Ce este LoRa?

LoRa (Long Range) este o tehnologie patentată de comunicații digitale, dezvoltată de Cycleo din Grenoble, Franța, și achiziționată de Semtech în 2012. LoRa utilizează benzi de frecvență radio unde nu este necesară o licență, cum ar fi 169 MHz, 433 MHz, 868 MHz (Europa) și 915 MHz (America de Nord). LoRa permite transmisii cu rază lungă de acțiune (mai mult de 10 km în zonele rurale sau câmp deschis) cu un consum redus de energie. Tehnologia este prezentată în două părți - LoRa, dispozitivul numit și physical layer (stratul fizic) în engleză și LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) numit și upper layer (straturile superioare) în engleză. ¹

La ora actuala patentul este achiziționat de Semtech, HopeRF și Microchip: ^{2 3}

Modulul Semtech SX1272	Modulul Microchip RN2483	Modulul HopeRF RF96

Un astfel de modul conține în principal microprocesor ce asigură:

• comunicarea serială UART, de regulă cu un alt microprocesor;
• pini IO cu funcție digitală sau analogică;
• ceasul real;
• comunicația folosind protocolul I2C – cu memoria EPROM;
• comunicația SPI – cu partea radio a protocolului LoRa;
• comunicația cu protocolul LoRaWAN.

Schema bloc a unui astfel de modul (RN2483), cu pinii aferenți, este prezentată în cele ce urmează:

Schema bloc RN2483	Pinii modului RN2483	Placa SMD RN2483

Protocolul stratului fizic LoRa este proprietar (cu sursă închisă); prin urmare, nu există o documentație oficială disponibilă în mod liber. Cu toate acestea, curiozitatea și setea de cunoaștere a făcut ca mai multe persoane să analizeze protocolul.

Comunicația bidirecțională este realizată prin modularea spectrului de frecvențe împrăștiate (CSS) care răspândește semnalul de bandă îngustă pe o lățime de bandă mai mare a canalului. Semnalul rezultat are niveluri scăzute de zgomot, permițând o rezistență ridicată la interferențe și este dificil de detectat sau blocat.

LoRa utilizează șase factori de împrăștiere (de la SF7 la SF12) pentru a adapta rata de transfer și intervalul de tranzacționare. Un factor mai mare de împrăștiere permite un interval mai lung de tranzacționare, în detrimentul unei rate mai scăzute a datelor și viceversa. Rata de date LoRa este între 250 bps și 50 kbps(FSK), în funcție de factorul de împrăștiere și de lățimea de bandă a canalului. Mai mult, mesajele transmise folosind diferiți factori de împrăștiere pot fi recepționați simultan de către stația de bază LoRa.

Comunicațiile cu spectru împrăștiat.

Teorema Shannon-Hartley

În teorie, teorema Shannon-Hartley stabilește rata maximă la care informațiile pot fi transmise pe un canal de comunicație cu o lățime de bandă specificată în prezența zgomotului.
Teorema stabilește capacitatea canalului Shannon pentru o comunicație și definește rata maximă (a informației) ce poate fi transmisă într-o lățime de bandă specificată în prezență interferențelor (zgomotului):

\[ C=B \cdot log_{2} \cdot \left ( 1 + \frac{S}{N} \right )\]

unde:
\(C\) – capacitatea canalului \([bit/s]\);
\(B\) – lățimea canalului \([Hz]\);
\(S\) – puterea medie a semnalului recepționat \([W]\);
\(N\) – puterea semnalului de interferență său a zgomotului \([W]\);
\(S/N\) – raportul semnal zgomot (SNR).
Rearanjând ecuația de mai susu din logaritm în bază 2 în logaritm natural, e, acesta devine:

\[ \frac{C}{B} = 1,433 \cdot \frac{S}{N} \]

În aplicațiile cu spectru larg, raportul semnal zgomot este mic, deoarece puterea semnalului este adesea sub pragul de zgomot. Astfel dacă presupunem un raport zgomot S/N << 1, ecuația de mai sus devine:

\[ \frac{C}{B} \approx \frac{S}{N} \]

sau

\[ \frac{N}{S} \approx \frac{B}{C} \]

Din ecuația de mai sus se poate observa că pentru a transmite informații fără erori, într-un canal cu raport fix între zgomot și semnal, trebuie mărită numai lărgimea de bandă a semnalului transmis.

