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 belirtimidir. 

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. Robustel tarafından geliştirilen R3000 LG serisi de, bu tür uygulamalarda LoRa Gateway olarak kullanılabilecek cihazlardan biridir. R3000 LG, marka bağımsız olarak 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.

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.
​
Buna karşın 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. 

Uç cihazlar aktarım denediğinde alınan paket sayısı
​(n = 3 kanal @ 125 kHz, kodlama oranı = 4/5)

Saat başına alınan 10 Byte'lık paket sayısı
(250, 500, 1000 ve 5000 nod ve n = 3 kanal için)
​

LoRa teknolojisinin sınırlarının ve özelliklerinin doğru bir şekilde anlaşılması gerekliliğini göz önünde bulundurduğumuzda dahi, LoRa haberleşme teknolojisinin önümüzdeki süreçte çok büyük bir potansiyele sahip olduğunu göz ardı etmememiz gerekir. Henüz gelişmekte olan bir teknoloji olmasına karşın özellikle Hollanda’da ışıklandırma, akıllı tarım, atık takibi ve sayaç okuma uygulamalarındaki başarıları bu potansiyelin en büyük kanıtları olmuştur. Son dönemde haberleşme donanımı üreticilerinin LoRa destekli ürün portföyünde görülen çeşitlilik artışı da, LoRa’nın kablosuz haberleşme teknolojilerinin yıldızı olduğunun göstergelerinden bir başkasıdır. 

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