LoRa ve LoRaWAN Nedir?

Nesnelerin İnterneti (Internet of Things, IoT) uygulamalarının son on yılda tüm dünyada büyük hızla yayılmasıyla birlikte, verilerin uzak mesafeye güvenilir ve düşük güç tüketimiyle aktarılması önemli bir ihtiyaç haline gelmiştir. Son dönemde ise bu ihtiyaca cevap verebilecek haberleşme teknolojilerinde önemli gelişmelere tanık oluyoruz. Bu gelişmelerin başında ise, LoRa, Sigfox, NB-IOT gibi, düşük bit oranlarındaki verinin uzun mesafelere düşük güç tüketimiyle aktarımını sağlayan kablosuz haberleşme teknolojilerinin ortaya çıkışı geliyor.

​
Bu teknolojiler arasında en fazla yaygınlık kazanan LoRa, Long Range (Uzun Mesafe) kelimelerinin ilk hecelerinden oluşan, WiFi ve kablolu haberleşme gibi rakip teknolojilere göre çok daha uzun mesafede iletişim sağlayan, ve bunu radyo frekanslarını kullanarak gerçekleştiren bir modülasyon tekniğidir. LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) ise bölgesel, ulusal veya küresel ölçekte bir ağ üzerinde kablosuz olarak çalışan ürünlere yönelik tasarlanmış, düşük güçlü geniş alan ağı dır. 

Nesneleri internete bağlamak amacıyla halihazırda kullanılmakta olan hücresel haberleşme (2G, 3G, 4G +) ve WiFi gibi yöntemlerin son zamanlarda uzun mesafede veri iletimi veya bu iletimin sürekliliği gibi ihtiyaçları tam olarak karşılayamaması, ya da bu ihtiyaçları karşılarken yüksek maliyet ortaya çıkarması, bu dezavantajları giderebilecek yeni teknoloji arayışının itici gücü olmuştur. WiFi teknolojisindeki mesafe sınırlaması, hücresel haberleşmenin maliyetleri ve yüksek enerji kullanımı, LoRa teknolojisiyle önüne geçilmesi gereken temel eksiklikler olarak belirlenmiştir. Bölgesel olarak farklılık gösteren radyo frekansı aralıklarını kullanan LoRa, açık alanda 15 km’ye kadar genişleyebilen bir mesafede bağlantı kurabilirken, uç noktada bağlı cihazlar 8 yıldan 15 yıla kadar sorunsuz olarak iletişimi sürdürebilmektedir.

LoRa haberleşme teknolojisinin kullanımı için en uygun alanlar, veri büyüklüğünün düşük veya orta seviyede olduğu, aktarımda yaşanabilecek kısa süreli gecikmelerin göz ardı edilebileceği, bir başka deyişle, “mission-critical” olarak da tabir edilen yaşamsal altyapı sistemlerinin dışında kalan uygulama alanlarıdır. Bu alanlara en iyi örnek akıllı tarım uygulamalarıdır. Uzun süre bakıma ihtiyaç duymadan geniş alanlara sinyal aktarımı yapabilen LoRa teknolojisi sayesinde akıllı tarım uygulamaları çok daha kolay takip edilebilir ve geliştirilebilir hale gelmiştir. Toprak kirliliği, nem, sıcaklık ve güneş ışığı gibi etkenleri ölçmek üzere konumlandırılan LoRa destekli sayaçlar ile uzak bir konumdan tarım alanının uygun şartlarda olup olmadığı kontrol edilebilir hale gelecektir. Akıllı tarımın yanı sıra küçük veri paketlerinin söz konusu olduğu su ve gaz sayacı uygulamaları, fabrika otomasyonu veya akıllı bina uygulamaları da LoRa’nın rahatlıkla kullanılabileceği alanlardır. ​

LoRa,  temelde dört kısımdan oluşan bir haberleşme teknolojisidir.

Birinci kısım LoRa Node (düğüm noktası) olarak adlandırılan uç noktalardır. Bu noktalarda LoRa modülü içeren veya modül uyumluluğu sayesinde daha sonra bünyesine LoRa modülü takılabilen sensörler, sayaçlar, kontrol cihazları gibi uç nokta cihazları kullanılır.

İkinci kısımda LoRa Gateway olarak adlandırılan ağ geçidi özelliğindeki cihazlar bulunur. Bu cihazlar, LoRa düğüm noktalarından gelen verileri herhangi bir protokol dönüşümü yapmaksızın Ethernet, WiFi veya hücresel haberleşme gibi haberleşme teknolojilerini kullanarak LoRaWAN sunucusuna aktarır. Mikrotik tarafından geliştirilen wAP LR8 kit de, bu tür uygulamalarda LoRa Gateway olarak kullanılabilecek cihazlardan biridir. wAP LR8 kit, uç noktadaki LoRa Node cihazları ile LoRaWAN sunucusu arasındaki bağlantıyı sağlar.

