Mikä on LoRaWAN? Pitkän kantaman IoT-yhteydet selitettynä

Toisin kuin matkapuhelinverkkoihin perustuvat IoT-standardit, kuten NB-IoT ja LTE-M, LoRaWAN ei toimi matkapuhelinoperaattoreiden verkoissa. Se toimii tyypillisesti lisensoimattomalla taajuusalueella yrityksen omistamien tai yhteiskäytössä olevien yhdyskäytävien kautta, mikä juuri tekee siitä tehokkaan ratkaisun tietyissä käyttöönotoissa ja todellisen rajoitteen toisissa. Tässä oppaassa selitetään, miten LoRaWANin verkkoarkkitehtuuri ja radioteknologia todellisuudessa toimivat, miten se vertautuu teknisesti matkapuhelinverkkoihin perustuvaan IoT:hen ja miten valita sopiva ratkaisu tiettyyn käyttöönottoon.

Tärkeimmät johtopäätökset:

• LoRaWAN käyttää CSS-modulaatiota (Chirp Spread Spectrum) vaihtaakseen datanopeuden kantaman ja energiatehokkuuden hyväksi, jolloin laitteet voivat lähettää signaalia useiden kilometrien päähän pienellä akulla, joka kestää vuosia.
• LoRaWAN-verkko koostuu päätelaitteista, yhdyskäytävistä, verkkopalvelimesta, liittymispalvelimesta ja sovelluspalvelimesta, ja yhdyskäytävät välittävät raakaa radioliikennettä sen sijaan, että käsittelisivät sitä paikallisesti.
• LoRaWAN määrittelee kolme laiteluokkaa, A, B ja C, joista jokaisessa energiatehokkuus on tasapainotettu laitteen kykyyn vastaanottaa alasuuntaisia viestejä.
• Euroopassa LoRaWAN toimii tyypillisesti EU:n 868 MHz:n taajuusalueella 1 %:n käyttöjaksorajan puitteissa, mikä rajoittaa sitä, kuinka usein laite voi lähettää signaalia.
• Keskeinen kompromissi matkapuhelinverkkopohjaisen IoT:n kanssa liittyy infrastruktuurin omistajuuteen: LoRaWAN edellyttää omien yhdyskäytävien käyttöönottoa ja ylläpitoa, kun taas NB-IoT ja LTE-M toimivat olemassa olevissa, operaattorien hallinnoimissa matkapuhelinverkoissa.
• Com4 tarjoaa matkapuhelinpohjaista IoT-yhteyttä NB-IoT-, LTE-M-, 4G- ja 5G-verkkojen kautta ja auttaa yrityksiä arvioimaan, sopiiko LoRaWAN, matkapuhelinverkko vai näiden yhdistelmä parhaiten niiden käyttöönottoon.

Mitä LoRaWAN oikeastaan tarkoittaa ja minkä ongelman se ratkaisee?

LoRaWAN on lyhenne sanoista Long Range Wide Area Network, ja se on verkkoprotokollakerros, joka on rakennettu LoRa-tekniikan (Long Range) päälle – tämän fyysisen radiomodulointiteknologian mukaan, josta se on saanut nimensä. Ongelma, jonka ratkaisemiseksi LoRaWAN kehitettiin, on hyvin erityinen: se on suurten määrien yksinkertaisten, paristokäyttöisten laitteiden yhdistäminen verkkoon, kun kukin laite tarvitsee lähettää vain pieniä, harvoin toistuvia viestejä, kuten lämpötilalukemia tai tilapingejä, etäisyyksille, joihin tyypilliset lyhyen kantaman protokollat, kuten Wi-Fi tai Bluetooth, eivät ylety. Sitä ylläpitää ja standardoi LoRa Alliance, alan toimijaryhmä, joka hallinnoi LoRaWAN-spesifikaatiota ja alueellisia taajuussuunnitelmia.

Miten LoRaWANin radioteknologia itse asiassa toimii?

LoRaWANin fyysinen kerros, LoRa, käyttää modulaatiotekniikkaa, jota kutsutaan nimellä Chirp Spread Spectrum (CSS). Sen sijaan, että signaali lähetettäisiin kiinteällä, kapealla taajuudella, CSS levittää signaalin laajemmalle kaistalle käyttämällä chirp-signaaleja, joiden taajuus nousee tai laskee ajan myötä. Juuri tämä levitys antaa LoRalle sen määrittelevän kompromissin: se uhraa datan läpimenon vastineeksi kyvystä erottaa erittäin heikko, pitkän kantaman signaali taustakohinasta, minkä vuoksi yksittäinen LoRaWAN-yhdyskäytävä voi kattaa useita kilometrejä avoimessa maastossa, selvästi pidemmälle kuin tyypillinen matkapuhelinsolu tai Wi-Fi-tukiasema.

