====== Technologie LoRaWAN podrobně ======

**LoRaWAN** (//Long Range Wide Area Network//) je otevřený globální standard pro bezdrátové sítě typu **LPWAN** (//Low-Power Wide-Area Network//). Je navržen speciálně pro Internet věcí (IoT) a umožňuje spolehlivou komunikaci milionů nízkoenergetických zařízení na vzdálenosti v řádu kilometrů s životností baterie až 10 let.

Pro správné pochopení technologie je nutné rozlišovat dva pojmy:
  * **LoRa (Long Range):** Fyzická vrstva (Phy), která definuje proprietární rádiovou modulaci vlastněnou společností **Semtech**.
  * **LoRaWAN:** Síťový protokol a architektura horních vrstev (MAC a aplikační vrstva), které spravuje otevřené sdružení **LoRa Alliance**.

===== 1. Fyzická vrstva: Modulace LoRa =====

Technologie LoRa je založena na modulaci typu **CSS** (//Chirp Spread Spectrum//). Na rozdíl od klasických modulací (jako FSK nebo ASK), které mění frekvenci či amplitudu nosné vlny skokově, CSS kóduje informaci pomocí tzv. **chirpů** – rádiových pulzů, jejichž frekvence se v čase plynule zvyšuje (Up-chirp) nebo snižuje (Down-chirp).



Tento přístup přináší klíčové fyzikální výhody:
  * **Extrémní odolnost vůči rušení:** Signál může být potlačen šumem v éteru (může mít záporný poměr signálu k šumu – SNR až -20 dB), a přesto ho brána dokáže úspěšně dešifrovat.
  * **Odolnost vůči Dopplerovu jevu:** Ideální pro mobilní senzory (např. sledování polohy jedoucích vozidel).
  * **Nízká špičková spotřeba:** Vysílač nepotřebuje vysoký lineární výkon, což šetří baterii.

==== Klíčové parametry rádiového přenosu ====
Při konfiguraci LoRa zařízení se pracuje se třemi základními parametry, které přímo ovlivňují dosah a datovou rychlost:

  * **Spreading Factor (SF):** Faktor rozprostření (hodnoty SF7 až SF12). Vyšší SF znamená, že jeden bit informace se vysílá déle (chirp je pomalejší). 
    * **SF7:** Vysoká datová rychlost, krátký vysílací čas, ale menší dosah.
    * **SF12:** Extrémně dlouhý dosah, vysoká prostupnost překážkami, ale dlouhý vysílací čas a velmi nízká rychlost.
  * **Bandwidth (BW):** Šířka pásma (v Evropě typicky 125 kHz nebo 250 kHz).
  * **Coding Rate (CR):** Míra dopředné korekce chyb (FEC). Určuje poměr užitečných bitů k opravným bitům (např. 4/5, 4/8) pro obnovu poškozených paketů.

===== 2. Síťová architektura LoRaWAN =====

LoRaWAN síť nevyužívá mesh topologii (kde si uzly předávají data mezi sebou), ale využívá **hvězdicovou topologii** (//Star-of-Stars//). Všechna koncová zařízení komunikují napřímo se všemi bránami v dosahu.



==== Koncová zařízení (End Devices) ====
Senzory vybavené LoRa čipem. Vysílají data asynchronně (kdykoliv potřebují, protokol typu ALOHA). Zařízení nemají přidělenou pevnou bránu – jejich vysílání může zachytit libovolný počet bran v okolí.

==== Brány (Gateways / Koncentrátory) ====
Pracují jako transparentní mosty na 1. vrstvě OSI modelu. Přijímají rádiové pakety z éteru, zapouzdří je do standardních IP paketů a přes internet (Ethernet, Wi-Fi, 4G/5G) je přepošlou na centrální server. Brány data nedešifrují ani neprovádí jejich filtraci.

==== Síťový server (Network Server - LNS) ====
Centrální mozek celé sítě. Plní následující úkoly:
  * **De-duplikace paketů:** Pokud stejnou zprávu ze senzoru zachytí 5 různých bran, LNS zpracuje pouze první a ostatní zahodí.
  * **ADR (Adaptive Data Rate):** Dynamicky dálkově řídí výkon a Spreading Factor (SF) jednotlivých senzorů. Pokud je senzor blízko brány, LNS mu přikáže snížit SF na 7, čímž senzor drasticky ušetří baterii a uvolní rádiové pásmo.
  * **Směrování downlinku:** Pokud je potřeba poslat zprávu směrem k senzoru, LNS vybere pro vysílání tu bránu, která měla při příjmu nejlepší kvalitu signálu (RSSI/SNR).

