پروتکل LoRa (مخفف Long Range) نه تنها یک فناوری، بلکه ستون فقرات یک انقلاب بیسیم در دنیای اینترنت اشیاء (IoT) است که به دستگاهها این توانایی را میدهد تا در فواصل بسیار طولانی، حتی تا چندین کیلومتر در محیطهای شهری و تا دهها کیلومتر در مناطق روستایی، ارتباط برقرار کنند، در حالی که مصرف انرژی آنها در حد ناچیزی حفظ میشود. این ترکیب بینظیر از بُرد بلند و کارایی انرژی، LoRa را به یک راهحل ایدهآل برای کاربردهای گستردهای تبدیل کرده است که پیش از این به دلیل محدودیتهای فنآوریهای بیسیم سنتی (مانند Wi-Fi، بلوتوث یا 4G) قابل دسترسی نبودند.
معماری LoRa بر مبنای یک تکنیک مدولاسیون (تغییر) پیشرفته طیف گسترده به نام CSS (Chirp Spread Spectrum) بنا شده است که از تغییر فرکانسهای خطی برای رمزگذاری اطلاعات استفاده میکند و همین ویژگی به آن امکان میدهد تا در برابر نویز و تداخلهای محیطی مقاومت بسیار بالایی داشته باشد. این مقاومت بالا، پایداری ارتباط در محیطهای سخت و شلوغ صنعتی یا شهری عدم هک کلید و پریز هوشمند را تضمین میکند.
در حقیقت، LoRa نه یک شبکهی کامل، بلکه لایه فیزیکی (Physical Layer) را تعریف میکند؛ لایهای که مشخص میکند دادهها چگونه از طریق هوا منتقل شوند. در کنار آن، LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) بهعنوان یک پروتکل لایه بالایی (MAC Layer) عمل میکند و معماری شبکه، امنیت، و مدیریت دستگاهها را تعریف مینماید. این تفکیک وظایف، قابلیت انعطافپذیری بالایی را در طراحی و استقرار شبکههای مختلف مبتنی بر LoRa فراهم میآورد.

پروتکل LoRa
مزیت کلیدی پروتکل LoRa نسبت به سایر تکنولوژیها
پروتکل LoRa با ارائه مجموعهای از ویژگیهای منحصربهفرد، جایگاه ویژهای در اکوسیستم رقابتی اینترنت اشیاء به دست آورده است، بهخصوص زمانی که با تکنولوژیهای مبتنی بر شبکههای سلولی مانند NB-IoT (Narrowband-IoT) و LTE-M (یا Cat-M1) مقایسه میشود. تفاوتهای اساسی LoRa در پنج محور کلیدی زیر نهفتهاند که مزیت رقابتی قابل توجهی برای استقرار شبکههای خصوصی و گسترده فراهم میکنند:
برد ارتباطی فوقالعاده بلند (Long Range)
LoRa از مدولاسیون CSS استفاده میکند که به آن اجازه میدهد تا حد بسیار بالایی از حساسیت گیرنده (تا $\approx -148 dBm$) را داشته باشد. این حساسیت فوقالعاده به این معناست که گیرنده میتواند سیگنالهای بسیار ضعیف را نیز دریافت کند، که نتیجهی مستقیم آن بُرد عملیاتی بسیار طولانی است. در محیطهای شهری، یک دروازه (Gateway) میتواند تا 2 تا 5 کیلومتر برد داشته باشد و در محیطهای روستایی یا خط دید باز، این فاصله میتواند به 15 تا 20 کیلومتر نیز برسد. این در حالی است که تکنولوژیهای سلولی مانند NB-IoT یا Cat-M1 عمدتاً به زیرساختهای موجود دکلهای موبایل و قدرت پوشش آنها وابسته هستند که بُرد موثر آنها در برخی محیطها محدودتر است.
