LoRa это способ модуляции радиосигнала позволяющий осуществлять передачу низкоскоростных данных на большие расстояния с высокой энергоэффективностью. Технология запатентована компанией Semtech, производящей трансиверы для конечных устройств и наборы микросхем для шлюзов. В настоящее время выпускаются компоненты и устройства работающие в нелицензируемом ISM диапазоне (Европа 868/433 МГц, США и Япония 915МГц, Азия 430Мгц) что позволяет строить сети не запрашивая специального разрешения на выделение частотного диапазона.
LoRaWAN - открытый стандарт для построения энергоэффективных беспроводных сетей большого радиуса действия (LPWAN). Этот стандарт может использоваться как для закрытых, корпоративных, так и для открытых, операторских, сетей любого масштаба. Благодаря сверхнизкому энергопотреблению оконечных устройств и простоте развертывания, LoRaWAN хорошо подходит для использования в качестве транспорта в Интернете вещей (IoT).
Протокол LoRaWAN разрабатывается и поддерживается LoRa Alliance в который, на сегодняшний день, входит более 400 участников. В числе участников альянса - крупнейшие мировые производители оборудования и операторы связи. Устройства разных производителей, поддерживающие стандарт, могут работать в составе одной сети что дает потребителю независимость от одного поставщика.
Архитектура сетей LoRaWAN проста и изначально ориентирована на виртуализацию. Это значительно упрощает развертывание сетей позволяя использовать стандарт даже пользователям не обладающими специальными знаниями в области построения радиосетей.
Сети LoRaWAN хорошо подходят для организации сбора данных при решении городских задач, в сельском хозяйстве, в промышленности и в других отраслях где необходима высокая дальность передачи данных с устройств на автономном питании. Благодаря симметричной двунаправленной передаче, сети LoRaWAN позволяют реализовывать не только сбор данных, но и управление различными объектами, удаленно изменять конфигурацию и осуществлять обновление ПО оконечных устройств.
Устройства в сетях LoRaWAN делятся на три класса: A, B и C.
Устройства класса A максимально ориентированы на энергоэффективность. Как правило, это устройства с автономным питанием от батарейки или аккумулятора, периодически передающие и крайне редко принимающие данные. Передать данные устройствам этого класса можно только в специальном временном окне приёма, которое открывается устройством после передачи данных. Такими устройствами обычно являются счетчики воды и газа, различные датчики.
Устройства класса B сбалансированы между энергоэффективностью и возможность передавать данные на устройство. Как правило, это устройства управления с автономным питанием от батарейки или аккумулятора. Устройства класса B открывают окна приема данных по заданному расписанию, что позволяет оперативно передавать им команды.
Устройства класса C всегда находятся в режиме приема, кроме промежутков времени, когда они осуществляют передачу данных. Как правило, это устройства с постоянным внешним питанием. Кроме того, устройства данного класса поддерживают получение данных в режиме multicast, то есть получение одного и того же пакета данных сразу большим количеством устройств. Данная функция позволяет использовать их в системах группового управления таких, например, как городское освещение.
Сеть LoRaWAN состоит из шлюзов (базовых станций), сетевого сервера и конечных устройств.
Шлюзы отвечают за беспроводную связь между конечными устройствами и сетью, осуществляя обмен пакетами между радиосредой и сетевым сервером. В сетях LoRaWAN, как правило, шлюзы оборудованы всенаправленными антеннами. Один шлюз обеспечивает зону радио покрытия с радиусом до 2.5 км в городских условиях и до 10-15 км на открытых пространствах. Шлюзы взаимодействуют с сетевым сервером через сеть Интернет открывая защищенный туннель для передачи данных. Строительство какой либо специализированной транспортной сети для подключения шлюзов не требуется, что позволяет использовать в качестве транспорта подключение через любую проводную или беспроводную, в том числе мобильную, сеть, предоставляющую доступ в сеть Интернет.
Сетевой сервер хранит информацию обо всех шлюзах и конечных устройствах сети и осуществляет управление всеми компонентами, мощностью и скоростью передачи данных в сети и собственно обмен данными с конечными устройствами. Приложения подключаются к сетевому серверу через API, после чего могут принимать данные с устройств и отправлять данные на устройства.
В зависимости от расстояния между конечным устройством и шлюзом может изменяться скорость передачи данных. Это позволяет, с одной стороны, поддерживать большой радиус покрытия шлюза, с другой стороны, оптимизировать использование радиочастотного спектра.
В сетях LoRaWAN защита передаваемых данных реализована как на сетевом уровне, так и на уровне приложений.
Cетевой уровень безопасности обеспечивает авторизацию конечных устройств при подключении к сети и проверку достоверности пакетов как на стороне конечного устройства, так и на стороне сетевого сервера.
Уровень безопасности приложения обеспечивает шифрование передаваемых внутри пакетов данных с помощью алгоритма AES и 128 битных ключей. При этом, ключи могут быть как статическими, предзагруженными в конечное устройство и сетевой сервер, так и динамическими, генерируемыми в момент подключения устройства к сети.
Такое разделение позволяет, при необходимости, обеспечить закрытость передаваемых данных приложения даже от оператора сети LoRaWAN.