Apa Itu LoRaWAN? [Perincian Teknis]

Berpikir untuk menggunakan LoRaWAN untuk menerapkan solusi IoT Anda? Akhir-akhir ini ada beberapa peningkatan momentum untuk protokol ini (contoh kasus:machineQ), yang berfungsi dengan baik untuk aplikasi sederhana yang digunakan di jaringan publik. Namun, jika Anda mengembangkan solusi jaringan pribadi untuk penggunaan industri atau perusahaan, ada beberapa batasan pada teknologi ini yang perlu Anda ketahui (dan protokol alternatif yang, dalam banyak kasus, akan melayani Anda dengan lebih baik).

Lihat contoh LoRaWAN Gateway untuk developer.

Dalam artikel ini, kita akan melihat secara mendalam:

• Perbedaan LoRa &LoRaWAN
• Cara Kerja LoRaWAN
• LoRaWAN Kelas A, B, &C
• Rasio Chirp, Keuntungan Pemrosesan, &Ortogonalitas
• Hambatan Untuk Membangun Jaringan Pribadi Dengan LoRaWAN
• Solusi Alternatif:Tautan Simfoni
  
  

Perbedaan LoRa &LoRaWAN

Terkadang orang berpikir istilah LoRa dan LoRaWAN artinya sama, tapi berbeda.

LoRa adalah metode untuk mentransmisikan sinyal radio yang menggunakan format multi-simbol berkicau untuk menyandikan informasi. Ini adalah sistem berpemilik yang dibuat oleh produsen chip Semtech; IP LoRa-nya juga dilisensikan ke produsen chip lainnya. Pada dasarnya, chip ini adalah chip radio band ISM standar yang dapat menggunakan LoRa (atau jenis modulasi lain seperti FSK) untuk mengubah frekuensi radio menjadi bit, tanpa perlu menulis kode untuk mengimplementasikan sistem radio. LoRa adalah teknologi lapisan fisik tingkat rendah yang dapat digunakan di semua jenis aplikasi di luar area yang luas.

LoRaWAN adalah protokol jaringan point-to-multipoint yang menggunakan skema modulasi LoRa Semtech. Ini bukan hanya tentang gelombang radio; ini tentang bagaimana gelombang radio berkomunikasi dengan gateway LoRaWAN untuk melakukan hal-hal seperti enkripsi dan identifikasi. Ini juga mencakup komponen cloud, yang terhubung dengan beberapa gateway. LoRaWAN jarang digunakan untuk aplikasi industri (jaringan pribadi) karena keterbatasannya.

Ada protokol open source lain untuk LoRa yang mungkin lebih cocok untuk kasus penggunaan Anda; unduh buku putih ini untuk penjelasan yang jelas tentang perbandingannya dengan LoRaWAN.

Cara Kerja LoRaWAN

Pada tingkat yang paling mendasar, protokol radio seperti LoRaWAN cukup sederhana. Cara jaringan bintang berkomunikasi mirip dengan profesor dan mahasiswa dalam kuliah. Gateway (profesor) berbicara ke node akhir (kelas), dan sebaliknya. Ini adalah hubungan asimetris dalam hal komunikasi. Semua orang di kelas dapat mencoba berkomunikasi dengan profesor pada saat yang sama, tetapi profesor tidak akan dapat mendengar atau memahami mereka sekaligus. Meskipun sangat disederhanakan, banyak elemen topologi bintang kembali ke analogi ini.

Lihat contoh LoRaWAN Gateway untuk developer.

Inilah yang terlihat dalam praktik:Katakanlah, misalnya, Anda memiliki empat gateway dan satu node. Node mentransmisikan ke spektrum radio secara membabi buta, dan gateway mana pun yang cukup beruntung untuk mendengar transmisi dapat mengambilnya dan mengirimkannya ke cloud. Ada kemungkinan bahwa keempat gateway dapat mendengar pesan itu dan mengirimkannya. (Satu keuntungan dari ini:Pesan masih dapat ditransmisikan meskipun tautannya sangat lemah. Jika sebuah node mentransmisikan lima pesan dan hanya satu yang berhasil, pesan Anda masih terkirim.)

