Vad är LoRaWAN? IoT-anslutning med lång räckvidd | Com4

Till skillnad från mobilbaserade IoT-standarder som NB-IoT och LTE-M körs LoRaWAN inte på mobiloperatörernas nät. Det körs vanligtvis på olicensierat spektrum via gateways som det företag som implementerar lösningen äger eller delar, vilket är precis det som gör det till en kraftfull lösning i vissa tillämpningar och en verklig begränsning i andra. Den här guiden förklarar hur LoRaWAN:s nätverksarkitektur och radioteknik faktiskt fungerar, hur det tekniskt sett kan jämföras med mobilbaserat IoT och hur man avgör vilket alternativ som passar bäst för en given installation.

Viktiga punkter:

• LoRaWAN använder CSS-modulering (Chirp Spread Spectrum) för att byta datahastighet mot räckvidd och energieffektivitet, vilket gör att enheterna kan sända flera kilometer med ett litet batteri som kan hålla i flera år.
• Ett LoRaWAN-nätverk består av slutenheter, gateways, en nätverksserver, en anslutningsserver och en applikationsserver, där gateways vidarebefordrar rå radiotrafik istället för att bearbeta den lokalt.
• LoRaWAN definierar tre enhetsklasser, A, B och C, där varje klass avväger energieffektivitet mot hur snabbt en enhet kan ta emot nedlänksmeddelanden.
• I Europa fungerar LoRaWAN vanligtvis i EU:s 868 MHz-band med en gräns på 1 % för arbetscykeln, vilket begränsar hur ofta en enhet kan sända.
• Den centrala avvägningen jämfört med mobil-IoT är ägandet av infrastrukturen: LoRaWAN kräver att man installerar och underhåller egna gateways, medan NB-IoT och LTE-M körs på befintliga, operatörsstyrda mobilnät.
• Com4 tillhandahåller mobil IoT-anslutning via NB-IoT, LTE-M, 4G och 5G och hjälper företag att utvärdera om LoRaWAN, mobilnät eller en hybrid av båda faktiskt passar deras behov.

Vad står LoRaWAN egentligen för, och vilket problem löser det?

LoRaWAN står för Long Range Wide Area Network och är nätverksprotokollskiktet som bygger på LoRa (Long Range), den fysiska radiomoduleringstekniken som gett namn åt tekniken. Det problem som LoRaWAN utvecklades för att lösa är specifikt: att ansluta ett stort antal enkla, batteridrivna enheter som var och en endast behöver skicka små, sällsynta meddelanden, såsom en temperaturavläsning eller en statusuppdatering, över avstånd som ett typiskt kortdistansprotokoll som Wi-Fi eller Bluetooth inte kan nå. Det underhålls och standardiseras av LoRa Alliance, en branschorganisation som styr LoRaWAN-specifikationen och regionala frekvensplaner.

Hur fungerar egentligen LoRaWAN:s radioteknik?

LoRaWAN:s fysiska lager, LoRa, använder en moduleringsteknik som kallas Chirp Spread Spectrum (CSS). Istället för att sända på en fast, smal frekvens sprider CSS ut signalen över en bredare bandbredd med hjälp av chirps – signaler som sveper uppåt eller nedåt i frekvens över tid. Det är denna spridning som ger LoRa dess utmärkande avvägning: den offrar datagenomströmningen i utbyte mot förmågan att återvinna en mycket svag signal med lång räckvidd ur bakgrundsbruset, vilket är anledningen till att en enda LoRaWAN-gateway kan täcka flera kilometer i öppen terräng, långt utöver vad en typisk mobilcell eller Wi-Fi-åtkomstpunkt täcker.

En viktig parameter i denna avvägning är spridningsfaktorn, som kan ställas in på ett värde mellan 7 och 12. En högre spridningsfaktor utökar räckvidden och förbättrar tillförlitligheten, men minskar datahastigheten och ökar den tid som radion måste vara påslagen, vilket tömmer batteriet snabbare. LoRaWAN-nätverk hanterar detta automatiskt genom Adaptive Data Rate (ADR), en mekanism där nätverksservern justerar varje enhets spridningsfaktor och sändningseffekt individuellt, i syfte att använda den minsta effekt och sändningstid som krävs för en tillförlitlig anslutning, vilket direkt förlänger batteritiden i hela nätverket.

Hur ser egentligen en LoRaWAN-nätverksarkitektur ut?

En LoRaWAN-installation består av fem komponenter:

• Slutenheter. Sensorerna, spårarna eller mätarna som faktiskt samlar in och skickar data.
• Gateways. Fysiska radiomottagare som fångar upp LoRa-sändningar från alla slutenheter inom räckvidden och vidarebefordrar dem, obearbetade, till nätverksservern via en backhaul-anslutning som Ethernet, Wi-Fi eller ett mobilt SIM-kort.
• Nätverksserver. Det centrala systemet som avduplicerar meddelanden som tas emot av flera gateways, hanterar enhetssessioner, kör ADR-algoritmen och schemalägger nedlänkstrafik.
• Anslutningsserver. Hanterar enhetsautentisering och nyckelhantering när en slutenhet ansluter sig till nätverket, vanligtvis med hjälp av Over-The-Air Activation (OTAA), den rekommenderade och säkrare metoden, snarare än den äldre metoden Activation By Personalization (ABP).
• Applikationsserver. Dit dechrypterade applikationsdata slutligen hamnar, redo för den affärslogik och de instrumentpaneler som faktiskt använder dem.