Keskeinen parametri tässä kompromississa on hajontakerroin, joka voidaan asettaa välille 7–12. Suurempi hajontakerroin pidentää kantamaa ja parantaa luotettavuutta, mutta pienentää datanopeutta ja pidentää radion käyntiaikaa, mikä kuluttaa akkua nopeammin. LoRaWAN-verkot hallitsevat tätä automaattisesti Adaptive Data Rate (ADR) -tekniikan avulla. Kyseessä on mekanismi, jossa verkkopalvelin säätää kunkin laitteen hajautuskerrointa ja lähetystehoa erikseen tavoitteenaan käyttää luotettavaan yhteyteen tarvittavaa vähimmäistehoa ja lähetysaikaa, mikä pidentää suoraan akun käyttöikää koko käyttöönoton ajan.

Miltä LoRaWAN-verkkoarkkitehtuuri oikeastaan näyttää?

LoRaWAN-asennus koostuu viidestä komponentista:

• Loppulaitteet. Anturit, seurantalaitteet tai mittarit, jotka keräävät ja lähettävät dataa.
• Yhdyskäytävät. Fyysiset radiovastaanottimet, jotka poimivat LoRa-lähetykset mistä tahansa kantaman sisällä olevasta päätelaitteesta ja välittävät ne käsittelemättöminä verkkopalvelimelle backhaul-yhteyden, kuten Ethernetin, Wi-Fi:n tai matkapuhelinverkon SIM-kortin, kautta.
• Verkkopalvelin. Keskusjärjestelmä, joka poistaa useiden yhdyskäytävien vastaanottamien viestien päällekkäisyydet, hallinnoi laitteiden istuntoja, suorittaa ADR-algoritmia ja aikatauluttaa alaspäin suuntautuvaa liikennettä.
• Liittymispalvelin. Käsittelee laitteiden todennuksen ja avainhallinnan, kun päätelaite liittyy verkkoon, tyypillisesti käyttäen Over-The-Air Activation (OTAA) -menetelmää, joka on suositeltu ja turvallisempi menetelmä vanhemman Activation By Personalization (ABP) -lähestymistavan sijaan.
• Sovelluspalvelin. Paikka, johon salaus puretut sovellustiedot lopulta päätyvät, valmiina liiketoimintalogiikalle ja hallintapaneeleille, jotka niitä tosiasiallisesti käyttävät.

Tärkeä arkkitehtoninen yksityiskohta tässä on se, että LoRaWAN-yhdyskäytävät eivät käsittele vastaanottamiaan tietoja eivätkä tee niitä koskevia päätöksiä; ne vain välittävät raakareittipaketit ylävirtaan. Tämä eroaa matkapuhelinverkon tukiasemista, jotka hoitavat todennuksen ja liikenteen hallinnan paikallisesti tukiasemalla. Siksi myös LoRaWAN-peiton suunnittelu on kokonaan verkkoa käyttöönottavan yrityksen vastuulla: jokainen yhdyskäytävä on hankittava, asennettava ja ylläpidettävä, eikä verkossa ole operaattorin olemassa olevan kansallisen radioverkon kaltaista järjestelmää, joka hoitaisi tämän työn automaattisesti.

Mitkä ovat LoRaWANin laiteluokat, ja miksi ne ovat tärkeitä?

LoRaWAN määrittelee kolme laiteluokkaa, joista kukin edustaa erilaista kompromissia energiatehokkuuden ja alaspäin suuntautuvan yhteyden reagointikyvyn välillä:

Jokainen LoRaWAN-laite tukee luokkaa A perustasona, koska se on spesifikaation energiatehokkuuden alaraja. Luokat B ja C parantavat reagointikykyä, mutta lyhentävät samalla akunkestoa, minkä vuoksi useimmissa laajamittaisissa, akkukäyttöisissä anturijärjestelmissä käytetään oletuksena luokkaa A, ellei jokin erityinen käyttötapaus todella vaadi nopeampaa latausyhteyttä.

Mitä taajuuskaistaa LoRaWAN käyttää Euroopassa, ja mitä rajoituksia siihen sovelletaan?