Setelah pesan terkirim, tidak ada pengakuan penerimaan. Namun, node di LoRaWAN bisa meminta pengakuan. Jika pengakuan diminta dan keempat gateway mengambil pesan yang sama, cloud memilih satu gateway untuk merespons pada waktu yang tetap, biasanya beberapa detik kemudian. Masalahnya, apakah ini:Saat gateway itu mentransmisikan kembali ke node, ia berhenti mendengarkan yang lainnya. Jadi, jika aplikasi Anda membutuhkan banyak pengakuan, kemungkinan besar aplikasi akan menghabiskan lebih banyak waktu untuk mengirimkan pengakuan daripada mendengarkan, yang pada akhirnya akan menyebabkan runtuhnya jaringan.

Diagram di atas menunjukkan bagaimana LoRaWAN beroperasi. Bilah atas menunjukkan apakah gateway sedang mentransmisikan atau tidak. (Jika berwarna oranye, berarti memancarkan; jika berwarna biru, tidak.) Bilah di bagian bawah menunjukkan saluran penerima. Hampir semua sistem LPWAN, termasuk LoRaWAN, memiliki beberapa saluran penerimaan, dan sebagian besar sistem LoRaWAN dapat menerima delapan pesan secara bersamaan, di sejumlah saluran frekuensi.

LoRaWAN Kelas A, B, &C

LoRaWAN memiliki tiga kelas yang beroperasi secara bersamaan. Kelas A murni asinkron, yang kami sebut sistem ALOHA murni. Ini berarti node akhir tidak menunggu waktu tertentu untuk berbicara dengan gateway—mereka hanya mentransmisikan kapan pun mereka perlu dan tidak aktif sampai saat itu. Jika Anda memiliki sistem yang terkoordinasi dengan sempurna melalui delapan saluran, Anda dapat mengisi setiap slot waktu dengan sebuah pesan. Segera setelah satu node menyelesaikan transmisinya, yang lain segera dimulai. Tanpa ada celah dalam komunikasi, kapasitas maksimum teoritis dari jaringan aloha murni adalah sekitar 18,4% dari maksimum ini. Hal ini sebagian besar disebabkan oleh tabrakan, karena jika satu node sedang mentransmisikan dan yang lain bangun dan memutuskan untuk mentransmisikan di saluran frekuensi yang sama dengan pengaturan radio yang sama, mereka akan bertabrakan.

Kelas B memungkinkan pesan dikirim ke node bertenaga baterai. Setiap 128 detik, gateway mengirimkan suar. (Lihat slot waktu di bagian atas diagram.) Semua base station LoRaWAN mengirimkan pesan beacon pada waktu yang sama persis, karena menjadi budak satu pulsa per detik (1PPS). Ini berarti bahwa setiap satelit GPS di orbit mentransmisikan pesan di awal setiap detik, memungkinkan waktu untuk disinkronkan di seluruh dunia. Semua node Kelas B diberi slot waktu dalam siklus 128 detik dan diberi tahu kapan harus mendengarkan. Anda dapat, misalnya, memberi tahu sebuah node untuk mendengarkan setiap slot waktu kesepuluh, dan ketika ini muncul, itu memungkinkan pesan downlink untuk dikirim (lihat diagram di atas).

Kelas C memungkinkan node untuk mendengarkan secara konstan dan pesan downlink dapat dikirim kapan saja. Ini digunakan terutama untuk aplikasi bertenaga AC, karena membutuhkan banyak energi untuk menjaga node tetap aktif menjalankan receiver setiap saat.

Rasio Chirp, Keuntungan Pemrosesan, &Ortogonalitas

Catatan:Di LoRaWAN, Spreading Factor (SF) mengacu pada kecepatan kicauan. Grafik ini menunjukkan Modulasi Kicau LoRa dari waktu ke waktu. SF yang berbeda dapat didekodekan dalam saluran frekuensi yang sama pada waktu yang sama.

LoRa bekerja dengan menggerakkan nada RF dari waktu ke waktu dengan cara yang sangat linier. Grafik ini menunjukkan kicauan di air terjun terbalik—data terbaru ada di atas, yang disebut “kicau naik”. Anda dapat melihat bagaimana frekuensi nada ini meningkat dari waktu ke waktu. Transmisi LoRa bekerja dengan kicau, memecah chip di tempat yang berbeda dalam hal waktu dan frekuensi untuk mengkodekan simbol. Fakta bahwa transmisi LoRa melompat dari satu tempat ke tempat lain pada waktu tertentu mungkin berarti satu bit string vs yang lain. Ini bukan hanya biner—ia memiliki banyak informasi yang dapat Anda sampaikan (kedalaman simbol yang tinggi).