مصرف انرژی در سطح میکروآمپر و عمر باتری چندین ساله
یکی از بزرگترین مزیتهای LoRa، توانایی آن در حفظ مصرف انرژی در حالت فعال و غیرفعال در پایینترین سطح ممکن است. دستگاههای LoRa برای سالها (حتی تا 10 سال یا بیشتر) میتوانند با یک باتری کوچک کار کنند، زیرا دورههای فعالیت آنها بسیار کوتاه و انتقال دادهها به صورت غیرهمزمان و دورهای است. این مشخصه برای حسگرهای دورافتاده، دستگاههای پایش محیطی یا ردیابهایی که تعویض باتری در آنها پرهزینه یا غیرممکن است، حیاتی است. در مقابل، اگرچه NB-IoT و Cat-M1 نیز دارای حالتهای صرفهجویی در مصرف انرژی (مانند PSM – Power Saving Mode و eDRX – extended Discontinuous Reception) هستند، اما به دلیل پیچیدگیهای پروتکلهای سلولی و نیاز به ارتباط منظمتر با برجهای سلولی، معمولاً مصرف انرژی آنها در درازمدت کمی بالاتر از LoRa باقی میماند.
قابلیت استقرار شبکهی خصوصی و مالکیت کامل زیرساخت
LoRaWAN در باندهای فرکانسی بدون مجوز (License-free ISM bands) (مانانند 868 مگاهرتز در اروپا و 915 مگاهرتز در آمریکای شمالی) کار میکند. این بدان معناست که هر شرکت یا فرد میتواند بدون نیاز به خرید مجوز فرکانس از دولت یا اپراتورهای موبایل، دروازههای خود را نصب کرده و شبکهی کاملاً خصوصی و مستقل خود راهاندازی کند. این امر هزینههای عملیاتی را به شدت کاهش داده و کنترل کاملی بر امنیت و ظرفیت شبکه به کاربر میدهد. در مقابل، NB-IoT و Cat-M1 کاملاً وابسته به زیرساخت و مجوزهای اپراتورهای موبایل هستند، که این امر منجر به هزینههای اشتراک ماهانه یا سالانه و همچنین وابستگی به پوشش اپراتور میشود.

پروتکل LoRa
مقاومت بالا در برابر نویز و اثر تداخل (Interference Immunity)
تکنیک مدولاسیون CSS در LoRa ذاتاً نسبت به تداخلات محیطی و نویزهای باند عریض بسیار مقاوم است. این امر به دلیل ویژگی بهرهی پردازش (Processing Gain) بالای این مدولاسیون است که به آن اجازه میدهد تا سیگنالهایی را که حتی زیر سطح نویز محیطی (زیر آستانه نویز یا Noise Floor) هستند، با موفقیت بازیابی کند. این ویژگی برای کاربردهای در محیطهای پرنویز صنعتی یا زیرساختهای شهری با تداخل بالا یک مزیت بزرگ محسوب میشود.
انعطافپذیری در نرخ داده و سازگاری با نیازهای دادهای پایین
LoRa یک فناوری با نرخ دادهی پایین (Low Data Rate) است که معمولاً از 0.3 کیلوبیت بر ثانیه تا 50 کیلوبیت بر ثانیه متغیر است. این نرخ داده پایین کاملاً متناسب با ماهیت اغلب کاربردهای IoT است که در آنها نیاز به ارسال بستههای دادهی کوچک (مانند دما، رطوبت، موقعیت GPS) به صورت دورهای است. انعطافپذیری LoRa در انتخاب عامل پخش (Spreading Factor – SF) این امکان را میدهد تا بین برد (با SF بالاتر) و نرخ داده (با SF پایینتر) یک تعادل مناسب برقرار شود. در حالی که NB-IoT و Cat-M1 نرخ دادهی بالاتری را ارائه میدهند، اما این نرخ داده اضافی اغلب برای کاربردهایی که فقط به ارسال چند بایت داده نیاز دارند، کارایی ندارد و ممکن است به مصرف انرژی بیشتر منجر شود.
