Šta je Meshtastic i LoRa

Uvod

U svijetu bežične komunikacije sve se češće susreću pojmovi LoRa i Meshtastic. Iako se često spominju zajedno, oni označavaju različite stvari: LoRa je fizička tehnologija modulacije, a Meshtastic je projekat koji tu tehnologiju koristi za izgradnju mesh mreže. Razumijevanje ove razlike ključno je za pravilno planiranje i upotrebu.

LoRa – tehnologija modulacije

LoRa (Long Range) je bežična tehnologija koja omogućava komunikaciju na velikim udaljenostima uz malu potrošnju energije. Razvila ju je kompanija Semtech, a koristi se prvenstveno u IoT (Internet of Things) aplikacijama. LoRa uređaji povezuju senzore i omogućavaju razmjenu podataka u realnom vremenu.

Na fizičkom nivou, LoRa koristi modulacijsku tehniku zvanu Chirp Spread Spectrum (CSS). „Chirp“ je signal koji mijenja frekvenciju tokom vremena, bilo uzlazno (up-chirp) ili silazno (down-chirp) unutar konfigurisane širine opsega. Svaki LoRa simbol se kodira kao chirp pomjeren u frekvenciji, a broj mogućih vrijednosti simbola zavisi od spreading factora (SF). Na primjer, SF7 daje 128 mogućih simbola, dok SF12 daje 4096. Veći spreading factor povećava domet i pouzdanost, ali smanjuje brzinu prenosa podataka.

LoRa se često povezuje sa LoRaWAN standardom, koji je otvorena specifikacija za širokopojasno umrežavanje male snage (LPWAN) i koristi nelicencirani radio spektar u ISM opsezima. LoRaWAN standardom upravlja LoRa Alliance, a priznat je od strane ITU kao LPWAN standard. Međutim, LoRa kao modulacija može se koristiti i izvan LoRaWAN-a, kao što to čini Meshtastic.

Meshtastic – projekat mesh mreže

Meshtastic je projekat otvorenog koda koji omogućava upotrebu jeftinih LoRa radio-uređaja kao platforme za komunikaciju van mreže (off-grid) u područjima bez postojeće ili pouzdane komunikacione infrastrukture. Projekat je 100% vođen od strane zajednice.

Meshtastic uređaji se koriste za slanje i primanje tekstualnih poruka, dijeljenje GPS lokacije (opciono), a mogu se povezati sa pametnim telefonom putem Bluetootha, Wi-Fi/Ethernet ili serijske veze. Ključna karakteristika je da nije potrebna ćelijska mreža za lokalnu komunikaciju – uređaji formiraju mesh mrežu tako što međusobno prosljeđuju primljene poruke.

Kako funkcioniše mesh

Kada pošaljete poruku putem Meshtastic aplikacije na telefonu, ona se prenosi do radio-uređaja putem Bluetootha, Wi-Fi/Ethernet ili serijske veze. Radio zatim emituje poruku. Ako ne primi potvrdu od drugog uređaja u određenom vremenskom periodu, pokušaće ponovo da je pošalje, do tri puta.

Kada drugi radio primi paket, provjerava da li je taj paket već vidio. Ako jeste, ignoriše ga. Ako nije, ponovo ga emituje. Svaki uređaj koji prosljeđuje paket smanjuje „hop limit“ za jedan. Kada hop limit dođe do nule, paket se više ne prosljeđuje. Na taj način se kontroliše širenje poruka kroz mrežu.

Radio takođe čuva malu količinu paketa (oko 30) u memoriji za slučaj da nije povezan sa klijentskom aplikacijom. Ako se memorija napuni, najstariji paketi se zamjenjuju novim tekstualnim porukama.

Šta je mesh na radio nivou

Na radio nivou, Meshtastic mesh je skup čvorova (node) koji dijele isti spreading factor, centralnu frekvenciju i širinu opsega (bandwidth). Čvor može biti samo u jednoj radio-mreži; neće vidjeti niti odgovarati na poruke čvorova koji koriste drugačije vrijednosti ovih parametara. Da bi se mreža formirala, čvorovi moraju dijeliti iste vrijednosti.

Ove vrijednosti su grupisane u „presete“ koji se lako biraju u LoRa konfiguraciji. Preseti olakšavaju podešavanje istih radio-parametara na više čvorova.

Iznad radio-mreže nalaze se kanali. Logička mreža se formira kanalom sa određenim imenom i ključem za enkripciju. Podrazumijevani kanal je Channel 0 sa praznim imenom i ključem AQ==. Čvorovi mogu pripadati najviše 8 kanala. Samo čvorovi sa istim imenom kanala i ključem mogu čitati i prikazivati poruke na tom kanalu. Međutim, svi čvorovi u radio-mreži primaju i mogu prosljeđivati poruke, bez obzira na postavke kanala.

