Facendo riferimento ai livelli ISO/OSI, la tecnologia è presentata in due parti: LoRa, lo strato fisico e LoRaWAN (Long Range Wide Area Network), gli strati superiori. Poiché LoRa definisce il livello fisico inferiore, mancavano i livelli di rete superiori. LoRaWAN è uno dei numerosi protocolli sviluppati appunto, per definire gli strati superiori della rete; è un protocollo di livello MAC (Media Access Control) basato su cloud ma funge principalmente da protocollo di livello di rete per la gestione delle comunicazioni tra gateway LPWAN (Low Power Wide Area Network) e dispositivi end-node come protocollo di routing, gestito da LoRa Alliance. La versione 1.0 della specifica LoRaWAN è stata rilasciata nel 2015. La versione 1.1 nel 2017. LoRaWAN definisce il protocollo di comunicazione e l’architettura del sistema per la rete, mentre il livello fisico LoRa permette il collegamento di comunicazione a lungo raggio.
LoRaWAN è anche responsabile della gestione delle frequenze di comunicazione, della velocità dei dati e dell’alimentazione per tutti i dispositivi: I dispositivi nella rete sono asincroni e trasmettono quando hanno dati disponibili per l’invio; I dati trasmessi da un dispositivo (detto end-point) vengono ricevuti da più gateway, che inoltrano i pacchetti di dati a un server di rete (o Network Server) centralizzato. Il server di rete filtra i pacchetti duplicati, esegue controlli di sicurezza e gestisce la rete, per poi inoltrare i dati ai server delle applicazioni. La tecnologia mostra un’elevata affidabilità per il carico moderato, tuttavia presenta alcuni problemi di prestazioni relativi all’invio di acknowledgement.
Tutti i dispositivi LoraWAN devono implementare almeno le funzionalità della Classe A e opzionalmente quelle della Classe B e Classe C:
● I dispositivi Classe A sono alimentati a batteria, quando un uplink è spedito al server il device apre due piccole finestre per eventuali comandi, se il server non è in grado di inviare un downlink nelle due piccole finestre, dovrà aspettare fino al prossimo uplink.
● I device Classe B sono alimentati a batteria, in aggiunta alle due finestre della Classe A, la Classe B ha una finestra extra per i downlink, che viene aperta in momenti pianificati. Questa finestra è sincronizzata con il server attraverso un Beacon del gateway e viene utilizzata dal server per sapere quando il device è in ascolto.
● I device Classe C sono alimentati elettricamente, le finestre di ricezione per i downlink sono quasi sempre aperte, l’unico momento in cui sono chiuse è durante la trasmissione.
Il protocollo e l’architettura della rete sono i fattori di maggiore influenza sull’autonomia delle batterie di un nodo, la capacità della rete, la qualità del servizio, la sicurezza e le differente applicazioni servite dalla rete. Molte reti esistenti utilizzano un’architettura di rete ”mesh”, dove i singoli nodi finali inoltrano le informazioni di altri nodi per aumentare il raggio di comunicazione e le dimensioni delle celle della rete. Mentre questo aumenta
il raggio di azione, aggiunge anche complessità alla rete, ne riduce la capacità e riduce l’autonomia di vita visto che i nodi ricevono e trasmettono informazioni da altri nodi che sono probabile irrilevanti.
In un network LoRaWAN, invece, i nodi di rete non sono associati con un gateway specifico: i dati trasmessi da un nodo sono tipicamente ricevuti da più gateway che a loro volta inoltrano il pacchetto ricevuto dal nodo finale, al server di rete cloud tramite alcuni ”backhaul” (cellulare, Ethernet, satellite o Wi-Fi). Questa apparente complessità è coordinata dal server di rete, che gestisce la rete e filtra i pacchetti ridondanti ricevuti, effettua controlli di sicurezza, pianifica acknowledgments attraverso il gateway ottimale, amministra la velocità di trasferimento dei dati, ecc. In questo modo, che un nodo sia mobile o in movimento non è necessario il passaggio di consegne from gateway to gateway, caratteristica critica per consentire, ad esempio, la tracciabilità / monitoraggio degli asset e delle attività, principale obiettivo nelle applicazioni pratiche di servizi IoT.