| ویژگی | پروتکل LoRa | NB-IoT / Cat-M1 (شبکه سلولی) |
| مالکیت شبکه | خصوصی و مستقل (بدون نیاز به مجوز) | وابسته به اپراتورهای موبایل (نیاز به سیم کارت و اشتراک) |
| فرکانس کاری | باندهای بدون مجوز (ISM) | باندهای دارای مجوز اپراتورهای موبایل |
| بُرد (در شهر) | بسیار بالا (تا 5 کیلومتر برای یک گیتوی) | بالا (وابسته به پوشش دکلهای سلولی) |
| عمر باتری | فوقالعاده بالا (تا 10 سال) | بالا (معمولاً کمتر از LoRa به دلیل پیچیدگی پروتکل) |
| نرخ داده | پایین (میکرو کیلوبیت بر ثانیه) | متوسط (چند ده تا صدها کیلوبیت بر ثانیه) |
| مقاومت به نویز | بسیار بالا (به دلیل مدولاسیون CSS) | نسبتاً بالا |

پروتکل LoRa
4 کاربرد نوین LoRa در تحول شهرهای هوشمند
قابلیتهای منحصربهفرد LoRaWAN در بُرد بلند، مصرف انرژی کم و قابلیت نفوذ عمیق به محیطهای سخت، آن را به یک نیروی محرک در تحول دیجیتال و هوشمندسازی صنایع مختلف تبدیل کرده است. این فناوری چهار زمینهی کاربردی نوین و پر پتانسیل را باز کرده است که در ادامه به تفصیل توضیح داده میشود:
شهرهای هوشمند (Smart Cities) و مدیریت منابع عمومی
LoRaWAN بهعنوان شریان ارتباطی اصلی در پروژههای شهر هوشمند عمل میکند، به خصوص در مواردی که نیاز به جمعآوری داده از نقاط پراکنده و دور از دسترس وجود دارد. این پروتکل امکان نظارت دقیق بر زیرساختهای شهری را فراهم میسازد که شامل مواردی نظیر سیستمهای پایش هوشمند پارکینگ (اطلاع از فضای خالی)، مدیریت زبالههای هوشمند (پایش پر شدن سطلها و بهینهسازی مسیر جمعآوری)، و قرائت هوشمند کنتورها (Smart Metering) میشود. در بحث کنتورها، دستگاههای مبتنی بر LoRa میتوانند برای سالها بدون نیاز به تعویض باتری، میزان مصرف آب، برق یا گاز را از زیرزمینها یا مناطق دورافتاده با موانع زیاد، بدون نیاز به سیمکشی یا استفاده از شبکههای سلولی پرهزینه، گزارش دهند. همچنین، نظارت بر کیفیت هوا و آلودگی صوتی در مقیاس وسیع شهری و ارسال سریع دادههای هشدار به مراکز کنترل، از دیگر کاربردهای حیاتی آن است که منجر به بهبود کارایی خدمات شهری و کاهش هزینههای عملیاتی میشود.
کشاورزی هوشمند (Smart Agriculture) و پایش محیطی
در بخش کشاورزی، مزرعهها اغلب در مناطق وسیع و با پوشش شبکهای ضعیف قرار دارند. LoRaWAN با بُرد کیلومتری خود، بر این چالش غلبه میکند و امکان استقرار یک شبکه حسگر ارزان و با کارایی انرژی بالا را در سراسر مزرعه فراهم میسازد. کشاورزان میتوانند با استفاده از حسگرهای LoRa دما، رطوبت خاک، میزان pH، و وضعیت جوی را پایش کنند. پایش دقیق وضعیت خاک و گیاهان به کشاورز اجازه میدهد تا آبیاری و کوددهی را دقیقاً بر اساس نیاز واقعی گیاه تنظیم کند که این امر به کاهش مصرف آب و کود و در نتیجه افزایش بهرهوری محصول منجر میشود. علاوه بر این، ردیابی دامها (Cattle Tracking) در مزارع بزرگ برای جلوگیری از گم شدن یا پایش وضعیت سلامتی آنها از راه دور، یکی دیگر از کاربردهای مهمی است که توسط این پروتکل تسهیل شده است.
ردیابی داراییها (Asset Tracking) در مقیاس جهانی و لجستیک
قابلیت LoRa در موقعیتیابی و ردیابی، آن را به گزینهای ایدهآل برای صنعت لجستیک و مدیریت زنجیره تأمین تبدیل کرده است. برچسبها و دستگاههای ردیاب مبتنی بر LoRa میتوانند به کانتینرها، پالتها، تجهیزات گرانقیمت یا وسایل نقلیه متصل شوند. این دستگاهها میتوانند بهطور دورهای موقعیت مکانی (با استفاده از تریانگولاسیون بر اساس گیتویهای LoRaWAN یا ادغام با GPS کممصرف) و وضعیت محیطی (دما، ضربه) دارایی را گزارش دهند. مزیت کلیدی در این زمینه، عمر باتری طولانی است، به طوری که ردیاب میتواند برای ماهها یا سالها بدون نیاز به شارژ، در یک کانتینر در حال حمل و نقل باقی بماند و اطلاعات حیاتی را از موقعیت آن در هر مرحله از سفر، در صورت وجود پوشش LoRaWAN، ارسال کند.