Principiile Spectrului Împrăștiat

După cum s-a menționat mai sus, prin creșterea lărgimii de bandă a semnalului putem compensa alterarea transmisie datorată raportului semnal-zgomot (sau zgomot-semnal) al unui canal radio.

În sistemele tradiționale cu secvență directă a spectrului împrăștiat (DSSS - Direct Sequence Spread Spectrum), faza purtătoarei emițătorului se modifică în conformitate cu o secvență de cod. Acest proces este în general realizat prin înmulțirea semnalului de date dorit cu un cod de propagare, cunoscut și ca o secvență de cipuri (chips – este o secvență binară). Secvența de cipuri are loc într-o rată mult mai mare decât semnalul de date și astfel se răspândește lățimea de bandă a semnalului dincolo de lățimea de bandă originală ocupată doar de semnalul original. Reținem că termenul cip este utilizat pentru a distinge biții (mai scurți) aferenți codificării de biții necodați aferenți semnalului de informație.

Modularea cu spectru împrăștiat

La receptor, după recepția semnalului modulat, semnalul de date aferent informației este recuperat prin remultiplicarea cu o replică generată local secvenței de cipuri. Acest proces de multiplicare în receptor comprimă efectiv semnalul, ce a fost împrăștiat, înapoi la lățimea de bandă originală ne-împrăștiată având practic loc de-modularea, așa cum este ilustrat mai jos în figura de mai jos. Trebuie remarcat faptul că aceeași secvență sau cod de chipuri trebuie să fie utilizate în receptor ca în emițător pentru a recupera corect informațiile.

Demodularea semnalului cu spectru împrăștiat

Cantitatea de împrăștiere, pentru secvența directă, depinde de raportul dintre "chip-uri pe bit" - raportul dintre secvența de cipuri și rata de date dorită, este denumită câștigul de procesare (Gp), de obicei exprimată în dB.

\[ G_{p} = 10 \cdot log_{10} \left ( \frac{R_{c}}{R_{b}} \right ) \left [ dB \right ]\]

unde:

\(R_c\) – rata cip-uri \([cip/s]\);
\(R_b\) – rata biților \([bit/s]\).

Pe lângă faptul că oferă câștig de procesare inerent pentru transmisia dorită (care permite receptorului să recupereze corect semnalul de date chiar și atunci când SNR-ul canalului este o valoare negativă); semnalele de interferență sunt de asemenea reduse în câștigul de procesare (Gp) ce are la receptorului. DSSS este utilizat pe scară largă în aplicațiile de comunicații de date. Cu toate acestea, există provocări pentru a folosi dispozitivele și în rețelele cu costuri reduse sau cu consum redus de energie.

Asemeni, ca în cazul GPS-ului sau DSSS PHY al standardului IEEE 802.15.4k, sistemul va necesita o referință a frecvenței de ceas foarte precisă și costisitoare.

În plus, cu cât codul sau secvența de cipuri este mai lungă, cu atât este mai mare timpul necesar receptorului pentru a efectua o corelație pe întreaga lungime a semnalului cu a secvenței codului sau fie căutând secvențial prin secvențe de coduri, fie punând în aplicare multiple corelări în paralel. Acest lucru este o problemă în cazul dispozitivelor cu limitare a consumului, care nu pot fi "întotdeauna ON" și, prin urmare, sincronizarea trebuie să aibă loc rapid (în timp scurt) în mod repetat (totdeauna).

Modularea Ciripit-uri cu spectru împrăștiat CSS (Chirp Spread Spectrum)

CSS a fost dezvoltată pentru aplicații radar în anii 1940. Folosită în mod tradițional într-o numărul de aplicații militare și securizate de comunicații; în ultimii douăzeci de ani, această tehnică de modulație a înregistrat o adoptare mărită într-o serie de aplicații de comunicații de date, datorită cerințelor sale relativ scăzute de putere de transmisie și robustețea inerentă la mecanismele de degradare a comunicației, cum ar fi interferențele, fadingul și efectul Doppler.