Struktura paketa

Meshtastic paket se sastoji od nekoliko dijelova. Na fizičkom nivou, LoRa paket sadrži preambulu (16 up-chirpova za sinhronizaciju), sync word (0x2B za Meshtastic), LoRa header, payload i CRC. Payload sadrži Meshtastic routing header i enkriptovani aplikacijski dio.

Meshtastic dio uključuje:

• To – 4 bajta, odredišni čvor ili broadcast adresa 4294967295
• From – 4 bajta, ID pošiljaoca
• Packet ID – 4 bajta, jedinstveni identifikator za detekciju duplikata
• Packet Flags – 1 bajt, uključuje hop limit (3 bita), Want Ack (1 bit), Via MQTT (1 bit), Hop Start (3 bita)
• Channel Hash – 1 bajt, označava kojem kanalu paket pripada
• Next Hop – 1 bajt, koristi se tokom rutiranja
• Relay Node – 1 bajt, posljednji čvor koji je proslijedio paket
• Payload (enkriptovani) – do 239 bajtova, sadrži Portnum, Want Response, Reply ID, Emoji Flag i aplikacijske podatke (tekst, GPS pozicija, telemetrija, itd.)

Prije prenosa, Meshtastic payload se enkriptuje zajedničkim ključem kanala. Samo čvorovi sa istim imenom kanala i ključem mogu dešifrovati i interpretirati sadržaj.

Prijem paketa

Kada čvor primi paket, radi sljedeće:

1. Provjerava da li je već vidio taj Packet ID
2. Dešifruje payload (ako ima odgovarajući ključ kanala)
3. Dostavlja dekodiranu poruku povezanoj klijentskoj aplikaciji
4. Ponovo emituje paket ako hop limit dozvoljava i konfiguracija čvora to dopušta

Ključne razlike između LoRa i Meshtastic

Praktični aspekti

Domet i pokrivenost

LoRa i Meshtastic omogućavaju komunikaciju na velikim udaljenostima, ali stvarni domet zavisi od mnogih faktora: konfiguracije spreading factora, širine opsega, snage predajnika, antene, terena i prisustva prepreka. Ne postoje garantovane udaljenosti – svaka tvrdnja o konkretnom dometu mora se uzeti sa rezervom. U praksi, domet može varirati od nekoliko stotina metara u urbanim sredinama do više kilometara u otvorenim područjima, ali to su samo okvirne vrijednosti.

Potrošnja energije

LoRa je dizajnirana za malu potrošnju energije, što omogućava dugotrajan rad na baterije. Meshtastic uređaji takođe imaju dobro trajanje baterije, što ih čini pogodnim za prenosive i terenske aplikacije.

Regulatorni aspekti

LoRa radi u nelicenciranim ISM opsezima, ali to ne znači da nema pravila. Svaka zemlja ima svoje regulatorno tijelo koje propisuje uslove korištenja radio-spektra: dozvoljene frekvencije, maksimalnu snagu, duty cycle i druge parametre. Meshtastic dokumentacija navodi da su LoRa radio-uređaji široko dostupni u većini regija bez potrebe za dodatnim licencama ili certifikatima, za razliku od ham radio operacija. Ipak, korisnici su odgovorni da se pridržavaju lokalnih propisa. Ne postoje univerzalni limiti – oni se razlikuju od zemlje do zemlje.

Nezavisnost od ćelijske mreže

Jedna od glavnih prednosti Meshtastic mreže je što ne zahtijeva ćelijsku mrežu, Wi-Fi ili drugu tradicionalnu infrastrukturu za lokalnu komunikaciju. To je čini pogodnom za udaljena područja, planinarenje, kampovanje ili situacije kada je infrastruktura nedostupna. Međutim, to ne znači da je Meshtastic zamjena za hitne službe – to je alat za komunikaciju unutar grupe ili zajednice.

Ograničenja

Meshtastic mreža ima ograničenja u propusnom opsegu – pogodna je za kratke tekstualne poruke, ne za prijenos velikih datoteka ili glasovnu komunikaciju. Takođe, svaki uređaj može podržavati vezu samo sa jednim korisnikom u jednom trenutku. Broj čvorova u mreži i njihova konfiguracija utiču na performanse.

Zaključak

LoRa i Meshtastic su komplementarni, ali različiti. LoRa je temeljna tehnologija koja omogućava bežičnu komunikaciju na daljinu uz malu potrošnju energije. Meshtastic je projekat koji tu tehnologiju koristi za izgradnju decentralizovane mesh mreže za tekstualnu komunikaciju i dijeljenje lokacije. Razumijevanje ove razlike pomaže korisnicima da pravilno postave očekivanja i efikasno koriste oba sistema.