LoRaWAN Protocol: Arsitektur & Implementasi

1. Pengenalan LoRaWAN

LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) adalah protokol komunikasi LPWAN (Low Power Wide Area Network) yang dirancang untuk menghubungkan perangkat IoT baterai rendah ke internet secara nirkabel pada jarak yang sangat jauh. LoRaWAN dibangun di atas teknologi modulasi LoRa yang dikembangkan oleh Semtech Corporation.

LoRaWAN beroperasi di frekuensi ISM (Industrial, Scientific, and Medical) yang tidak memerlukan lisensi, menjadikannya solusi yang sangat ekonomis untuk deployment IoT skala besar. Di Indonesia, frekuensi yang umum digunakan adalah 920-923 MHz sesuai regulasi dari KOMINFO.

Perbedaan LoRa dan LoRaWAN

Karakteristik Utama LoRaWAN

┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│               PERBANDINGAN TEKNOLOGI LPWAN                      │
│                                                                  │
│  Teknologi    │ Range     │ Data Rate │ Daya   │ Biaya          │
│  ─────────────┼───────────┼───────────┼────────┼──────────      │
│  LoRaWAN      │ 2-15 km   │ 0.3-50 kbps│ Rendah│ Rendah         │
│  NB-IoT       │ 1-10 km   │ 200 kbps  │ Sedang │ Sedang         │
│  Sigfox       │ 3-50 km   │ 0.1 kbps  │ Rendah│ Berlangganan   │
│  Zigbee       │ 100m      │ 250 kbps  │ Rendah│ Rendah         │
│  WiFi         │ 50m       │ Mbps      │ Tinggi │ Rendah         │
│  BLE          │ 30m       │ 1 Mbps    │ Rendah│ Rendah         │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘

2. Arsitektur Jaringan LoRaWAN

Arsitektur LoRaWAN menggunakan topologi star-of-stars yang terdiri dari empat komponen utama: End Devices, Gateway, Network Server, dan Application Server. Setiap komponen memiliki peran spesifik dalam rantai komunikasi data.

┌──────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                  ARSITEKTUR LoRaWAN                               │
│                                                                   │
│   ┌──────────┐  LoRa   ┌──────────┐  IP    ┌───────────────┐    │
│   │  End     │────────→│ Gateway  │───────→│ Network Server│    │
│   │ Device 1 │  Radio  │  (GW-1)  │  TCP/  │               │    │
│   └──────────┘         └──────────┘  MQTT  │  ┌─────────┐  │    │
│                                             │  │   ADR   │  │    │
│   ┌──────────┐  LoRa   ┌──────────┐  IP    │  │ Engine  │  │    │
│   │  End     │────────→│ Gateway  │───────→│  └─────────┘  │    │
│   │ Device 2 │  Radio  │  (GW-2)  │  TCP/  │               │    │
│   └──────────┘         └──────────┘  MQTT  └───────┬───────┘    │
│                                                     │             │
│   ┌──────────┐  LoRa   ┌──────────┐               │             │
│   │  End     │────────→│ Gateway  │               ▼             │
│   │ Device 3 │  Radio  │  (GW-3) │         ┌───────────────┐    │
│   └──────────┘         └──────────┘         │  Application  │    │
│                                              │    Server     │    │
│                                              │  (Dashboard,  │    │
│                                              │   Database)   │    │
│                                              └───────────────┘    │
└──────────────────────────────────────────────────────────────────┘

Komponen Utama Arsitektur

Alur Komunikasi Uplink

1. End Device mengirim data via radio LoRa pada channel tertentu
2. Satu atau lebih Gateway menerima sinyal LoRa
3. Gateway meneruskan paket ke Network Server via IP backhaul (Ethernet, WiFi, atau cellular)
4. Network Server melakukan deduplikasi (jika beberapa gateway menerima paket yang sama), verifikasi integritas, dan meneruskan ke Application Server
5. Application Server memproses data sesuai logika bisnis

Alur Komunikasi Downlink

1. Application Server mengirim perintah ke Network Server
2. Network Server memilih gateway terbaik dan menjadwalkan transmisi
3. Gateway mengirim data ke end device pada window penerimaan yang tepat
4. End Device menerima data dan mengeksekusi perintah

3. Gateway LoRaWAN

Gateway LoRaWAN berfungsi sebagai jembatan antara jaringan LoRa (radio) dan jaringan IP (internet). Gateway menerima paket LoRa dari end device dan meneruskannya ke network server menggunakan protokol berbasis IP.