CSS a fost adoptat de IEEE pentru rețelele fără fir cu rată scăzută (LR-WPANs) standardul 802.15.4 pentru aplicații care necesită o distanță mai mare și o fiabilitate mai mare decât cea realizabilă cu modul OQPSK, DSSS.

Modularea LoRa cu spectru împrăștiat

Modulația LoRa, de la Semtech, abordează toate problemele asociate cu sistemele DSSS pentru a furniza o alternativă la costuri scăzute, cu putere redusă, dar mai ales robustă în comparație cu, comunicațiile tradiționale cu spectru împrăștiat.

În modulația LoRa, răspândirea spectrului este realizată prin generarea unui semnal ciripit („chirp”) care variază continuu în funcție de frecvență. Un avantaj al acestei metode este că decalajele frecvenței și de sincronizare între transmițător și receptor sunt echivalente, reducând în mare măsură complexitatea realizării receptorului.

Lățimea benzii de frecvență a acestui ciripit este echivalentă cu lățimea de bandă spectrală a semnalului.

Semnalul de date dorit este eșantionat, la o rată de date mai mare și modulat pe semnalul ciripit.

Relația dintre rata dorită de transfer a datelor, rata simbolurilor și rata de cip pentru modularea LoRa poate se exprimă după cum urmează:
Putem defini rata biților de modulație, \(R_b\), ca:

\[ R_{b} = SF \cdot \frac{1}{\left ( \frac{2^{SF}}{BW} \right )} \left [ \frac{bit}{s} \right ]\]

unde:
\(SF\) – factor de împrăștiere (7...12);
\(BW\) – lățimea benzii \([Hz]\)

Definim perioada simbolului, \(T_S\), ca:

\[ T_{s}=\frac{2^{SF}}{BW}\left [ s \right ]\]

iar, rata simbolului \(R_s\), ca reciprocă a lui \(T_s\):

\[ R_{s} = \frac{1}{T_{s}}=\frac{BW}{2^{SF}} \left [ \frac{simboluri}{s} \right ] \]

În final putem defini rata de cipare, R_{c}, ca:

\[ R_{c} = R_{s} \cdot 2^{SF} \left [ \frac{cip}{s} \right ] \]

După cum observăm aceasta ne oferă definiția din foia de catalog „... este transmis un cip pe secundă pentru fiecare Hz al benzii...”

\[ R_{c} = R_{s} \cdot 2^{SF} = \frac{BW}{2^{SF}} \cdot 2^{SF} = BW \left [ \frac{cip}{s} \right ]\]

Modularea LoRa include, de asemenea, o schemă variabilă de corectare a erorilor care îmbunătățește robustețea semnalului transmis.

Astfel putem defini o rată de biți nominală a semnalului de date ca:

\[ R_{b} = SF \cdot \frac{\left ( \frac{4}{4+CR} \right )}{\left ( \frac{2^{SF}}{BW} \right )} \left [ \frac{bit}{s} \right ]\]

Dacă definim rata codurilor (rate code), ca:

\[ RateCode = \frac{4}{4+CR} \]

și înlocuind în ecuația anterioară, putem rescrie rata de biți nominală (nominal rate bit), ca:

\[ R_{b} = SF \cdot \frac{RateCode}{\left ( \frac{2^{SF}}{BW} \right )} \left [ \frac{bit}{s} \right ]\]

Modulare LoRa - funcție de timp în stânga, funcție de frecvență în dreapta

Proprietățile principale ale modulării LoRa:

• Scalabilitatea benzii
  • Modularea LoRa prezintă scalabilitate atât în lățimea benzii cât și în frecvență;
  • Spre deosebire de schemele de modulare cu bandă îngustă sau cu bandă largă, LoRa poate fi ușor adaptată la oricare din module de operare, cu doar câteva câteva schimbări simple de configurare a regiștrilor.
• Anvelopă constantă - consum redus
  • Similar cu FSK, LoRa este o schemă de modulare cu anvelopă constantă, ceea ce înseamnă că aceleași etaje PA cu costuri reduse și cu putere mică de înaltă eficiență pot fi reutilizate fără modificări;
  • În plus, datorită câștigului de procesare asociat cu LoRa, puterea de ieșire a transmițătorului poate fi redusă, comparativ cu o legătură FSK convențională, menținând în același timp resursă necesară (link budget) sau bună.
• Înaltă robustețe
  • Un semnal LoRa este foarte rezistent la mecanismele de interferență atât în bandă, cât și în afara benzii. Deoarece perioada simbolului LoRa poate fi mai lungă decât cea de scurtă durată a sistemelor FHSS cu repetare rapidă, aceasta asigură o imunitate excelentă față de mecanismele de interferențe pulsatorii MA; un receptor tipic au o selectivitate în afara canalului de 90dB și o rejecție mai bună de 20dB în interior canalului. În comparație cu modularea tipică FSK unde în mod obișnuit avem 50dB pentru rejecția canalului adiacent și -6dB în interiorul canalului.
• Rezistență la interferențe/fading
  • Pulsul ciripit „chirp” este relativ de bandă largă și, prin urmare, LoRa oferă imunitate la interferențe și la fading, făcându-l ideal pentru utilizare în medii urbane și suburbane, unde domină ambele mecanisme.
• Rezistență la efectul Doppler
  • Deplasarea Doppler provoacă o mică schimbare de frecvență în pulsul LoRa care introduce relativ o schimbare neglijabilă în axa timpului a semnalului de bază. Acestă toleranță a offset-ului de frecvență atenuează cerința pentru resursa ceasului de referință;
  • LoRa este ideală pentru legăturile de comunicații mobile de date, cum ar fi sistemele de monitorizare a presiunii în anvelope, aplicațiile de tip drive-by: cum ar fi cabina de taxare și cititoarele de etichete mobile și în comunicațiile de cale ferată pentru infrastructura feroviară.
• Comunicare la distanță mare
  • Pentru o putere fixă de ieșire și o viteză de ieșire fixă, resursa necesară de legătură al LoRa depășește valoarea aferentă modulației FSK convenționale;
  • Atunci când este luat în combinație cu robustețea dovedită la interferență și mecanismele de fading, această îmbunătățire în resursa unei legături se poate traduce cu ușurință la 4 ori și dincolo în comparație cu FSK.
• Capacitate îmbunătățită a rețelei
  • Modularea LoRa utilizează factori de împrăștiere ortogonali care permit transmiterea simultană a mai multor semnale de difuzare și pe același canal fără degradarea sensibilității RX. Semnalele modulate la diferiți factori de împrăștiere apar ca zgomot la receptorul țintă și pot fi tratați ca atare.
• Localizare
  • O proprietate a LoRa este abilitatea de a departaja liniar între erorile de frecvență și timp;
  • LoRa este modulația ideală pentru aplicațiile radar și este, prin urmare, ideală pentru aplicații variate de localizare, cum ar fi serviciile de localizare în timp real.

Curentul consumat în diferite moduri de funcționare

Transceiver	Sleep	Emisie	Recepție
Semtech SX1272	0,1 µA (max. 1 µA)	Min.: 18 mA (7 dBm) Max.: 125 mA (20 dBm)	10,5 – 11,2 mA
Semtech SX1276	0,2 μA (max. 1 μA)	Min.: 20 mA (7 dBm) Max.: 120 mA (20 dBm)	10.8 – 12,0 mA
HopeRF RFM95/96/97/98	2 μA (min. 1,2 μA, max. 3 μA)	Min.: 20 mA (7 dBm) Max.: 120 mA (20 dBm)	16 mA
Microchip RN2483	Până la 100-150 μA	Min.: 17,3 mA (−4,0 dBm) Max.: 38,9 mA (14,1 dBm)	14,2 mA

Resursa pentru legătură (link budget)

Este un parametru ce ne indică calitatea unui canal de transmisie radio.
Utilizând un model simplu, aceasta poate fi calculată cunoscând: puterea de emisie TX, sensibilitatea receptorului, a câștigului antenei și a pierderilor datorită mediului de transmisie (FSPL).