پایش محیطی و صنعتی (Environmental and Industrial Monitoring)
در محیطهای صنعتی سخت، مانند معادن، تأسیسات نفتی و گازی، یا کارخانجات بزرگ، جمعآوری دادههای حیاتی از حسگرهای دورافتاده و در معرض خطر، یک چالش بزرگ است. LoRaWAN میتواند برای پایش پارامترهای ایمنی مانند سطح گازهای سمی، لرزش تجهیزات، یا دما و رطوبت در انبارهای بزرگ استفاده شود. قابلیت نفوذ بالای سیگنال LoRa، آن را قادر میسازد تا در ساختمانهای بتنی ضخیم یا زیرزمینها که سیگنالهای Wi-Fi یا سلولی به سختی به آنها میرسند، به خوبی عمل کند. این امر به تعمیر و نگهداری پیشبینیشده (Predictive Maintenance) کمک میکند و خطر خرابیهای ناگهانی را به شدت کاهش میدهد. همچنین در پایش محیطی، مانند اندازهگیری سطح آب در رودخانهها یا سدها برای هشدار سیل، LoRaWAN راهحل مطمئن و کممصرفی را ارائه میدهد.

پروتکل LoRa
LoRa یک شبکه گسترده و کممصرف
پروتکل LoRaWAN بهعنوان لایه شبکه (Network Layer) روی لایهی فیزیکی LoRa قرار گرفته و یک ساختار ستارهای از شبکهی گسترده را تعریف میکند. این معماری برای دستیابی به بُرد بلند، ظرفیت بالا و مصرف انرژی کم، نیازمند شش مؤلفه فنی اصلی و حیاتی است که در هماهنگی کامل با یکدیگر عمل میکنند:
دستگاههای پایانی (End Devices) یا گرهها
این دستگاهها، حسگرها یا عملگرهایی هستند که در میدان نصب میشوند و وظیفهی اصلی آنها جمعآوری داده (مانند دما، موقعیت، لرزش) یا اجرای دستورات (مانند باز و بسته کردن یک شیر) است. دستگاههای پایانی کممصرفترین بخش شبکه هستند و برای بهینهسازی عمر باتری، بیشتر اوقات در حالت خواب (Sleep Mode) باقی میمانند و تنها زمانی که دادهای برای ارسال دارند (یا در فواصل زمانی مشخص)، بیدار میشوند و به اصطلاح Uplink انجام میدهند.
این دستگاهها به سه کلاس عملیاتی (Class A, B, C) تقسیم میشوند که هر یک الگوی ارتباطی و مصرف انرژی متفاوتی را تعریف میکنند و این امکان را فراهم میسازند تا بسته به نوع کاربرد (مانند حسگرهای پایش ساده در برابر دستگاههایی که نیاز به دریافت سریع دستور دارند)، بهینهترین حالت انتخاب شود.
دروازهها (Gateways) یا پلهای ارتباطی
دروازهها قلب شبکه LoRaWAN هستند و بهعنوان یک پل ارتباطی شفاف (Transparent Bridge) بین دستگاههای پایانی و سرور شبکه عمل میکنند. وظیفه آنها، دریافت بستههای داده فرستاده شده از دستگاههای پایانی (از طریق LoRa) و سپس ارسال آنها به سرور شبکه (از طریق پروتکلهای استاندارد IP مانند Ethernet، Wi-Fi یا سلولی) است. هر گیتوی میتواند سیگنالهای صدها هزار دستگاه پایانی را در یک ناحیه وسیع دریافت کند. این دستگاهها خودشان دادهها را تحلیل نمیکنند، بلکه تنها وظیفهی انتقال بیطرفانه را بر عهده دارند و همین امر باعث میشود که بتوانند در برابر حجم بالایی از ترافیک مقاومت کنند. برخلاف دستگاههای پایانی، گیتویها معمولاً به منبع تغذیه ثابت متصل هستند.