Jenis Gateway

Setup Gateway dengan Raspberry Pi

Berikut adalah cara membuat LoRa gateway menggunakan Raspberry Pi dan module RAK2245:

# ============================================
# Setup LoRaWAN Gateway dengan Raspberry Pi
# Hardware: Raspberry Pi 4 + RAK2245 HAT
# ============================================

# 1. Update sistem Raspberry Pi
sudo apt update && sudo apt upgrade -y

# 2. Enable SPI interface
sudo raspi-config
# Pilih: Interface Options → SPI → Enable

# 3. Install dependencies
sudo apt install git cmake liblgpio-dev -y

# 4. Clone packet forwarder dari RAK
git clone https://github.com/RAKWireless/rak_common_for_gateway.git
cd rak_common_for_gateway

# 5. Install untuk RAK2245
sudo ./install.sh

# 6. Edit konfigurasi gateway
sudo nano /opt/ttn-gateway/packet_forwarder/lora_pkt_fwd/global_conf.json

# Konfigurasi umum:
{
    "gateway_conf": {
        "gateway_ID": "AABBCCDD11223344",
        "server_address": "eu1.cloud.thethings.network",
        "serv_port_up": 1700,
        "serv_port_down": 1700,
        "fake_gps": false,
        "ref_latitude": -6.2088,
        "ref_longitude": 106.8456,
        "ref_altitude": 10
    }
}

# 7. Jalankan packet forwarder
cd /opt/ttn-gateway/packet_forwarder/lora_pkt_fwd
sudo ./lora_pkt_fwd

# 8. Buat service agar otomatis start
sudo systemctl enable ttn-gateway
sudo systemctl start ttn-gateway

Gateway Placement Best Practices

• Tinggi antenna: Semakin tinggi, semakin jauh jangkauan. Idealnya di rooftop gedung tinggi
• Line of Sight: Hindari penghalang besar seperti gedung tinggi di antara gateway dan area target
• Koaksial kabel: Gunakan kabel berkualitas tinggi dengan loss minimal untuk mengurangi attenuasi
• Antenna gain: Gunakan antenna omni-directional 5-8 dBi untuk coverage area
• Grounding: Untuk outdoor, gunakan lightning arrester dan proper grounding

4. End Device / Node

End device (atau node) adalah perangkat ujung yang berisi sensor atau aktuator dan berkomunikasi dengan gateway melalui radio LoRa. End device umumnya memiliki konsumsi daya sangat rendah sehingga bisa bertahan bertahun-tahun dengan baterai.

Modul LoRa Populer

Contoh: End Device dengan ESP32 + LoRa

// ============================================
// LoRaWAN End Device - ESP32 + SX1276
// Library: MCCI LoRaWAN LMIC library
// ============================================

#include <lmic.h>
#include <hal/hal.h>
#include <SPI.h>

// LoRaWAN keys dari TTN (The Things Network)
static const u1_t PROGMEM APPEUI[8] = { 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00 };
static const u1_t PROGMEM DEVEUI[8] = { 0x01, 0x02, 0x03, 0x04, 0x05, 0x06, 0x07, 0x08 };
static const u1_t PROGMEM APPKEY[16] = { /* 16 bytes dari TTN console */ };

void os_getArtEui(u1_t* buf) { memcpy_P(buf, APPEUI, 8); }
void os_getDevEui(u1_t* buf) { memcpy_P(buf, DEVEUI, 8); }
void os_getDevKey(u1_t* buf) { memcpy_P(buf, APPKEY, 16); }