Necesarul unei conexiuni

Pierderi datorate distanței de comunicație

Pierderea prin calea de transmisie (aer) reprezintă cantitatea de energie pierdută în spațiul liber la o anumită distanță între transmițător Tx și receptor Rx. Cu cât distanța dintre Tx și Rx este mai mare, cu atât nivelul de energie ce ajunge la RX este mai scăzut. Pierderea de transmisie, este definită ca:

\[ FSPL = \left ( \frac{4\pi d}{\lambda } \right )^2 = \left ( \frac{4\pi d f}{c} \right )^2 \]

unde:
\(\lambda\) - este lungimea de undă a semnalului, în \([m]\);
\(d\) - distanța între antenele Tx și Rx, în \([m]\);
\(f\) - frecvența semnalului transmis, în \([m]\);
\(c\) - viteza luminii, 299.792.458 \([m/s]\);
Exprimată logaritmic în \([dB]\), formula devine:

\[ FSPL = 20 \cdot log_{10}\left (d \right )+20 \cdot log_{10}\left (f \right )-147,55 \left [ db \right ] \]

O dublare a distanței (d) rezultă o creștere a pierderilor prin aer cu 6 \([dB]\).
Diferența FSPL între frecvența de 868MHz și 2,4GHz este aproximativ 9 \([dB]\).
Sensibilitatea receptorului Rx, definită ca cea mai mică valoare a puterii semnalului ce poate fi recepționată de către acesta, se calculează cu formula:

\[ Rx_{s} = -174+10 \cdot log_{10}\left ( BW \right )+NF+SNR \]

unde:
\(BW\) – lățimea benzii, în \([Hz]\);
\(NF\) – factorul de zgomot, în \([dB]\);
\(SNR\) – raportul semnal zgomot (de câte ori este mai puternic semnalul comparat cu zgomotul)
În cazul dispozitivelor LoRa sensibilitatea acestora este mare.
Următoarea ecuație ne indică resursa necesară pentru a realiza o legătură, excluzând câștigul antenelor și pierderile prin mediul de transmisie, ca fiind:

\[ LB=maxRx_{s}\left [ dB \right ] - maxTx\left [ dB \right ]\]

unde:
\(LB\) – necesarul pentru o legătură radio, („link budget”), în \([dB]\);
\(Rx_s\) – sensibilitatea receptorului, în \([dB]\);
\(Tx\) – puterea de emisie a emițătorului, în \([dB]\).

Un exemplu de calcul pentru o conexiune cu următoarele date:

\[ \begin{matrix} Tx=14\left [ dBm \right ]\\ BW=125\left [ kHz \right ]\Rightarrow 10 \cdot log_{10}125000=51\\ NF=6\left [ dB \right ]\\ SNR=-20\left [ dB \right ] \;pentru\; SF=12 \end{matrix}\]

datele de mai sus se introduse în ecuația anterioară al lui \(Rx_s\), rezultă;

\[ Rx_{s} = -174+51+6-20=-137\left [ dB \right ]\]

iar resursa necesară legăturii radio \(LB\) o calculăm cu ajutorul ultimei formule, rezultă:

\[ LB=-137\left [ dB \right ] -14\left [ dB \right ]=-151\left [ dB \right ]\]

Pentru a acoperi pierderile, în condiții optime, pe o distanță de 800 \([km]\), în aer, avem nevoie de un LB de 150 \([dB]\). Recordul actual a unei comunicații LoRaWAN este de 766 \([km]\).
În condiții reale, aceste valori ideale nu pot fi obținute. Ele depind câțiva factori ce influențează negativ, ca de exemplu:

• pe lângă faptul că dublând distanța între antenele Tx și RX pierderile de transmisie prin aer vor fi 6 \([dB]\) vor fi influențate de reflexiile și refracțiile undelor ca urmare a faptului că acestea în parcursul lor între Tx și Rx întâlnesc diferite obiecte;
• pierderi cauzată de structuri, adică absorbția semnalelor radio atunci când penetrează diferite obstacole, cum ar fi clădirile, influențează recepția semnalelor transmise și poate scurta intervalul între Tx și Rx considerabil. De exemplu, sticla reduce semnalul cu doar 2 \([dB]\). Acest lucru afectează distanța între Tx și RX mult mai puțin decât un perete gros de beton de 30 \([cm]\). Figura de mai jos prezintă diverse materiale și efectele lor tipice asupra semnalelor radio;