پروتکل LoRa
سرور شبکه (Network Server)
این بخش مسئول مدیریت و کنترل کل شبکه LoRaWAN است. سرور شبکه وظایف حیاتی متعددی را بر عهده دارد، از جمله: حذف بستههای تکراری که ممکن است توسط چندین گیتوی دریافت شده باشند، مدیریت پهنای باند و نرخ داده (با الگوریتم ADR – Adaptive Data Rate برای بهینهسازی بُرد و مصرف انرژی)، مسیریابی دادهها به سرورهای کاربرد مربوطه، و احراز هویت دستگاههای پایانی برای پیوستن به شبکه. در واقع، سرور شبکه، لایهی هوشمند بین دستگاههای فیزیکی و دادههای قابل استفاده است و عملکرد هماهنگ تمام اجزای شبکه را تضمین میکند.
سرور کاربرد (Application Server)
پس از اینکه سرور شبکه دادهها را دریافت و پردازش کرد، آنها را به سرور کاربرد منتقل میکند. وظیفه سرور کاربرد، رمزگشایی (Decryption) دادههای رمزگذاری شده (End-to-End Encryption) از فرمت باینری خام به فرمت قابل فهم برای کاربر (مانند JSON یا XML) و ذخیرهسازی، تحلیل و نمایش این دادهها است. این سرور، نقطهی پایانی برای دادهها و رابط کاربری برای برنامههایی است که از اطلاعات حسگرها استفاده میکنند (مانند داشبوردهای مدیریتی، سیستمهای هشداردهنده و اپلیکیشنهای موبایل). همچنین، هرگونه فرمان Downlink (ارسال فرمان از شبکه به دستگاه پایانی) نیز از طریق این سرور آغاز میشود.
سرویس موقعیتیابی (Geolocalization Service)
در معماری LoRaWAN، امکان تعیین موقعیت تقریبی دستگاههای پایانی بدون نیاز به GPS داخلی پرمصرف وجود دارد. این سرویس موقعیتیابی با استفاده از Trilateration (سهگوشهسازی) مبتنی بر زمان دریافت سیگنال (Time Difference of Arrival – TDOA) بین چندین گیتوی مختلف عمل میکند. اگر سیگنال یک دستگاه توسط حداقل سه گیتوی مجزا دریافت شود، سرور شبکه میتواند با اندازهگیری دقیق زمان رسیدن سیگنال به هر گیتوی، موقعیت دستگاه را با دقت قابل قبولی تخمین بزند. این قابلیت برای ردیابی داراییها که در آن مصرف انرژی در اولویت است، بسیار مفید است.
پروتکلهای امنیتی چند لایهای (Multi-Layer Security)
امنیت در LoRaWAN با دو لایه رمزنگاری AES128 تضمین میشود:
رمزنگاری شبکه (Network Session Key – NwkSKey): برای اطمینان از صحت و یکپارچگی دادهها بین دستگاه پایانی و سرور شبکه استفاده میشود و گیتویها را از دستکاری دادهها منع میکند.
رمزنگاری کاربرد (Application Session Key – AppSKey): برای تضمین محرمانگی دادهها بین دستگاه پایانی و سرور کاربرد استفاده میشود. این رمزنگاری از نوع End-to-End است، به این معنی که حتی سرور شبکه هم نمیتواند محتوای داده را رمزگشایی کند، و این امر سطح بالایی از حریم خصوصی و امنیت را فراهم میکند، بهخصوص در کاربردهای حساس مانند کنتورهای هوشمند یا پایش وضعیت سلامتی. این ساختار امنیتی تضمین میکند که دادهها در طول مسیر از حسگر تا برنامهی نهایی کاملاً محافظت شوند.

پروتکل LoRa
بهینهسازی مصرف باتری و ارتباط دوسویه
LoRaWAN برای ایجاد تعادل میان مصرف انرژی، تأخیر در دریافت اطلاعات (Latency) و قابلیت ارتباط دوسویه (Bi-directional Communication)، سه کلاس عملیاتی مجزا برای دستگاههای پایانی تعریف کرده است. هر کلاس یک الگوی متفاوتی برای باز بودن پنجرههای دریافت (Receive Windows) دارد و انتخاب کلاس مناسب، کلید بهینهسازی عمر باتری در کاربردهای مختلف است:
کلاس A (Class A): بهینهترین کلاس از نظر مصرف انرژی برای حسگرهای ساده و دورهای
کلاس A، پیشفرض تمام دستگاههای LoRaWAN است و بهینهترین کلاس از نظر مصرف انرژی محسوب میشود. دستگاههای کلاس A پس از هر ارسال دادهی Uplink (ارسال داده از دستگاه به سرور)، تنها دو پنجرهی دریافت کوتاه (RX1 و RX2) را به ترتیب باز میکنند. این دو پنجره تنها برای مدت کوتاهی پس از انتقال داده باز میشوند و پس از آن، دستگاه بلافاصله به حالت خواب عمیق (Deep Sleep) فرو میرود. اگر سرور شبکه یا سرور کاربرد دادهای برای ارسال (Downlink) به دستگاه داشته باشد، باید آن را در یکی از این دو پنجرهی کوتاه ارسال کند.
اگر ارسال انجام نشود، سرور باید صبر کند تا دستگاه مجدداً یک Uplink جدید انجام دهد. این مدل ارتباطی، نامتقارن (Asymmetric) است و برای حسگرهایی ایدهآل است که بهطور دورهای دادهها را ارسال میکنند و نیاز به دریافت فوری فرمان ندارند (مانند پایشگرهای دما و رطوبت). کمترین مصرف باتری، مشخصهی اصلی کلاس A است، زیرا دستگاه بیشتر زمان خود را در حالت غیرفعال میگذراند.

پروتکل LoRa
کلاس B (Class B): تعادل بین مصرف انرژی و قابلیت دسترسی زمانبندی شده
کلاس B، یک کلاس میانی است که تعادلی بین مصرف انرژی و قابلیت دسترسی بهتر (پنجرههای دریافت اضافی) ایجاد میکند. علاوه بر دو پنجرهی دریافت کوتاهی که پس از Uplink باز میشوند (مانند کلاس A)، دستگاههای کلاس B در فواصل زمانی ثابت (که توسط سرور شبکه هماهنگ میشود) پنجرههای دریافت اضافی به نام Ping Slots باز میکنند. این بازههای زمانی توسط یک Beacon (سیگنال مرجع) که از دروازهها و در زمانهای دقیق ارسال میشود، هماهنگ میگردند. بنابراین، سرور شبکه میتواند در این بازههای زمانی مشخص، دادههای Downlink را بدون نیاز به انتظار برای Uplink دستگاه، برای آن ارسال کند.
این کلاس برای کاربردهایی مناسب است که نیاز به دریافت دستورات یا تنظیمات در فواصل زمانی مشخص و نسبتاً طولانی دارند، مانند دستگاههای پایش و کنترل که باید بهطور دورهای بهروزرسانی شوند. مصرف انرژی کلاس B بالاتر از کلاس A است، اما همچنان بسیار پایینتر از ارتباطات مداوم است.
کلاس C (Class C): بالاترین قابلیت دسترسی و بالاترین مصرف انرژی
کلاس C، بالاترین میزان دسترسی را فراهم میکند و برای دستگاههایی مناسب است که نیاز به دریافت فوری دادهها و دستورات Downlink دارند (مانند عملگرها یا دستگاههای کنترل از راه دور). در این کلاس، دستگاه پس از پایان زمان انتقال Uplink، پنجرهی دریافت دوم (RX2) خود را تقریباً بهصورت پیوسته باز نگه میدارد. تنها زمانی که دستگاه در حال ارسال یک Uplink است، پنجرهی دریافت بسته میشود. این بدان معناست که سرور شبکه میتواند تقریباً در هر زمانی که نیاز باشد، دادهها را برای دستگاه ارسال کند و تأخیر در دریافت پیام به حداقل میرسد.
به دلیل باز بودن مداوم یا طولانیمدت گیرنده (Receiver)، کلاس C بالاترین مصرف انرژی را در میان سه کلاس دارد و معمولاً برای دستگاههایی که به منبع تغذیه ثابت (مانند اتصال به برق شهری یا پنل خورشیدی بزرگ) متصل هستند، استفاده میشود. این کلاس مناسب برای سناریوهایی مانند شیرهای آب هوشمند یا چراغهای خیابانی است که باید بلافاصله پس از دریافت فرمان، عمل کنند.