Pikirkan, sejenak, tentang keying shift frekuensi murni (FSK). Jika sebuah nada tidak bergerak selama beberapa waktu dan kemudian melompat ke tempat lain untuk sementara waktu, Anda akan melihat garis, atau nada yang berbeda. Ini disebut FSK 2-ary, yang menunjukkan dua simbol frekuensi. M-ary FSK memiliki beberapa nada frekuensi yang dapat mewakili lebih banyak simbol. LoRa telah mengambil konsep ini, tetapi ia melakukan segalanya dengan cepat. Jadi, itu mendapatkan keuntungan pemrosesan. Karena memiliki pola yang sangat berbeda, receiver LoRa dapat mendeteksi kicauan yang lebih pelan, yaitu di bawah lantai kebisingan. Jika Anda memiliki transmisi lain yang terjadi di saluran yang sama pada tingkat kicauan yang berbeda, itu adalah ortogonal—artinya dapat dideteksi pada waktu yang sama. Semua yang dikatakan, ada banyak kapasitas di sisi penerima.

Hambatan Untuk Membangun Jaringan Pribadi Dengan LoRaWAN

LoRaWAN bekerja dengan baik untuk beberapa aplikasi, tetapi tidak cocok untuk solusi yang digunakan pelanggan (juga dikenal sebagai jaringan pribadi). Alasan utamanya adalah:

• Koeksistensi beberapa gateway memungkinkan terjadinya interferensi. Dengan LoRaWAN, semua gateway—tidak peduli siapa yang memiliki atau mengoperasikannya—disetel ke frekuensi yang sama. Itu berarti jaringan LoRaWAN Anda melihat semua lalu lintas saya dan sebaliknya. Lebih baik hanya memiliki satu jaringan yang beroperasi di satu area untuk menghindari masalah tabrakan.

  Namun, dimungkinkan untuk bekerja melalui Aliansi LoRa untuk memiliki saluran khusus yang disisihkan untuk penggunaan tertentu. Operator jaringan juga dapat membatasi jumlah downlink di jaringan mereka dari sisi server untuk memastikan titik akhir dengan prioritas rendah tidak "menyumbat" jaringan dengan lalu lintas downlink.

• Ini tidak menjamin penerimaan pesan. LoRaWAN adalah protokol berbasis ALOHA asinkron di mana tingkat kesalahan paket (PER) lebih dari 50 persen adalah hal biasa. Ini bagus untuk beberapa aplikasi pembacaan meter, tetapi untuk jaringan sensor industri atau perusahaan atau sistem kontrol, 0 persen PER adalah persyaratan. Metode pengiriman pesan “semprot-dan-berdoa” tidak sesuai untuk sebagian besar kasus penggunaan industri, itulah sebabnya LoRaWAN paling cocok untuk jaringan yang berfokus pada uplink.
• Ini membutuhkan banyak pekerjaan pengembangan. Tantangan lain yang dihadapi pelanggan kami adalah bahwa LoRaWAN terutama merupakan lapisan data link (MAC) (OSI Layer 2), dengan hanya beberapa elemen dari lapisan jaringan (OSI Layer 3). Sampai hari ini, tidak ada vendor yang menyediakan solusi LoRaWAN ujung ke ujung. Sebagai gantinya, Anda perlu bekerja dengan banyak vendor untuk memperoleh node, gateway, server backend, dan setiap bagian ekosistem lainnya secara terpisah. Meskipun hal ini memungkinkan banyak fleksibilitas dalam aplikasi, hal ini membuat pengembang aplikasi harus bekerja keras untuk menghasilkan penawaran produk yang lengkap. Ini termasuk paketisasi, kontrol downlink, multicast, dll.
• Ada batasan siklus kerja. Ada beberapa batasan yang melekat pada pita 868 MHz di jaringan publik. Di Eropa, batasan utama adalah siklus tugas satu persen (dalam banyak kasus). Ini berarti jika Anda mengukur rata-rata lama waktu yang ditransmisikan gateway dari waktu ke waktu, itu tidak boleh melebihi satu persen. Karena itu, gateway sangat terbatas dalam hal seberapa banyak yang dapat ditransmisikan. Di AS, peraturan FCC untuk pita ISM tidak memiliki batasan seperti itu.

• Ini memiliki ukuran muatan unit transmisi maksimum (MTU) variabel. Keterbatasan besar lainnya dari LoRaWAN adalah bahwa ukuran muatan MTU bervariasi berdasarkan faktor penyebaran yang diberikan jaringan ke node. Dengan kata lain—jika Anda jauh dari gateway, jumlah byte yang dapat Anda transmisikan kecil, tetapi jika Anda dekat, jumlahnya jauh lebih besar; Anda tidak bisa mengetahuinya sebelumnya. Oleh karena itu, firmware atau aplikasi node harus mampu mengakomodasi perubahan di sisi payload pada lapisan aplikasi, yang sangat menantang saat Anda mengembangkan firmware.

