2.1   Dasar Teori

• LoRa ( Long Range )

LoRa (singkatan dari Long Range) adalah teknologi komunikasi nirkabel yang dipatenkan yang menggabungkan konsumsi daya yang sangat rendah dengan jarak jauh yang efektif. Sementara jangkauan sangat tergantung pada lingkungan dan kemungkinan penghalang (LOS atau N-LOS), LoRa biasanya memiliki jangkauan antara 13-15Km, yang berarti satu gerbang LoRa dapat menyediakan jangkauan untuk seluruh kota, dan dengan beberapa lagi, keseluruhan negara.

Teknologi LoRa menggunakan modulasi CSS (Chirp Spread Spectrum) yang memungkinkan pengiriman data dengan jarak yang jauh dan daya rendah melalui pita ISM (Instrumentation Science and Medical) yang tidak berlisensi. Implementasi dari teknologi LoRa mencakup jaringan IoT (Internet of Things), pemantauan jarak jauh, dan beragam aplikasi lainnya.

• Cara kerja LoRa ( Long Range )

Teknologi LoRa (Long Range) bekerja dengan mengirimkan data secara nirkabel dalam jarak jauh dengan menggunakan modulasi radio yang efisien secara energi. Berikut adalah cara kerjanya secara umum:

1.  Modulasi Radio: LoRa menggunakan modulasi radio khusus yang disebut Chirp Spread Spectrum (CSS). CSS memungkinkan sinyal untuk menyebar di spektrum frekuensi yang lebih luas, sehingga meningkatkan kemampuan jangkauan dan daya tahan sinyal.

• Transmisi Data: Data dikirimkan dalam bentuk paket kecil yang disebut pesan. Pesan tersebut diubah menjadi bentuk digital dan dimodulasi menjadi sinyal radio LoRa.

• Transmisi dan Penerimaan: Sinyal radio yang dimodulasi LoRa dikirimkan melalui antena ke stasiun penerima atau gateway. Gateway ini kemudian meneruskan data ke server atau jaringan terkait.

• Teknik Spread Spectrum: LoRa menggunakan teknik spread spectrum untuk mengirimkan data. Ini memungkinkan transmisi data dalam spektrum frekuensi yang lebih lebar daripada yang diperlukan secara tradisional. Teknik ini meningkatkan ketahanan terhadap gangguan dan memungkinkan jangkauan yang lebih besar.

• Kode dan Dekode Data: Di ujung penerima, sinyal LoRa didekripsi dan didekode kembali menjadi data digital yang dapat dibaca oleh perangkat yang terhubung.

• Manajemen Energi: Salah satu keunggulan LoRa adalah efisiensi energinya. Ini memungkinkan perangkat LoRa untuk beroperasi dalam mode hemat daya yang memungkinkannya bertahan lama dengan daya baterai yang terbatas.

• Protokol Komunikasi:LoRa biasanya digunakan dalam jaringan LPWAN (Low Power Wide Area Network), yang menawarkan jangkauan yang luas dengan konsumsi daya yang rendah. Protokol komunikasi yang digunakan dalam jaringan ini memungkinkan perangkat LoRa untuk berkomunikasi satu sama lain atau dengan gateway dalam jarak yang sangat jauh.

2.1.3   Penggunaan LoRa

Pemanfaatan teknologi LoRa memberikan kemungkinan yang sangat luas dalam memantau lingkungan dan mengotomatisasi industri. LoRa dapat mengirimkan data dari lokasi yang sebelumnya sulit dijangkau, seperti area pertanian terpencil atau infrastruktur perkotaan yang kompleks, dengan lebih efisien dan efektif.

Penggunaan LoRa ini memungkinkan perusahaan untuk memantau kondisi lingkungan atau aset secara real-time, meningkatkan efisiensi operasional mereka. Hal ini juga membantu mengurangi biaya operasional dengan memungkinkan pemantauan dan manajemen aset dari jarak jauh. Dengan demikian, penggunaan LoRa mendukung upaya untuk mencapai operasi yang lebih berkelanjutan dan mengurangi dampak lingkungan.

2.1.4   Sistem Komunikasi Pada LoRa

Terdapat tiga sistem komponen utama yang bekerja pada LoRa, berikut rinciannya :

1. LoRa end device, yang berisi sensor yang terhubung melalui LoRa radio interface dengan LoRa Gateway.
   1. LoRa gateway, berfungsi untuk menghubungkan antara LoRa end device dengan LoRa Net Server.
   1. LoRa Net Server, merupakan media pengontrol seluruh jaringan yang dapat berfungsi sebagai manajemen sumber daya radio, memproses data, dan keamanan.