Den viktiga arkitektoniska detaljen här är att gateways i LoRaWAN varken bearbetar eller fattar beslut om de data de tar emot; de vidarebefordrar helt enkelt råa radiopaket uppströms. Detta skiljer sig från mobilbasstationer, som hanterar autentisering och trafikstyrning lokalt vid masten. Det är också anledningen till att täckningsplaneringen för LoRaWAN helt och hållet är det implementerande företagets ansvar: varje gateway måste köpas in, installeras och underhållas, utan någon motsvarighet till en operatörs befintliga nationella radionätverk som sköter det arbetet automatiskt.

Vilka är LoRaWAN:s enhetsklasser, och varför är de viktiga?

LoRaWAN definierar tre enhetsklasser, som var och en representerar en olika avvägning mellan energieffektivitet och responsivitet vid nedlänk:

Varje LoRaWAN-enhet stöder klass A som standard, eftersom det är specifikationens lägsta nivå för energieffektivitet. Klass B och klass C ger bättre respons på bekostnad av batteritiden, vilket är anledningen till att de flesta storskaliga, batteridrivna sensorinstallationer som standard använder klass A, såvida inte ett specifikt användningsfall verkligen kräver snabbare nedlänk.

Vilket frekvensband använder LoRaWAN i Europa, och vilka begränsningar gäller?

I Europa, inklusive Norge och den övriga nordiska regionen, fungerar LoRaWAN i EU:s 868 MHz-band och använder olicensierat ISM-spektrum kring kanalerna 868,1, 868,3 och 868,5 MHz. Eftersom detta spektrum är olicensierat och delas med andra ställer europeiska bestämmelser krav på en begränsning av arbetscykeln, vanligtvis 1 % i de primära EU 868-kanalerna, vilket innebär att en enhet endast kan sända under en liten del av ett givet tidsfönster. Denna begränsning är en avsiktlig konstruktionsbegränsning för att förhindra att ett enskilt nätverk monopoliserar det delade spektrumet, och den förstärker LoRaWAN:s kärnpositionering: sällsynta, små meddelanden, inte kontinuerlig eller högfrekvent dataöverföring.

LoRaWAN jämfört med mobilbaserad IoT (NB-IoT, LTE-M): vad är egentligen skillnaden?

Den avgörande skillnaden i arkitekturen är ägandet av infrastrukturen. NB-IoT och LTE-M utnyttjar nätoperatörernas befintliga mobilinfrastruktur, vilket innebär att ett företag får fungerande, rikstäckande täckning så fort ett SIM-kort aktiveras. LoRaWAN innebär i allmänhet att man installerar egna gateways eller tecknar abonnemang på ett gemensamt regionalt nätverk där ett sådant finns, vilket ger större kontroll över nätverket och kan bli billigare i stor skala på en enda, fast anläggning, men lägger hela ansvaret för täckningsplanering, underhåll av gateways och backhaul-anslutning på det företag som sköter driften.

När är LoRaWAN ett lämpligt val?

LoRaWAN är oftast det rätta valet när flera av följande förutsättningar gäller samtidigt:

• Du kontrollerar installationsplatsen, till exempel ett fabriksområde, en gård, en hamn eller en byggnad, och kan installera och underhålla dina egna gateways.
• Enheterna är många, kostnadseffektiva och skickar mycket små, sällsynta datamängder, såsom mätningar av markfuktighet, tillgångsmärken eller data från miljöövervakning.
• Lång batteritid, mätt i år snarare än månader, är ett absolut krav.
• Enheterna behöver inte röra sig utanför ett fast, känt täckningsområde.
• Kostnaden för att installera gateways motiveras av antalet enheter som de kommer att betjäna under anläggningens livslängd.

När är mobil-IoT det bättre valet?

Om enheterna behöver fungera överallt där det finns mobiltäckning, utan att företaget behöver installera och underhålla sin egen radioinfrastruktur, är mobil-IoT i allmänhet det bästa alternativet. Detta gäller särskilt mobila tillgångar som rör sig mellan och utanför fasta anläggningar, distribuerade installationer spridda över många separata platser där det vore opraktiskt att installera gateways överallt, samt alla installationer där rikstäckande eller gränsöverskridande täckning är viktigare än de marginella kostnadsbesparingar som LoRaWAN kan erbjuda på en enskild anläggning med hög täthet.

Kan LoRaWAN och mobil-IoT fungera tillsammans?

Ja, och för många företag är det rätta svaret inte LoRaWAN eller mobilnätet, utan en kombination av båda. Ett vanligt hybridmönster använder LoRaWAN för tät, kostnadseffektiv sensortäckning inom en fast anläggning och kopplar sedan själva gatewayen till internet via ett mobil-SIM-kort istället för fastnätsinfrastruktur, vilket kombinerar LoRaWAN:s låga kostnad per enhet med mobilnätets allestädes närvarande, infrastrukturfria anslutning på gateway-nivå. Com4:s guide till att skala upp IoT bortom LoRaWAN med mobil- och hybriduppkoppling behandlar denna hybridlösning mer ingående.