LoRa topolojisinin üçüncü kısımda ise LoRaWAN sunucusu yer alır. LoRaWAN sunucusu, ağ geçidinden gelen verileri çözümleyerek uygulama sunucusunda kullanılacak protokole çevirir ve kullanıma hazır hale getirir. Son olarak dördüncü aşamada yer alan Uygulama Sunucuları, düğüm noktasından gelen verilerin kontrol ve takibini yapar.

Star Topology gereği sensörler direkt olarak birbirleri ile haberleşemezler, gateway üzerinden veri alışverişi yaparlar. Sensörler arası direkt veri aktarımının yapılabilmesi için sensörlerin bir parçası olan gömülü mikroişlemcilerde, RadioHead radyo paketi kütüphanesinin kullanılması gerekir. Bu, verilerin direkt aktarımı için nesne yönelimli bir kütüphanedir.

Gatewayler, ağ sunucusuna standart IP bağlantısı ile yani TCP/IP protokolünü kullanarak bağlanır. IP paketi ile RF paketleri arasında dönüşüm yaparak uç cihazlar ve sensörler arasında bir tercüman, bir köprü rolü oynar. Şöyle ki sensörlerden gatewaye gelen veri RF paketi şeklindedir ancak ağ sunucusuna gönderilen verinin IP paketi şeklinde gönderilmesi gerekir. Bu iki paket tipi arasındaki dönüşümden gateway sorumludur. Aşağıdaki yapıyı incelerseniz her şey daha da netlik kazanacaktır.

LoRa’nın, LoRa uç cihazları ve LoRaWAN’dan oluştuğundan bahsetmiştik. Aşağıdaki görsele baktığımızda da bunun bir özetini görüyoruz. RF layer, kullanılacak radyo frekansı aralığının tanımlandığı katmandır. Physical Layer yani fiziksel katmanda ise LoRa uç cihazları bulunmaktadır. LoRa protokolünde fiziksel katmanda, LoRa uç cihazları ve Gateway arasında sadece tek bir “hop” bağlantısınayani atlama adımına izin verilir.

LoRaWAN kısmına ise ağda bulunan cihazların sınıf bilgisi ve uygulama katmanı dahildir.

LoRaWAN Sınıfları

A Sınıfı (Tetikleme ile dinleme, Düşük Pil Tüketimi)

Tüm LoRa cihazlar A sınıfı ile uyumludur. A sınıfı cihazlarda pil tüketimi en az seviyede tutularak güç konusunda büyük oranda tasarruf sağlamak esastır. Uç cihazlar (sensörler) sürekli olarak gateway’e (ağ geçidi) mesaj gönderebilirler. Yani uplink (uç cihaz -> gateway) sürekli olarak yapılabilir ancak cihazlar ağı dinleme anlamında sürekli uyku modundadır. Güç konusundaki büyük avantaj bu durumdan kaynaklanır. Çünkü uç cihazlar ağı dinlemek için bir pil tüketimi gerçekleştirmez. Bu sebeple gatewayden uç cihaza mesaj iletimi her zaman olamaz. Bir downlink (gateway -> uç cihaz) sadece bir uplink sonrasında gerçekleştirilebilir. Gateway uç cihazdan gelen veriyi servera (sunucu) yönlendirir. Sunucudan ise verinin alındığına dair bir ACK mesajı + gerekli yanıt döner, gateway bunu uç cihaza LoRa paketi halinde sunar. Böylece bir uplink işleminin hemen ardından bir downlink gerçekleştirilmiş olur.

LoRa haberleşme teknolojisinin diğer kablosuz haberleşme teknolojilerine kıyasla en büyük avantajı, geniş mesafeye düşük maliyetle erişim imkanı sağlamasıdır. Önceden belirtildiği üzere WiFi ile erişim kurabileceğimiz alan çok kısıtlıdır ve bununla birlikte güç tüketimi de yüksek seviyededir. Hücresel haberleşme ise mesafe kısıtlamasına tabi olmamasına rağmen yüksek güç tüketimi, operatör firmaların erişim altyapılarının durumuna bağımlılık ve hizmet bedelleri ortaya çıkarmaktadır. Buna karşın LoRa haberleşme teknolojisinin sunduğu, kapalı alanda 2-3 kilometreye, açık alanda 15 kilometreye kadar varan erişim imkanı, uç noktada bağlı olacak cihaza göre bir veya iki adet kalem pil ile 10 yıla kadar sorunsuz bir şekilde çalışabilmektedir.

A Sınıfı cihazlar özellikle sürekli veri aktarımının olmadığı, tetikleyici bir işlem sonrasında hemen yanıt alınması istenen uygulamalarda kullanılır.

Özetle A sınıfı cihazlar sürekli mesaj, veri gönderebilirler(uplink) ancak mesaj, veri alımını (downlink) sadece bir uplink gerçekleştirdikten sonra yapabilirler.