==== Aplikační server (Application Server) ====
Zpracovává samotný užitečný obsah zpráv (payload). Zde dochází k finálnímu dešifrování dat, jejich ukládání a integraci do firemních systémů pomocí protokolů, jako je [[it:iot:mqtt|MQTT]] nebo HTTP REST API.

===== 3. Regionální parametry a omezení (Evropa) =====

Protože LoRaWAN funguje v bezlicenčních pásmech (ISM), musí dodržovat přísné legislativní limity daného regionu. V Evropě (pásmo **EU863-870**) platí dvě hlavní omezení:

  * **Maximální vysílací výkon:** Limitem je 25 mW (14 dBm) pro běžná koncová zařízení.
  * **Duty Cycle (Pracovní cyklus):** Aby jedno zařízení nezablokovalo kanál permanentním vysíláním, smí v Evropě vysílat maximálně po dobu **1 % času** v rámci jedné hodiny (Duty Cycle = 1 %). Pokud uzel vysílá paket po dobu 1 sekundy, musí následně minimálně 99 sekund mlčet.

===== 4. Bezpečnostní model: Připojení zařízení (Activation) =====

LoRaWAN má bezpečnost integrovanou přímo v jádře protokolu a využívá symetrické šifrování **AES-128**. Každé zařízení musí před začátkem komunikace projít procesem aktivace. Existují dva způsoby:

==== OTAA (Over-the-Air Activation) – Doporučeno ====
Nejbezpečnější metoda. Zařízení je z výroby vybaveno unikátními klíči **AppEUI** (ID aplikace) a **AppKey** (šifrovací master klíč).
  1. Zařízení vyšle do éteru nešifrovanou žádost **Join Request**.
  2. Síťový server žádost ověří a odpoví zprávou **Join Accept**, která je zašifrována pomocí *AppKey*.
  3. Během tohoto handshake se dynamicky vygenerují sezení klíče: **NwkSKey** (pro zabezpečení sítě) a **AppSKey** (pro šifrování dat aplikací). Tyto klíče se při každém novém připojení mění.

==== ABP (Activation by Personalization) ====
Zjednodušená metoda, kde se handshake vynechává. Klíče *NwkSKey* a *AppSKey* jsou do zařízení vloženy natvrdo už při programování (flashování). 
  * **Riziko:** Klíče jsou statické a v zařízení zůstávají po celou dobu životnosti. Metoda je náchylná k útokům typu Replay (pokud se nepoužívá správně čítač zpráv Frame Counter). Používá se spíše pro testovací účely.

===== 5. Srovnání tříd zařízení (A, B, C) =====

Všechna LoRaWAN zařízení musí implementovat Třídu A. Třídy B a C přinášejí dodatečné funkce za cenu vyšší spotřeby energie.

^ Vlastnost ^ Třída A ^ Třída B ^ Třída C ^
| **Příjem downlinku** | Pouze po vlastním vysílání (2 okna) | V naplánovaných slotech (Beacon) | Téměř neustále (mimo vysílání) |
| **Latence downlinku** | Vysoká (závisí na frekvenci vysílání uzlu) | Střední (daná intervalem slotů) | Minimální (téměř v reálném čase) |
| **Spotřeba energie** | **Extrémně nízká** (ideální pro baterie) | Nízká až střední | **Vysoká** (vyžaduje trvalé napájení) |
| **Příklad nasazení** | Senzor vlhkosti půdy (vysílá 1x za hodinu) | Dálkově ovládaný uzávěr plynovodu | Pouliční osvětlení, sirény |

----

//Související články://
  * [[it:iot:wireless_networks|Internet věcí (IoT) a přehled bezdrátových sítí]]
  * [[it:iot:mqtt_vs_lorawan|Srovnání: Protokol MQTT vs. LoRaWAN]]
  * [[it:net:ipv6_iot|IPv6 a přechodová vrstva 6LoWPAN]]
  * [[it:hw:embedded:microcontrollers|Mikrokontroléry a integrace rádiových čipů]]

//Tagy: {{tag>iot networking wireless lpwan lora lorawan otaa abp semtech}}//