2.1.5   Fitur LoRa

Radio LoRa terdiri dari beberapa fitur yang membantunya mencapai daya efektif jarak jauh dan biaya rendah. Beberapa fitur ini meliputi;

1. Teknik Modulasi
   1. Frekuensi
   1. Kecepatan Data Adaptif
   1. Tingkat Daya Adaptif

1.     Modulasi

Radio Lora menggunakan teknik modulasi spektrum penyebaran kicauan untuk mencapai jangkauan komunikasi yang sangat tinggi sambil mempertahankan karakteristik daya rendah yang mirip dengan radio berbasis lapisan fisik modulasi FSK. Sementara modulasi spektrum penyebaran kicauan telah ada untuk beberapa waktu dengan aplikasi dalam komunikasi militer dan ruang angkasa, LoRa menyajikan aplikasi komersial pertama yang berbiaya rendah dari teknik modulasi.

2.     Frekuensi

Meskipun teknologi LoRa bersifat agnostik frekuensi, Komunikasi antar radio LoRa terjadi melalui penggunaan pita frekuensi radio sub-GHz tanpa izin yang tersedia di seluruh dunia. Frekuensi ini bervariasi dari satu wilayah ke wilayah lain dan seringkali juga berbeda antar negara. Misalnya 868MHz biasa digunakan untuk komunikasi LoRa di Eropa, sedangkan 915MHz digunakan di Amerika Utara. Terlepas dari frekuensinya, LoRa dapat digunakan tanpa variasi besar dalam teknologi.

Gambar 2. Pita Frekuensi untuk LoRa di Berbagai Negara

Menggunakan frekuensi yang lebih rendah daripada modul komunikasi seperti WiFi yang berbasis pada pita ISM 2.4 atau 5.8GHz memungkinkan area jangkauan yang jauh lebih luas terutama untuk situasi NLOS. Penting untuk dicatat bahwa izin masih diperlukan di beberapa negara sebelum pita yang tidak berlisensi dapat digunakan.

3.     Kecepatan Data Adapatif

LoRa menggunakan kombinasi bandwidth variabel dan faktor penyebaran (SF7-SF12) untuk menyesuaikan kecepatan data dalam trade-off dengan jangkauan transmisi. Faktor penyebaran yang lebih tinggi memungkinkan jangkauan yang lebih panjang dengan mengorbankan kecepatan data yang lebih rendah, dan sebaliknya. Kombinasi bandwidth dan faktor penyebaran dapat dipilih sesuai dengan kondisi tautan dan tingkat data yang akan dikirim. Dengan demikian, faktor penyebaran yang lebih tinggi meningkatkan kinerja dan sensitivitas transmisi untuk bandwidth tertentu, tetapi juga meningkatkan waktu transmisi sebagai akibat dari kecepatan data yang lebih rendah. Ini dapat bervariasi mulai dari 18bps hingga 40Kbp.

Gambar 3. Kecepatan Data Adaptif

4.     Tingkat Daya Adaptif

Tingkat daya yang digunakan oleh radio LoRa bersifat adaptif. Ini tergantung pada faktor-faktor seperti kecepatan data dan kondisi tautan antara lain. Saat transmisi cepat dibutuhkan, daya yang dipancarkan didorong mendekati maksimum dan sebaliknya. Dengan demikian, masa pakai baterai dimaksimalkan dan kapasitas jaringan dipertahankan. Konsumsi daya juga tergantung pada kelas perangkat di antara beberapa faktor lainnya.

2.3.7 LoRaWAN

LoRaWAN adalah standar LPWAN (Low Power Wide Area Network) berkapasitas tinggi, Jangka Panjang, terbuka, yang dirancang untuk Solusi IoT Bertenaga LoRa oleh LoRa Alliance. Ini adalah protokol dua arah yang memanfaatkan semua fitur teknologi LoRa untuk memberikan layanan termasuk pengiriman pesan yang andal, keamanan ujung ke ujung, lokasi, dan kemampuan multicast. Standar tersebut memastikan interoperabilitas dari berbagai jaringan LoRaWAN di seluruh dunia.

Biasanya ada campuran ketika orang mencoba mendefinisikan LoRa dan LoRaWAN yang mungkin paling baik diselesaikan dengan memeriksa Model tumpukan referensi OSI.