Euroopassa, mukaan lukien Norja ja laajemmin Pohjoismaat, LoRaWAN toimii EU868 MHz -taajuusalueella käyttäen lisensoimatonta ISM-taajuusaluetta kanavien 868,1, 868,3 ja 868,5 MHz ympärillä. Koska tämä taajuusalue on lisensoimaton ja jaettu, eurooppalaisissa säännöksissä asetetaan käyttöjaksoraja, tyypillisesti 1 % EU:n 868 MHz:n pääkanavilla, mikä tarkoittaa, että laite voi lähettää vain pienen osan mistä tahansa aikavälistä. Tämä raja on tarkoituksellinen suunnittelurajoitus, jolla estetään yksittäistä verkkoa monopolisoimasta jaettua taajuusaluetta, ja se vahvistaa LoRaWANin ydinperusta: harvoin lähetettävät, pienet viestit, ei jatkuvaa tai tiheää dataliikennettä.

LoRaWAN vs. matkapuhelinpohjainen IoT (NB-IoT, LTE-M): mitä eroja niissä oikeastaan on?

Ratkaiseva ero arkkitehtuurissa on infrastruktuurin omistajuus. NB-IoT ja LTE-M hyödyntävät verkko-operaattoreiden olemassa olevaa matkapuhelininfrastruktuuria, joten yritys saa toimivan, valtakunnallisen kattavuuden heti, kun SIM-kortti aktivoidaan. LoRaWAN tarkoittaa yleensä omien yhdyskäytävien käyttöönottoa tai liittymistä jaettuun alueelliseen verkkoon, jos sellainen on olemassa. Tämä antaa enemmän hallintaa verkosta ja voi olla edullisempaa laajamittaisesti yhdellä kiinteällä kohteella, mutta siirtää koko kattavuussuunnittelun, yhdyskäytävien ylläpidon ja runkoverkkoyhteyksien vastuun käyttöönoton toteuttavalle yritykselle.

Milloin LoRaWAN on järkevä valinta?

LoRaWAN on yleensä oikea valinta, kun useat seuraavista ehdoista täyttyvät samanaikaisesti:

• Hallitset käyttöönottopaikkaa, kuten tehdasalueen, maatilan, sataman tai rakennuksen, ja voit asentaa ja ylläpitää omia yhdyskäytäviäsi.
• Laitteita on paljon, ne ovat edullisia ja lähettävät hyvin pieniä, harvoin toistuvia tietoja, kuten maaperän kosteuslukemia, omaisuustunnisteita tai ympäristön seurantatietoja.
• Pitkä akunkesto, jota mitataan vuosina eikä kuukausina, on ehdoton vaatimus.
• Laitteiden ei tarvitse liikkua kiinteän, tunnetun peittoalueen ulkopuolelle.
• Yhdyskäytävien käyttöönoton kustannukset ovat perusteltuja niiden laitteiden määrän perusteella, joita ne palvelevat alueen elinkaaren aikana.

Milloin matkapuhelinverkkoon perustuva IoT on parempi valinta?

Jos laitteiden on toimittava kaikkialla, missä on matkapuhelinverkko, ilman että yrityksen tarvitsee ottaa käyttöön ja ylläpitää omaa radioinfrastruktuuria, matkapuhelinverkkoon perustuva IoT on yleensä parempi vaihtoehto. Tämä pätee selvästi liikkuviin kohteisiin, jotka liikkuvat kiinteiden kohteiden välillä ja niiden ulkopuolelle, hajautettuihin käyttöönottoihin, jotka ovat levinneet moniin erillisiin sijainteihin, joissa yhdyskäytävien asentaminen kaikkialle olisi epäkäytännöllistä, sekä kaikkiin käyttöönottoihin, joissa valtakunnallinen tai rajat ylittävä peittoalue on tärkeämpää kuin ne marginaaliset kustannussäästöt, joita LoRaWAN voi tarjota yhdellä, tiheästi asennetulla kohteella.

Voivatko LoRaWAN ja matkapohjainen IoT toimia yhdessä?

Kyllä, ja monille yrityksille oikea ratkaisu ei ole LoRaWAN tai matkapuhelinverkko, vaan näiden yhdistelmä. Yleisessä hybridimallissa LoRaWANia käytetään tiheään ja edulliseen anturikattavuuteen kiinteän kohteen sisällä, ja yhdyskäytävä yhdistetään internetiin matkapuhelinverkon SIM-kortin kautta kiinteän verkon sijaan. Näin yhdistetään LoRaWANin alhaiset laitteekohtaiset kustannukset matkapuhelinverkon kaikkialla saatavilla olevaan, infrastruktuurittomaan yhteyteen yhdyskäytävätasolla. Com4:n opas IoT:n laajentamisesta LoRaWANin ulkopuolelle matkapuhelin- ja hybridiyhteyksien avulla käsittelee tätä hybridi-lähestymistapaa syvällisemmin.