B Sınıfı (Periyodik Dinleme, Dengeli Pil Tüketimi)

B Sınıfı cihazlarda zamanlanmış veri iletişimi gerçekleşir. B Sınıfı bir cihazın bir veri alabilmesi için gateway’den periyodik olarak yani belirli zaman dilimlerinde senkronize olduklarına ilişkin bir işaret sinyali (beacon) alması gerekir. Uç cihaz ve gateway’in senkronize olmadığı anlarda bir uç cihaza veri iletimi yani downlink gerçekleştirilemez. Yine aynı şekilde uplink de sadece bu belirli zaman aralıklarında gerçekleştirilebilir.

Özetle B sınıfı cihazlar, mesaj gönderme ve alma işlemlerini sadece ayarlanmış zaman dilimlerinde gerçekleştirebilirler.

C Sınıfı (Sürekli Zamanlı Dinleme, Yüksek Pil Tüketimi)

Bu sınıfa dahil olan cihazlarda sürekli olarak dinleme gerçekleştirilir böylece herhangi bir zaman diliminde downlink gerçekleştirilebilir. Yani mesaj alımları periyodik değil sürekli olarak gerçekleşir. Böylece gecikmesiz, gerçek zamanlı şekilde veri aktarımı gerçekleştirilebilir. Bu olması istenen durumdur ancak sürekli dinleme sebebiyle yüksek pil tüketimi olduğundan sadece gerçek zamanlı veri aktarımının kritik olduğu uygulamalarda kullanılır.

Özetle C Sınıfı cihazlar, sürekli olarak mesaj alıp gönderebilirler.

LoRa ve LoRaWAN Güvenlik

IoT’de en önemli konulardan biri de kuşkusuz “güvenlik” kavramıdır. Güvenliksiz bir ağa dahil nesneleri evimizde bulundurmak, kapısı olmayan bir evde yaşamaktan çok da farklı değildir. Zira her iki durumda da tüm yabancılara ve kötü olaylara davetiye çıkaran üst düzey zafiyetler mevcuttur. Bu sebeple “Nesnelerin İnternet”i yapısında güvenlik için de önemli çalışmalara yer verilir.

LoRa’da da verilerin güvenliği için 2 ayrı şifreleme kullanılır.

Bunlardan ilki ağ güvenliği için diğeri uygulama katmanının güvenliği içindir. Uç cihaz ile ağ sunucusu arasındaki verilerin güvenli iletişimi için 128 bitlik benzersiz bir ağ oturum anahtarı kullanılır. Uygulama katmanında ise uçtan uça iletişimde 128 bitlik benzersiz bir uygulama oturum anahtarı kullanılır. Bu 128 bitlik anahtarlar AES algoritmaları kullanılarak üretilir.

LoRa haberleşme teknolojisinin veri aktarım oranının düşük olduğunu da herhangi bir uygulamada kullanmadan önce mutlaka göz önünde bulundurmak gerekir. Küresel çapta farklı frekans bantlarını kullanmakta olan LoRaWAN, Avrupa için on adet frekans kanalı tanımlamıştır. Bu on adet frekans kanalından sekizi 250 bps ile 5,5 kbps arasında aktarım sağlayabilen çoklu veri aktarım hızına sahip kanallardır. Bu sekiz kanal dışında 11 kbps veri aktarım hızına ve 50 kbps aktarım hızına sahip FSK kanalı olarak adlandırılan birer kanal daha mevcuttur.

Son dönemde bir LoRa Gateway cihazına bağlanmış olan binlerce LoRa Node cihazlarının kesintisiz veri aktarımı yapabileceği şeklinde yayılan bilgiler, doğruluk payı oldukça sınırlı bilgilerdir. Binler mertebesinde adetlerde cihazın aynı anda LoRa ağı üzerinden veri aktarımında sıkıntıya neden olabilecek faktörlerin başında Duty-Cycle (görev döngüsü) gelir. Her bir LoRa Node cihazı için veri aktarımı sırasında kanalı meşgul etmesi sebebiyle tanımlanan bir maksimum Duty-Cycle değeri mevcuttur.

Duty-Cycle değeri, haberleşmenin kesintisiz olarak sağlanabilmesi için dikkat edilmesi gereken en önemli faktörlerden birisidir. 868 MHz frekans bandını kullanan Avrupa bölgesinde her bir LoRa Node için Duty-Cycle %1, yani saat başına 36 saniyedir. Bu 36 saniye her bir LoRa Node cihazının bir frekans kanalını bir saat içerisinde meşgul edebileceği en yüksek süredir. LoRa Gateway’e bağlanan LoRa Node sayısı arttıkça, iletimi sağlanan paket miktarı, çakışmalardan dolayı azalmaktadır. 

Kaynak:
1- Lora Alliance, “Resource Hub”. https://lora-alliance.org/resource-hub 
2- Adelanto, F. et al. (2017) “Understanding the Limits of LoRaWAN”, IEEE Communications Magazine
3- GSL …www.gsl.com.tr ›LoRa: Kablosuz Haberleşmenin Yükselen Yıldızı : https://www.gsl.com.tr/lora-kablosuz-haberlesmenin-yukselen-yildizi.html
4- Burcu S – Medium : https://medium.com/@burcus/lora-ve-lorawan-nedir-b7a5a1428197