  Sebagian besar pengembang memecahkan masalah ini dengan memilih MTU terkecil yang tersedia pada faktor penyebaran tertinggi yang dapat ditetapkan jaringan, yang dalam banyak kasus sangat kecil, seringkali kurang dari 12 byte. Jadi node LoRaWAN yang perlu mengirim data dalam jumlah yang lebih besar, misalnya 300 byte, harus mengirimkannya dalam 30 pesan 10-byte karena mereka mungkin menghadapi situasi di mana mereka diberi MTU kecil. Akibatnya, node tersebut mentransmisikan lebih dari yang diperlukan karena perubahan perangkat lunak kompleks yang diperlukan untuk menangani perubahan nilai MTU ini.

LoRaWAN baik-baik saja jika Anda ingin membangun jaringan publik yang dimiliki dan dioperasikan oleh operator. Ada banyak penyedia perangkat keras dan server jaringan yang bersaing di ruang ini, jadi ada banyak pilihan. Dan untuk aplikasi sederhana, di mana Anda tidak memiliki banyak node dan tidak membutuhkan banyak pengakuan, LoRaWAN berfungsi. Tetapi jika kebutuhan Anda lebih kompleks, Anda pasti akan menemui hambatan serius. Banyak pengguna LoRaWAN belum mengalami hambatan tersebut hanya karena jaringan mereka masih cukup kecil. Coba gunakan LoRaWAN untuk mengoperasikan jaringan publik dengan ribuan pengguna melakukan hal yang berbeda, dan kesulitannya pasti akan meroket.

Selain itu, mengembangkan dan menerapkan sistem di sekitar LoRaWAN adalah proses yang kompleks. Salah satu alasan kami menulis artikel ini adalah karena kami memiliki pelanggan yang mendekati kami yang mendapat kesan bahwa LoRaWAN "berfungsi di luar kotak" seperti beberapa modem WiFi atau seluler. Pastikan Anda memahami semua arsitektur dan memiliki pemahaman yang baik tentang cara kerja sistem sebelum memutuskan rute terbaik untuk Anda.

Solusi Alternatif:Tautan Simfoni

Symphony Link adalah tumpukan protokol LoRa alternatif yang dikembangkan oleh Link Labs. Untuk mengatasi keterbatasan LoRaWAN—dan menyediakan fungsionalitas canggih yang dibutuhkan sebagian besar organisasi untuk berhasil menerapkan solusi IoT—kami membangun perangkat lunak kami sendiri di atas chip Semtech. Beberapa fitur lanjutannya meliputi:

• Sebuah tautan dua arah untuk penerimaan pesan dijamin 100 persen. Node dan gateway dapat berkomunikasi dengan andal baik ke atas maupun ke bawah.
• Ini menggunakan topeng saluran dinamis yang dikendalikan oleh gateway, memungkinkan beberapa gateway untuk hidup berdampingan dengan tabrakan sesedikit mungkin. Hingga 48 gateway dapat hidup berdampingan tanpa memengaruhi kinerja.
• Tidak ada batasan siklus kerja , karena di Eropa, Symphony Link menggunakan Band 900 MhZ.
• Symphony Link memiliki kapasitas yang lebih tinggi dari LoRaWAN , dengan MTU tetap 256 byte. Ini menangani semua sub-paket dan mencoba lagi pengiriman pesan bila diperlukan untuk memastikan pengiriman.
• Symphony Link adalah solusi IoT ujung ke ujung yang lengkap yang bekerja langsung dari kotak. Anda dapat mengaktifkan dan menjalankan aplikasi lebih cepat dibandingkan dengan LoRaWAN.

Ada banyak alasan lain mengapa perusahaan memilih Symphony Link; Anda dapat membaca lebih lanjut tentang itu di situs web kami. Atau, jika Anda ingin melihat bagaimana Symphony Link dapat bekerja untuk kasus penggunaan khusus Anda, jadwalkan demo gratis teknologi hari ini. Kami akan menunjukkan cara kerjanya untuk LPWA Anda; cara mengatur gateway dan dev kit di Symphony Conductor; dan meninjau langkah-langkah integrasi, anggaran daya, dan jangkauan. Atau, jika Anda memiliki pertanyaan tentang teknologi, hubungi saja.