Gambar 2.3.7 LoRaWAN

Sederhananya, berdasarkan Model tumpukan OSI, LoRaWAN sesuai dengan protokol Akses Media untuk jaringan komunikasi sementara LoRa sesuai dengan lapisan Fisik. Jadi, LoRaWAN mendefinisikan protokol komunikasi dan arsitektur sistem untuk jaringan, sementara arsitektur LoRa memungkinkan tautan komunikasi jarak jauh. Keduanya digabungkan untuk menyediakan fungsionalitas yang menentukan masa pakai baterai dari sebuah node, kapasitas jaringan, kualitas layanan, keamanan dan aplikasi lain yang dilayani oleh jaringan. Meskipun LoRaWAN adalah lapisan MAC paling populer untuk LoRa, lapisan berpemilik lainnya yang juga dibangun di atas teknologi LoRa ada. Contoh yang bagus adalah Symphony link by Link Labs yang khusus dikembangkan untuk aplikasi industri.

1.     Arsitektur Jaringan LoRaWAN

Berlawanan dengan topologi jaringan mesh yang diadopsi oleh sebagian besar jaringan, LoRaWAN menggunakan arsitektur jaringan bintang, sehingga, daripada memiliki setiap perangkat akhir dalam keadaan hampir selalu, mengulangi transmisi dari perangkat lain untuk meningkatkan jangkauan, perangkat akhir di jaringan LoRaWAN berkomunikasi langsung dengan gateway dan hanya aktif saat mereka perlu berkomunikasi dengan gateway karena jangkauan tidak menjadi masalah. Ini adalah faktor yang berkontribusi pada fitur daya rendah dan masa pakai baterai tinggi yang diperoleh di perangkat ujung LoRa.

Arsitektur Jaringan LoRa terdiri dari empat bagian utama;

1.     Perangkat Akhir

Ini adalah sensor atau aktuator di tepi jaringan. Perangkat akhir melayani aplikasi yang berbeda dan memiliki persyaratan yang berbeda. Untuk mengoptimalkan berbagai profil aplikasi akhir, LoRaWAN ™ menggunakan tiga kelas perangkat yang berbeda di mana perangkat akhir dapat dikonfigurasi. Kelas tersebut menampilkan pertukaran antara latensi komunikasi downlink dan masa pakai baterai perangkat.

Tiga kelas utama tersebut adalah;

1. Perangkat akhir dua arah (Kelas A)

• Perangkat akhir dua arah dengan slot penerimaan terjadwal (Kelas B)

• Perangkat akhir dua arah dengan slot penerimaan maksimal (Kelas C)

Gambar 1. Perangkat Akhir

a.     Perangkat Akhir Kelas A.

Ini adalah perangkat yang hanya memerlukan komunikasi downlink dari r servis segera setelah Uplink. Misalnya, mereka adalah perangkat yang perlu menerima konfirmasi pengiriman pesan dari server setelah uplink. Untuk perangkat kelas ini, mereka harus menunggu hingga Uplink dikirim ke server sebelum downlink apa pun dapat diterima. Sebagai akibatnya, komunikasi dijaga seminimal mungkin dan karenanya memiliki operasi daya terendah dan masa pakai baterai tertinggi. Contoh yang baik dari perangkat kelas A adalah Smart Energy Meter berbasis LoRa

b.     Perangkat Akhir Kelas B.

Perangkat ini dialokasikan jendela downlink ekstra pada interval yang dijadwalkan selain downlink yang diterima ketika uplink dikirim (Kelas A + downlink ekstra terjadwal). Sifat terjadwal dari downlink ini memastikan pengoperasian masih rendah daya karena komunikasi hanya aktif pada interval terjadwal tetapi daya ekstra yang dikonsumsi selama downlink terjadwal meningkatkan konsumsi daya melebihi perangkat Kelas A, dengan demikian, mereka memiliki baterai yang lebih rendah hidup dibandingkan dengan perangkat akhir kelas A.

c.     Perangkat Akhir Kelas C.

Kelas perangkat ini tidak memiliki batasan pada downlink. Mereka dirancang untuk hampir selalu terbuka untuk komunikasi dari server. Mereka mengonsumsi lebih banyak daya daripada kelas lain dan memiliki masa pakai baterai terendah. Contoh yang baik dari perangkat kelas C adalah perangkat akhir yang digunakan dalam pengelolaan armada atau pemantauan lalu lintas nyata.