// Pin mapping untuk ESP32 + LoRa
const lmic_pinmap lmic_pins = {
    .nss = 5,
    .rxtx = LMIC_UNUSED_PIN,
    .rst = 14,
    .dio = {26, 33, 32},
};

void onEvent(ev_t ev) {
    switch(ev) {
        case EV_JOINED:
            Serial.println("Device joined network!");
            LMIC_setLinkCheckMode(0);
            break;
        case EV_TXCOMPLETE:
            Serial.println("Transmit complete");
            if (LMIC.txrxFlags & TXRX_ACK) {
                Serial.println("Received ACK");
            }
            if (LMIC.dataLen > 0) {
                Serial.printf("Received %d bytes\n", LMIC.dataLen);
            }
            break;
    }
}

void setup() {
    Serial.begin(115200);
    os_init();
    LMIC_reset();
    LMIC_startJoining();
}

void loop() {
    // Kirim data sensor setiap 60 detik
    static unsigned long lastSend = 0;
    if (millis() - lastSend > 60000) {
        // Baca sensor
        float temperature = readTemperature();
        float humidity = readHumidity();

        // Encode payload (2 bytes suhu + 2 bytes kelembaban)
        uint8_t payload[4];
        int16_t tempInt = (int16_t)(temperature * 100);
        uint16_t humInt = (uint16_t)(humidity * 100);
        payload[0] = tempInt >> 8;
        payload[1] = tempInt & 0xFF;
        payload[2] = humInt >> 8;
        payload[3] = humInt & 0xFF;

        // Kirim pada port 1
        LMIC_setTxData2(1, payload, sizeof(payload), 0);
        lastSend = millis();
    }
    os_runloop_once();
}

5. Kelas LoRaWAN: A, B, dan C

LoRaWAN mendefinisikan tiga kelas operasi yang berbeda untuk menyeimbangkan antara konsumsi daya dan latensi. Pemilihan kelas sangat bergantung pada kebutuhan aplikasi.

Class A — Bi-directional (Lowest Power)

Class A adalah kelas default dan paling hemat daya. Setelah mengirim data (uplink), device membuka dua window penerimaan singkat (RX1 dan RX2) untuk menerima downlink. Di luar window ini, device dalam mode sleep.

Class A - Bi-directional
═══════════════════════

  End Device                Gateway
     │                        │
     │  ── Uplink ────────→  │     ← Device mengirim data
     │                        │
     │  (RX1 Delay: 1 detik)  │
     │  ←── Downlink ───────  │     ← Window penerimaan #1
     │                        │
     │  (RX2 Delay: 2 detik)  │
     │  ←── Downlink ───────  │     ← Window penerimaan #2
     │                        │
     │  ══ SLEEP ═══════════  │     ← Device sleep sampai
     │  ══ (sangat hemat) ══  │        transmisi berikutnya
     │                        │
     │  ── Uplink ────────→  │     ← Siklus berulang
     │  ...                   │

  ✅ Konsumsi daya paling rendah
  ❌ Downlink hanya setelah uplink
  ❌ Latensi tinggi untuk downlink

Class B — Scheduled Receive Windows

Class B menambahkan beacon dan ping slots terjadwal sehingga device secara periodik membuka jendela penerimaan. Ini memungkinkan network server mengirim downlink kapan saja dalam slot yang dijadwalkan.