Grafic cu pierderile datorate tranzitării unui mediu

Zona Fresnel

Pentru a acoperi eficient distanțe lungi și pentru a obține o resursă a legăturii cât mai bună, este de asemenea important să se stabilească o linie directă de vizibilitate a transmisie între emițător Tx și receptor Rx. În transmisia radio, suprafața ocupată de liniile cu vizibilitate directă sunt denumite zone Fresnel. Dacă există obiecte în aceste zone, acestea pot avea o influență negativă asupra propagării undelor, deși există în general un contact vizual între antenele de transmisie Tx și de recepție Rx. Pentru fiecare obiect situat în zona Fresnel, nivelul semnalului va fi redus respectiv și distanța va fi redusă. ⁴

Prima zonă Fresnel

Ecuația generală pentru calculul zonei Fresnel (raza) în oricare punct P aflat între Tx și Rx, este următoarea:

\[ F_{n}=\sqrt{\frac{n \cdot \lambda \cdot d_1 \cdot d_2}{d_1+d_2}}, \; pentru \; d_1,d_2 \gg n \cdot \lambda\]

unde:
\(F_n\) – raza zonei Fresnel n;
\(d_1\) – distanța între punctul P și Tx sau Rx;
\(d_2\) – distanța între punctul P și Rx sau Tx;
λ – lungimea de undă a semnalului transmis între Tx și Rx.
Raza secțiunii transversale a fiecărei zone Fresnel este maximă la mijlocul semnalului și se micșorează spre capete (Tx sau Rx). Pentru aplicațiile practice este adesea necesar a se cunoaște raza primei zone Fresnel.
Știind că:

\[ \begin{matrix} n=1\\ d_1=d_2=\frac{D}{2}\\ \lambda=\frac{c}{f} \end{matrix}\]

și înlocuim în ecuația de mai sus, obținem:

\[ F_1=\frac{1}{2}\sqrt{\lambda \cdot D} =\frac{1}{2}\sqrt{\frac{c \cdot D}{f}} \]

unde:
\(D\) – distanța între cele două antene Tx/Rx, în \([m]\);
\(f\) – frecvența semnalului transmis, în \([Hz]\);
\(c\) – viteza luminii, în \([m/s]\).
Ca tip de antenă, în general în astfel de aplicații sunt folosite antene omnidirecționale. În Europa, puterea de emisie în cazul benzii ISM de 868 MHz este de 14 \([dBm]\). Câștigul maxim al antenei accepte este de 2,15 \([dBi ]\) la emisie.

Factorul de împrăștiere

O rețea LoRaWAN utilizează factori de împrăștiere SF pentru a seta o anumită rată de transfer relativ la distanța necesară de a fi transmisă. În rețelele LoRaWAN se utilizează factori de împrăștiere de la SF7 la SF12. Factorii de împrăștiere SF indică câți „chirps” - ciripit-uri sunt folosiți într-o secundă, definește rata de transfer, pe simbol a puterii radiate și a gamei posibile. Cu cât rata de biților este mai lentă cu atât este mai mare puterea pe setul de date și cu atât este mai mare distanța.

Ce este LoRaWAN?

Reprezintă protocolul de rețea care este un protocol de rețea de putere redusă (LPWAN) conceput pentru a conecta dispozitivele din rețele regionale, naționale sau globale folosind internetul asigurând comunicarea bidirecțională, servicii de securitate, mobilitate și localizare.

Topologia

Arhitectura rețelelor LoRaWAN este de tip stea în care concentratoarele (gateways) acționează ca niște relee de tele-transmitere a mesajelor între dispozitive (senzori) și serverele din rețea.
Concentratoarele sunt conectate la serverele din rețea prin conexiuni standard IP și transformă comunicația radio, pachete de RF, în pachete IP și invers.
Comunicația radio utilizează avantajele comunicației LoRa permițând o legătură directă între dispozitiv și unul sau mai multe concentratoare.
Toate modurile de comunicare sunt capabile a fi realizate bidirecțional.
Specificațiile definesc implementarea tehnică între dispozitivul fizic LoRa și protocolul LoRaWAN pentru a asigura o interoperabilitate perfectă între producători.
Specificațiile LoRaWAN sunt dezvoltate de LoRa Alliance, o asociația deschisă a membrilor colaboratori.

Topologia LoRaWAN

LoRaWAN are trei clase diferite de dispozitive pentru a răspunde diferitelor nevoi reflectate în gama largă de aplicații: ^{5 6 7 8 9 10}

Clasa A – dispozitive bidirecționale cu puterea cea mai mică

Este clasa implicită, care trebuie să fie acceptată de toate dispozitivele terminale LoRaWAN. Comunicarea de clasă A este întotdeauna inițiată de dispozitiv (senzor) și este complet asincronă. Fiecare transmisie (uplink) poate fi trimisă în orice moment și este urmată de două ferestre scurte de recepție (downlink), oferind ocazia comunicării bidirecționale sau a comenzilor de control al rețelei, dacă este necesar. Acesta este un tip de protocol ALOHA.
Dispozitivul poate intra în modul de repaus cu putere redusă atâta timp cât este definit de propria sa aplicație: nu există cerințe de rețea pentru trezirea periodică. Acest lucru face ca clasa A să fie cu cea mai redusă resursă energetică de funcționare, permițând în orice moment transmisia (uplink).
Deoarece comunicația de recepție (downlink) trebuie să fie urmată întotdeauna de o transmisie (uplink) după un program definit în dispozitiv, recepția (downlink) trebuie să aștepte într-un tampon (buffer) în serverul de rețea până la următoarea transmisie (uplink).

Clasa B - Dispozitive bidirecționale cu o latență programata a recepției (downlink-ului)

Pe lângă perioadele de pauză necesare recepție ca în cazul clasei A, dispozitivele de clasă B sunt sincronizate cu rețeaua utilizând balize și pot intra în recepție după un anumit program. Aceasta oferă rețelei posibilitatea de a trimite comunicații de recepție cu o latență cunoscută, dar în detrimentul unui anumit consum suplimentar de energie al dispozitivului. Latența este programabilă până la 128 de secunde pentru a se potrivi diferitelor aplicații, iar consumul suplimentar de energie este suficient de scăzut pentru a rămâne fezabil pentru aplicațiile alimentate de la baterie.

Clasa C – Dispozitive bidirecționale cu latență mică

În plus față de caracteristicile celor din clasă A a legăturii emisie (uplink), urmată de două ferestre/perioade de recepție (downlink), clasa C reduce și mai mult latența unei legături de recepție prin menținerea în orice moment a receptorului dispozitivului pe recepție (downlink) după ce a realizat o transmisie (uplink) (jumătate duplex).
Astfel, serverul de rețea poate iniția o transmisie în jos în orice moment, presupunând că receptorul dispozitivului este deschis, astfel încât să nu existe o latență. Acest avantaj are ca preț creșterea puterii consumate, până la 50 \([mW]\), astfel încât clasa C se pretează pentru aplicații unde avem disponibil de energie.
Pentru dispozitivele alimentate de baterii, trecerea temporară din clasa A în C este posibilă pentru a se realiza de exemplu update ale programului înscris în dispozitiv.

Succesiunea comunicării celor trei clase A, B și C

Adaptarea ratei de date (ADR)

Pe lângă saltul în frecvență, toate pachetele de comunicații între dispozitive și concentratoare, includ de asemenea, o setare variabilă a ratei de date (ADR).
Selectarea ratei de date (DR) permite o schimbare dinamică între lățimea benzii de comunicare și durata mesajului.
De asemenea, datorită modulării cu spectru împrăștiat, comunicațiile cu diferite ADR-uri nu interferează unul cu celălalt și creează un set de canale virtuale cu cod care măresc capacitatea concentratorului (gateway-ului).

Mecanismul ADR

Pentru a maximiza durata de viață a bateriei dispozitivelor și a capacității globale a rețelei, serverul de rețea LoRaWAN gestionează individual setările ratei de date (DR) și puterea de ieșire RF pentru fiecare dispozitiv printr-o schemă ADR (Adaptive Data Rate).

Factorul de împrăștiere de la SF7 la SF12