectrum), w której strumień danych modulowany jest sygnałem o liniowo wzrastającej częstotliwości.
Realizacja procesu modulacji sygnału CSS jest zależna od jej trzech głównych parametrów:
BW (ang. Modulation Bandwidth) – opisuje w jakim zakresie zmienia się częstotliwość modulująca,
SF (ang. Spread Factor) – określa jak szybko zmienia się częstotliwość modulująca,
CR (ang. Code Rate) – wprowadza redundancję, zapewniając jednocześnie korekcję błędów powstałych podczas transmisji.
To te parametry wpływają na maksymalny zasięg oraz przepustowość łącza LoRaWAN i mogą mogą przyjmować następujące wartości:
BW {7,8 kHz, 10,4 kHz, 15,6 kHz, 20,8kHz, 31,25 kHz, 41,7 kHz, 62,5 kHz, 125 kHz, 250 kHz, 500 kHz}
SF {6, 7, 8, 9, 10, 11, 12},
CR {4/5, 4/6, 4/7, 4/8}.