Спецификация LoRaWAN представляет собой широкополосный сетевой протокол малой мощности (LPWA), предназначенный для беспроводного подключения «вещей», к региональным, национальным или глобальным сетям и ориентирован на основные требования к Интернету, такие как двунаправленная связь, сквозная безопасность, мобильность и услуги локализации.
Сетевая архитектура LoRaWAN развертывается в топологии «звезда - звезда», в которой шлюзы ретранслируют сообщения между конечными устройствами и центральным сетевым сервером. Шлюзы подключаются к сетевому серверу через стандартные IP-соединения и работают как прозрачный мост, просто преобразуя RF-пакеты в IP-пакеты и наоборот. Беспроводная связь использует преимущества Long Range (Диапазон Дальнего Действия) для физического уровня LoRa, позволяя одноточечное соединение между конечным устройством и одним или несколькими шлюзами. Все режимы способны к двунаправленной связи, и есть поддержка групп многоадресной адресации для эффективного использования спектра во время таких задач, как модернизация прошивки по воздуху (FOTA) или другие сообщения массового распространения.
Характеристики определяют параметры физического уровня (LoRaWAN) устройства для инфраструктуры (LoRa®) и, таким образом, обеспечивают бесшовную интероперабельность между производителями, о чем свидетельствует программа сертификации устройств.
Хотя спецификация определяет техническую реализацию, она не определяет какую-либо коммерческую модель или тип развертывания (публичный, коллективный, частный, корпоративный), и поэтому предлагает отрасли свободу инноваций и дифференциации того, как она используется.
LoRaWAN имеет три разных класса конечных устройств для удовлетворения различных потребностей, отраженных в широком спектре приложений:
-
Класс A - двунаправленные конечные устройства c наименьшей мощностью:
Класс А должен поддерживаться всеми конечными устройствами LoRaWAN по умолчанию. Передача всегда инициируется конечным устройством и полностью асинхронна. Каждая передача по восходящей линии связи может быть отправлена в любое время и за ней следуют два коротких окна нисходящей линии связи, что дает возможность для двунаправленной связи или команд управления сетью, если это необходимо. Это протокол типа ALOHA.
Конечное устройство может войти в режим с низким энергопотреблением в зависимости от его индивидуальных настроек. Это делает класс A самым энергоэффективным и время жизни сенсора от 5 лет и выше, в то же время позволяя осуществлять связь по восходящей линии связи в любое время.
Поскольку связь по нисходящей линии связи всегда должна следовать за передачей по восходящей линии связи с расписанием, определенным приложением конечного устройства, связь по нисходящей линии связи должна буферизоваться на сетевом сервере до следующего события восходящей линии связи.
-
Класс B - Двунаправленные конечные устройства с определенным временем ожидания нисходящего потока
В дополнение к начальным окнам приема класса А, устройства класса B синхронизируются с сетью с использованием периодических маяков и открывают «слоты для проверки» нисходящего потока по расписанию. Это обеспечивает сети возможность отправлять нисходящую связь с определенной задержкой, но за счет некоторого дополнительного энергопотребления в конечном устройстве. Задержка программируется до 128 секунд для разных приложений, а дополнительное энергопотребление достаточно низкое, чтобы оставаться в силе для приложений с батарейным питанием.
-
Класс C - двунаправленные конечные устройства с наименьшей задержкой:
В дополнение к структуре класса A в восходящей линии связи, за которой следуют два окна нисходящей линии связи, класс C дополнительно уменьшает задержку на нисходящей линии связи, постоянно поддерживая прием на конечном устройстве, когда устройство не передает (полудуплекс). Исходя из этого, сетевой сервер может инициировать передачу по нисходящей линии связи в любое время, если приемник конечного устройства открыт, поэтому нет задержки. Компромиссом является утечка мощности приемника (до ~ 50 мВт), и поэтому класс C подходит для приложений, где имеется непрерывная мощность.
Для устройств с батарейным питанием возможно временное переключение между классами A и C, что полезно для периодических задач, таких как обновление прошивки через эфир.
Скорости передачи данных
В дополнение к скачкообразной перестройке частоты все пакеты связи между конечными устройствами и шлюзами также включают в себя параметр «Скорость передачи данных» (Data Rate). Выбор DR позволяет установить динамический компромисс между диапазоном связи и продолжительностью сообщения. Кроме того, благодаря технологии с расширенным спектром, связь с различными DR не мешает друг другу и создает набор виртуальных «кодовых» каналов, увеличивающих пропускную способность шлюза. Чтобы максимально увеличить время автономной работы конечных устройств и общую пропускную способность сети, сетевой сервер LoRaWAN управляет настройкой DR и выходной мощностью RF для каждого конечного устройства индивидуально с помощью схемы адаптивной скорости передачи данных (ADR).
Скорость передачи данных в режиме LoRaWAN колеблется от 0,3 кбит/с до 50 кбит/с (в режиме FSK).
Безопасность является основной задачей для любого массового развертывания IoT, а спецификация LoRaWAN определяет два уровня криптографии:
- Уникальный 128-разрядный ключ сетевого сеанса, совместно используемый между конечным устройством и сетевым сервером (NwkSKey)
- Уникальный 128-битный ключ сеанса приложения (AppSKey), совместно используемый на уровне приложения.
Алгоритмы AES используются для обеспечения аутентификации и целостности пакетов на сетевом сервере и сквозного шифрования на сервере приложений. Предоставляя эти два уровня, становится возможным реализовать «многопользовательские» общие сети без того, чтобы оператор сети имел видимость данных полезной нагрузки пользователей.
Ключи могут быть активированы с помощью персонализации (ABP) на производственной линии или при вводе в эксплуатацию или же могут быть активированы «по воздуху» непосредственно на месте подключения (OTAA). OTAA позволяет при необходимости повторно подключать устройства.