Class B - Scheduled Receive
══════════════════════════

  End Device                Gateway
     │                        │
     │  ←── Beacon ────────  │     ← Beacon periodik (setiap 128s)
     │                        │
     │  ── Uplink ────────→  │
     │                        │
     │  ←── Ping Slot 1 ──  │     ← Jendela penerimaan terjadwal
     │  ←── Ping Slot 2 ──  │
     │  ←── Ping Slot 3 ──  │
     │  ←── Ping Slot N ──  │
     │                        │
     │  (sleep di antara slot)│
     │                        │

  ✅ Downlink dapat dijadwalkan
  ✅ Latensi lebih rendah dari Class A
  ❌ Konsumsi daya lebih tinggi
  ❌ Membutuhkan sinkronisasi beacon

Class C — Always Listening

Class C adalah kelas dengan latensi terendah. Device selalu membuka jendela penerimaan kecuali saat mengirim data. Cocok untuk perangkat yang memiliki pasokan listrik terus-menerus.

Class C - Always Listening
══════════════════════════

  End Device                Gateway
     │                        │
     │  ══ RX WINDOW OPEN ══  │     ← Selalu mendengarkan
     │  ═════════════════════  │
     │  ←── Downlink ───────  │     ← Kapan saja gateway kirim
     │  ═════════════════════  │
     │  ── Uplink ────────→  │     ← Hanya saat perlu kirim
     │  ═════════════════════  │
     │  ←── Downlink ───────  │
     │  ═════════════════════  │

  ✅ Latensi sangat rendah
  ✅ Downlink kapan saja
  ❌ Konsumsi daya sangat tinggi
  ❌ Tidak cocok untuk baterai

Perbandingan Ketiga Kelas

6. Adaptive Data Rate (ADR)

Adaptive Data Rate (ADR) adalah mekanisme LoRaWAN yang secara otomatis mengoptimalkan data rate dan power output end device berdasarkan kualitas link antara device dan gateway. Tujuannya untuk memaksimalkan kapasitas jaringan dan menghemat daya.

Cara Kerja ADR

1. Pengumpulan Data: Network server menerima informasi RSSI (Received Signal Strength Indicator) dan SNR (Signal-to-Noise Ratio) dari setiap transmisi uplink
2. Evaluasi Link: Server menghitung apakah data rate bisa dioptimalkan — jika sinyal sangat kuat, data rate bisa dinaikkan atau power diturunkan
3. Perintah ADR: Server mengirim perintah ke end device melalui downlink untuk mengubah SF (Spreading Factor), bandwidth, atau TX power
4. Adaptasi: Device menerapkan parameter baru pada transmisi berikutnya

ADR - Adaptive Data Rate
════════════════════════

  Scenario: Device dekat gateway (sinyal kuat)
  ──────────────────────────────────────────────
  Awal:     SF12 (250 bps)  → BW 125kHz → TX Power 14 dBm
  ADR ON:   SF7  (5470 bps) → BW 125kHz → TX Power 2 dBm
  ──────────────────────────────────────────────
  Result:   22x lebih cepat! Daya hemat 12 dBm!

  Scenario: Device jauh dari gateway (sinyal lemah)
  ──────────────────────────────────────────────
  Awal:     SF7  (5470 bps) → Sering lost
  ADR ON:   SF12 (250 bps)  → BW 125kHz → TX Power 14 dBm
  ──────────────────────────────────────────────
  Result:  Jangkauan meningkat, reliability naik

  ┌─────────────────────────────────────────┐
  │ Spreading Factor │ Data Rate │ Range   │
  │ SF7              │ 5470 bps  │ Pendek  │
  │ SF8              │ 3125 bps  │ ↓       │
  │ SF9              │ 1760 bps  │ ↓       │
  │ SF10             │ 980 bps   │ ↓       │
  │ SF11             │ 440 bps   │ ↓       │
  │ SF12             │ 250 bps   │ Terjauh │
  └─────────────────────────────────────────┘

Kapan ADR Aktif vs Nonaktif?

7. Keamanan LoRaWAN

Keamanan adalah aspek kritis dalam LoRaWAN. Protokol ini menggunakan AES-128 bit encryption pada dua level untuk memastikan kerahasiaan dan integritas data dari end device hingga application server.