2.     Gerbang

Gateway (juga disebut sebagai konsentrator) adalah perangkat yang terhubung ke server jaringan melalui koneksi IP standar yang menyampaikan pesan antara backend server jaringan pusat dan perangkat akhir menggunakan protokol komunikasi nirkabel hop tunggal. Mereka dirancang untuk mendukung komunikasi dua arah dan dilengkapi dengan multicast yang memungkinkan perangkat lunak untuk mengirim pesan distribusi massal seperti pembaruan over-the-air.

Inti dari setiap gateway LoRa adalah demodulator LoRa multi-saluran yang mampu mendekode semua varian modulasi LoRa pada beberapa frekuensi secara paralel.

Untuk operator jaringan skala besar, faktor pembeda utama adalah kinerja radio (sensitivitas, daya pengiriman), sambungan chip SX1301 ke MCU gateway (USB ke SPI atau SPI ke SPI) dan dukungan serta distribusi PPS sinyal yang ketersediaannya

memungkinkan sinkronisasi waktu yang tepat di seluruh populasi gateway dalam jaringan

LoRa menyebarkan komunikasi antara perangkat akhir dan gateway di beberapa saluran frekuensi dan kecepatan data. Teknologi spektrum tersebar menggunakan kecepatan data mulai dari 0,3 kbps hingga 50 kbps untuk mencegah komunikasi saling mengganggu dan menciptakan serangkaian saluran “virtual” yang meningkatkan kapasitas gateway.

Untuk memaksimalkan masa pakai baterai perangkat akhir dan kapasitas jaringan secara keseluruhan, server jaringan LoRa mengelola kecepatan data dan keluaran RF untuk setiap perangkat akhir secara individual melalui skema kecepatan data adaptif (ADR).

3.     Server jaringan

Server Jaringan Lora adalah antarmuka antara server Aplikasi dan Gateway. Ini menyampaikan perintah dari server Aplikasi ke gateway sambil mengirimkan data dari gateway ke server aplikasi. Ini melakukan fungsi termasuk memastikan tidak ada paket duplikat, Menjadwalkan ucapan terima kasih dan mengelola kecepatan data dan keluaran RF untuk setiap perangkat akhir secara individual menggunakan skema kecepatan data adaptif (ADR).

4.     Server Aplikasi

Server aplikasi menentukan untuk apa data dari perangkat akhir digunakan.

Visualisasi Data dll mungkin dilakukan di sini.

·       Keamanan dan Privasi LoRaWAN

Pentingnya keamanan dan privasi dalam solusi IoT apa pun tidak boleh terlalu ditekankan. Protokol LoRaWAN menentukan enkripsi untuk memastikan data Anda aman, secara konkret

• Kunci AES128 per perangkat

• Regenerasi instan / pencabutan kunci perangkat

• Enkripsi muatan per paket untuk privasi data

• Perlindungan terhadap serangan replay

• Perlindungan terhadap serangan man-in-the-middle

LoRa menggunakan dua kunci; Kunci Sesi Jaringan dan Sesi Aplikasi yang keduanya menyediakan komunikasi terenkripsi dan terpisah untuk manajemen jaringan dan komunikasi aplikasi.

Kunci sesi jaringan, yang dibagi antara perangkat dan jaringan bertanggung jawab untuk otentikasi data simpul akhir sedangkan kunci sesi aplikasi, dibagi antara aplikasi dan simpul akhir bertanggung jawab untuk menjamin privasi data perangkat.

Gambar 4. Security LoRaWAN

2.3.7 Perbedaan LoRa dan LoRaWAN

LoRa merupakan teknologi fundamental yang bertindak sebagai dasar untuk transmisi data yang efektif dan efisien, khususnya dalam aplikasi yang membutuhkan jangkauan luas seperti IoT. Sedangkan, LoRaWAN berperan sebagai protokol jaringan yang mengatur bagaimana perangkat LoRa berkomunikasi dengan server jaringan. Protokol ini menyediakan kerangka kerja untuk keamanan data dan pengelolaan trafik. Hal ini dengan memastikan bahwa pesan terkirim secara efisien dengan perlindungan enkripsi yang kuat.

Singkatnya. LoRa adalah sebuah teknologi dasar yang memungkinkan perangkat berkomunikasi jarak jauh dengan efisien. Sedangkan, LoRaWAN adalah sistem yang mengatur komunikasi tersebut agar tetap terorganisir dan aman ketika banyak perangkat terlibat. Ketika banyak perangkat terlibat, LoRaWAN memastikan semua berkomunikasi dengan lancar dan aman.