Dua Tingkat Enkripsi

LoRaWAN Security Layers
════════════════════════

  ┌─────────────────────────────────────────┐
  │           Application Payload            │ ← Data sensor
  │        (encrypted dengan AppSKey)        │ ← Kerahasiaan
  ├─────────────────────────────────────────┤
  │          LoRaWAN MAC Header              │ ← Metadata
  ├─────────────────────────────────────────┤
  │     MIC (Message Integrity Code)         │ ← Integritas
  │        (generated dengan NwkSKey)        │ ← Autentikasi
  ├─────────────────────────────────────────┤
  │          LoRa PHY Header                 │ ← Radio info
  └─────────────────────────────────────────┘

  OTAA Join Process:
  ┌──────────┐          ┌──────────┐
  │End Device│          │Network   │
  │          │──JoinReq─→│Server    │
  │          │          │          │
  │          │←JoinAccept│          │
  │          │          │          │
  │  Derive: NwkSKey, AppSKey      │
  └──────────┘          └──────────┘

OTAA vs ABP Activation

8. Implementasi LoRaWAN

Langkah-langkah Deployment LoRaWAN

1. Pilih Network Server

2. Register Device di TTN

# Langkah-langkah registrasi di The Things Network:

# 1. Buat akun di https://console.cloud.thethings.network
# 2. Buat Application baru
# 3. Generate DevEUI (atau gunakan dari hardware)
# 4. Register End Device:
#    - Frequency plan: AS923 (for Indonesia)
#    - LoRaWAN version: 1.0.3 (atau 1.1)
#    - Activation: OTAA
#    - Generate AppEUI dan AppKey
# 5. Copy keys ke firmware device

# TTN MQTT Configuration untuk menerima data:
# Broker: eu1.cloud.thethings.network
# Port: 1883 (MQTT) / 8883 (MQTTS)
# Username: your-app-name@ttn
# Password: NNSXS.XXXXXXXXXXX (API key dari TTN console)
# Topic: v3/your-app-name@ttn/devices/your-device-id/up

3. Integrasi dengan Application Server

// ============================================
// Node.js: Menerima data LoRaWAN dari TTN via MQTT
// ============================================

const mqtt = require('mqtt');

// Koneksi ke TTN MQTT broker
const client = mqtt.connect('mqtts://eu1.cloud.thethings.network:8883', {
    username: 'my-app@ttn',
    password: 'NNSXS.XXXXXXXXXXXXXXX'
});

client.on('connect', () => {
    console.log('Connected to TTN MQTT broker');

    // Subscribe ke uplink topic
    client.subscribe('v3/my-app@ttn/devices/+/up');
});

client.on('message', (topic, message) => {
    const data = JSON.parse(message.toString());
    const deviceId = data.end_device_ids.device_id;

    // Decode payload
    const rawPayload = Buffer.from(data.uplink_message.frm_payload, 'base64');

    // Parse sensor data (contoh: 2 byte suhu + 2 byte kelembaban)
    const temperature = rawPayload.readInt16BE(0) / 100;
    const humidity = rawPayload.readUInt16BE(2) / 100;

    console.log(`Device: ${deviceId}`);
    console.log(`Suhu: ${temperature}°C`);
    console.log(`Kelembaban: ${humidity}%`);
    console.log(`RSSI: ${data.uplink_message.rx_metadata[0].rssi} dBm`);
    console.log(`SNR: ${data.uplink_message.rx_metadata[0].snr} dB`);
    console.log('---');

    // Simpan ke database
    saveToDatabase({
        device: deviceId,
        temperature,
        humidity,
        timestamp: new Date(),
        rssi: data.uplink_message.rx_metadata[0].rssi,
        snr: data.uplink_message.rx_metadata[0].snr
    });
});

9. Troubleshooting Umum

10. Quiz: Uji Pemahamanmu!

Setelah membaca tutorial di atas, jawablah 5 pertanyaan berikut untuk menguji pemahamanmu tentang LoRaWAN Protocol: