Har du redan hört talas om LoRaWAN, men begrepp som gateway, uplink, downlink eller Spreading Factor känns fortfarande lite oklara? Oroa dig inte: man behöver inte vara expert på radio för att förstå hur ett LoRaWAN-nätverk fungerar.
Tänk dig helt enkelt en temperaturgivare som är installerad i ett teknikrum eller ett mötesrum. Denna givare måste regelbundet skicka sina mätvärden till ett övervakningssystem, utan kommunikationskabel och utan att batteriet behöver bytas var sjätte månad. Det är precis den typ av behov som LoRaWAN-protokollet tillgodoser.
I den här artikeln ska vi steg för steg gå igenom följande:
- Vad är LoRaWAN?
- hur data flödar
- Vad används LoRaWAN-sensorer, gateways och servern till?
- vad upplänk och nedlänk betyder
- Hur fungerar klasserna A, B och C?
- Hur LoRaWAN hanterar räckvidd, batteritid och säkerhet
- Hur man väljer mellan ett privat LoRaWAN-nätverk och ett operatörsdrivet nätverk.
När du har läst klart den här artikeln kommer du att förstå grunderna i LoRaWAN och vilken roll varje del av nätverket spelar.
Vad är LoRaWAN?
Om
LoRaWAN är ett radiokommunikationsprotokoll som är utformat för uppkopplade enheter. Det tillhör familjen av LPWAN-nätverk, vilket står för Low Power Wide Area Network. På svenska betyder detta ett nätverk med stor räckvidd och låg energiförbrukning.
LoRaWAN-protokollet är särskilt lämpligt för utrustning som måste:
- fungera i flera år på batteri
- skicka sina data utan kablar
- täcka en lång sträcka
- att passera flera väggar eller våningar
- skicka korta meddelanden med jämna mellanrum.
I en byggnad kan en LoRaWAN-sensor till exempel mäta:
- en temperatur
- en luftfuktighet
- en CO₂-koncentration
- förbrukning av vatten, gas eller el
- att öppna en dörr eller ett fönster
- utrustningens skick
- ett vattenläckage
- ventilens läge.
LoRaWAN används därför i stor utsträckning inom områdena smarta byggnader, fastighetsautomation, industri, jordbruk, logistik och uppkopplade städer.
Vad är LoRaWAN inte avsett för?
LoRaWAN är utformat för att överföra små mängder information: en temperatur, ett tillstånd, ett index eller ett larm. Det är inte lämpligt för att skicka:
- en video
- ett kontinuerligt ljud
- stora filer
- hundratals mätningar per sekund.
En sensor som skickar en temperaturmätning var tionde minut passar perfekt för LoRaWAN. En kamera som sänder livevideo gör det däremot inte.
Vad är skillnaden mellan LoRa och LoRaWAN?
Begreppen LoRa och LoRaWAN används ofta som om de skulle beteckna samma sak. De avser dock två olika begrepp.
LoRa: radiosignalen
LoRa avser den moduleringsteknik som används för att överföra ett meddelande via radio. Det är ”radio”-delen av kommunikationen. Den gör det bland annat möjligt att uppnå god räckvidd med låg energiförbrukning.
LoRaWAN: nätverksreglerna
LoRaWAN är det protokoll som styr kommunikationen. Det definierar bland annat:
- hur ett objekt ansluts till nätverket
- när han kan skicka ett meddelande
- när han kan ta emot en beställning
- Hur säkerställs utbytet?
- hur nätverket hanterar de olika objekten.
Man kan använda en enkel jämförelse: LoRa är den väg som meddelandet tar. LoRaWAN motsvarar trafikreglerna, vägskyltarna och trafikreglerna. De två kompletterar varandra. LoRa överför signalen, medan LoRaWAN organiserar nätverket.
Hur fungerar ett LoRaWAN-nätverk?
Ett LoRaWAN-nätverk kan verka komplicerat när man tittar på ett tekniskt diagram. Arkitekturen bygger dock på fyra element som är lätta att urskilja:
- sensorn eller den uppkopplade enheten
- LoRaWAN-gatewayen
- LoRa-nätverksservern
- branschapplikationen eller fastighetsstyrningssystemet
1. LoRaWAN-sensorn mäter och sänder
Sensorn är utgångspunkten för data. Den mäter till exempel en temperatur på 21,4 °C och omvandlar sedan detta mätvärde till ett kort digitalt meddelande. Därefter sänder den detta meddelande via radio.
2. LoRaWAN-gatewayen tar emot meddelandet
LoRaWAN-gatewayen, även kallad LoRaWAN-relä, lyssnar på meddelanden som skickas av sensorerna inom dess täckningsområde. Den tar emot radioframarna och vidarebefordrar dem till servern som hanterar nätverket. Gatewayen fungerar alltså som ett relä. Den avgör inte själv vad data betyder.
3. LNS organiserar nätverket
LoRa Network Server, ofta förkortat till LNS, är hjärnan i LoRaWAN-nätverket.
Han ansvarar bland annat för:
- de sensorer som har tillstånd att anslutas till nätverket
- autentisering av sensorer
- vissa radioparametrar
- överföring av meddelanden till sensorerna
- borttagning av meddelanden som mottagits flera gånger
LNS kan vara:
- direkt integrerad i en gateway
- installerad på en lokal server
- molnbaserad
4. Appen utnyttjar data
När meddelandet har bearbetats måste informationen göras begriplig och användbar. Den kan skickas till:
- ett fastighetsstyrsystem
- en automat
- övervakning
- en IoT-plattform
- ett program för energimätning
- en branschspecifik applikation.
I en byggnad kan en gateway med inbyggd LNS till exempel göra data tillgängliga för en PLC via protokoll som Modbus eller BACnet.
Hela förloppet för en mätning
Låt oss återgå till vår temperaturgivare:
- sensorn visar 21,4 °C
- han skickar en LoRaWAN-ram
- en gateway tar emot denna ram
- LNS kontrollerar och strukturerar meddelandet
- data avkodas
Uplink och downlink: i vilken riktning flödar data?
I ett LoRaWAN-nätverk kan meddelanden skickas i båda riktningarna. Man talar då omupplänk och nedlänk.
Vad är en LoRaWAN-uplink?
En uplink är ett meddelande som skickas från sensorn till nätverket. Det är ett ”uppåtgående” meddelande. En uplink kan innehålla information såsom:
- en temperatur
- en CO₂-halt
- en mätarställning
- ett larm
- status för en post
- sensorns batterinivå.
Så här går det till:
Sensor → Gateway → LNS → Applikation eller GTB
För att lära dig ordet kan du helt enkelt tänka på det engelska ordet ”up”, som betyder ”uppåt”.
Vad är en LoRaWAN-nedlänk?
En nedlänk går i motsatt riktning. Det är ett meddelande som skickas från nätverket till sensorn. Den kan användas för att:
- ändra hur ofta data skickas från en sensor
- ändra ett larmvärde
- skicka en ny instruktion
- öppna eller stänga ett relä
- ändra en ventils läge.
Då blir vägen:
Applikation eller GTB → LNS → Gateway → Objekt
Exempel med en termostatventil
En ventil mäter temperaturen i ett rum och skickar uppgiften via en upplänk. Fastighetsstyrsystemet tar emot mätvärdet och beslutar att sänka värmen. Det skickar då ett nytt inställningsvärde via en nedlänk. Ventilen tar emot detta inställningsvärde och stänger av sin motor något.
LoRaWAN gör det alltså möjligt att både samla in data och styra vissa enheter.
Nedlänkarna är dock fortfarande mer begränsade än upplänkarna. En batteridriven enhet lyssnar inte nödvändigtvis på nätverket hela tiden. När den kan ta emot ett kommando beror bland annat på vilken LoRaWAN-klass den tillhör.
LoRaWAN-klasserna A, B och C förklarade på ett enkelt sätt
En LoRaWAN-sensors klass avgör dess radiouppförande.
Den besvarar tre frågor:
- När skickar enheten sina data?
- När lyssnar han på nätverket?
- När kan han ta emot en beställning?
Det finns tre huvudklasser: A, B och C.
| Klass | Hur det fungerar | Förbrukning | Vanlig användning |
|---|---|---|---|
| A | Lyssna en kort stund efter att ha skickat data | Mycket låg | Batteridrivna sensorer |
| B | Avlyssning enligt fastställda tidsscheman | Mellannivå | Specifika tillämpningar |
| C | Lyssnar nästan hela tiden | Hög | Strömförsörjda ställdon |
Klass A: LoRaWAN-sensorn är i viloläge större delen av tiden
Klass A är den som används mest.
Det fungerar på ett enkelt sätt:
- sensorn aktiveras
- han utför en mätning
- han skickar en upplänk
- han öppnar två korta mottagningsfönster
- han kan eventuellt ta emot en nedlänk
- går den tillbaka i viloläge.
Sensorn tillbringar alltså större delen av tiden i viloläge. Det är just detta som gör att den kan fungera i flera år på batteri.
Klass A passar särskilt bra för:
- temperaturgivare
- fuktgivare
- mätare
- öppningssensorer
- sensorer för luftkvalitet.
Den största begränsningen gäller nedlänkskommandon. För att skicka en nedlänk måste nätverket vanligtvis vänta tills sensorn har skickat en upplänk och öppnat sina mottagningsfönster.
Klass A främjar alltså självständighet, men inte omedelbar reaktion.
Klass B: LoRaWAN-sensorn aktiveras vid bestämda tidpunkter
I klass B öppnar sensorn schemalagda lyssningsfönster.
Nätverket och enheten synkroniseras med hjälp av meddelanden som kallas ”beacons”. På så sätt vet sensorn när den ska vara uppmärksam på eventuella kommandon.
Man kan jämföra detta med en person som tittar i sin brevlåda vid bestämda tidpunkter.
Klass B utgör en kompromiss mellan autonomi och tillgänglighet, men används fortfarande relativt sällan i vanliga GTB-tillämpningar.
Klass C: enheten är ständigt i lyssningsläge
I klass C lyssnar objektet nästan kontinuerligt på nätverket, utom när det sänder.
Han kan alltså ta emot en beställning praktiskt taget när som helst.
Denna klass är avsedd för utrustning som måste reagera snabbt:
- relä
- manöverdon
- drivna ventiler
- termostater
- styrutrustning.
Denna kontinuerliga avlyssning förbrukar mycket energi. Apparater av klass C är därför vanligtvis anslutna till en extern strömkälla.
Vilka frekvenser använder LoRaWAN?
LoRaWAN-protokollet använder inte exakt samma radioband överallt i världen.
Frekvenserna beror på lokala bestämmelser.
I Europa, och därmed även i Frankrike, använder LoRaWAN främst EU868-bandet, kring 868 MHz.
I USA används främst frekvensbandet US915. I Australien kallas det frekvensband som används för AU915.
Det innebär att en sensor som är avsedd för den amerikanska marknaden inte automatiskt är kompatibel med ett europeiskt nätverk.
Innan en driftsättning måste man kontrollera att:
- sensorn använder rätt frekvens
- Gatewayen använder samma frekvensplan
- utrustningen är godkänd i det berörda landet.
LoRaWAN-banden är i allmänhet så kallade ”fria” band. Det krävs ingen radiolicens för att använda dem.
LoRa-alliansen fastställer i detta dokument vilka frekvenser som får användas i respektive land.
Spreading Factor, ADR och Duty Cycle: tre begrepp inom radio som man bör känna till
Dessa tre begrepp låter tekniska. Principen bakom dem är dock ganska enkel.
Spreading Factor: att gå snabbt eller att gå långt
Spreading Factor, förkortat SF, påverkar varaktigheten och stabiliteten hos ett radiomeddelande. Värdet ligger vanligtvis mellan SF7 och SF12.
Tänk dig att du ska förmedla en mening till någon som befinner sig långt bort. När personen är nära kan du tala snabbt. När personen är långt borta måste du tala långsammare och uttala varje ord tydligt för att bli förstådd. I LoRaWAN fungerar det på ungefär samma sätt.
Med en låg SF, till exempel SF7
Meddelandet skickas snabbt.
Detta möjliggör:
- att förbruka mindre energi
- att belasta frekvensen under en kortare tid
- att öka nätets totala kapacitet.
Detta läge passar bra när sensorn befinner sig nära gatewayen och radioförbindelsen är god.
Med ett högt SF-värde, till exempel SF12
Signalen stannar kvar längre i luften. Den blir lättare att upptäcka när signalen är svag, men:
- leveransen tar längre tid
- sensorn förbrukar mer energi
- radiokanalen förblir upptagen under en längre tid.
Ett högt SF-värde är alltså inte alltid bättre. Målet är att använda det lägsta SF-värdet som fortfarande möjliggör en tillförlitlig kommunikation.
ADR: automatisk nätverksinställning
ADR står för Adaptive Data Rate. Denna funktion gör det möjligt för nätverket att automatiskt anpassa vissa radioparametrar för sensorn. LNS analyserar kvaliteten på de mottagna meddelandena.
Om en sensor använder SF12 trots att mottagningen är mycket god kan nätverket be den att använda en lägre SF-nivå. Meddelandet skickas då snabbare och batteriet belastas mindre. Omvänt, om förbindelsen är svag, kan nätverket välja mer robusta inställningar.
ADR fungerar alltså som en automatisk inställning som söker den bästa balansen mellan:
- räckvidd
- tillförlitlighet
- förbrukning
- radiosändningstid.
Denna funktion är särskilt lämplig för fasta sensorer som är installerade i en byggnad.
Duty Cycle: alla måste vänta på sin tur
Duty Cycle begränsar den tid under vilken en enhet får sända. Varför finns denna regel? Eftersom radiofrekvenserna delas av flera enheter. Om alla sensorer sände hela tiden skulle nätverket snabbt bli obrukbart. Duty Cycle fastställer därför en maximal sändningstid.
En arbetscykel på 1 % innebär, förenklat uttryckt, högst 36 sekunders sändning per timme på det berörda delbandet.
Denna regel uppmuntrar till att skicka:
- kortmeddelanden
- endast de relevanta uppgifterna
- med en frekvens som motsvarar behovet.
Ju högre Spreading Factor är, desto längre tid stannar meddelandet i luften och desto snabbare utnyttjar det den tillgängliga tiden. Därför är LoRaWAN inte avsett för kontinuerlig dataöverföring.
Hur säkerställs säkerheten vid LoRaWAN-kommunikation?
En radiokommunikation kan potentiellt avlyssnas. Säkerheten är därför en integrerad del av LoRaWAN-protokollets funktion.
För att förstå hur ett objekt aktiveras måste man känna till tre viktiga uppgifter.
| Information | Roll | Enkel jämförelse |
|---|---|---|
| DevEUI | Identifierar objektet på ett unikt sätt | Serienummer |
| JoinEUI eller AppEUI | Ange registreringsenheten | Kontorets adress |
| AppKey | Hemlighet som används för att autentisera objektet | Hemligt lösenord |
DevEUI
DevEUI är sensorns unika identifierare.
Två enheter får inte ha samma DevEUI. Det gör att nätverket kan identifiera exakt vilken utrustning som försöker kommunicera.
AppEUI
AppEUI anger vilken aktiveringsenhet objektet vill vända sig till.
Man kan jämföra det med adressen till den lucka där sensorn ska registreras.
AppKey
AppKey är en hemlig nyckel.
Den är känd genom objektet och genom den infrastruktur som ansvarar för att verifiera dess äkthet. Den får aldrig offentliggöras eller vidarebefordras utan skydd.
AppKey kan jämföras med sensorns huvudlösenord.
Hur fungerar OTAA-aktiveringen?
Den vanligaste aktiveringsmetoden kallas OTAA, vilket står för Over-the-Air Activation.
Vid uppstart:
- sensorn skickar en anslutningsförfrågan som kallas ”Join Request”
- nätverket kontrollerar att sensorn är auktoriserad
- nätverket skickar tillbaka ett ”Join Accept”
- sessionsnycklar skapas
- sensorn kan börja överföra sina data.
LoRaWAN använder AES-128-kryptering för att skydda kommunikationen.
De relevanta uppgifterna är krypterade och meddelandena är autentiserade. En person som skulle avlyssna en radioram skulle därför inte kunna läsa innehållet utan vidare.
Privat LoRaWAN-nätverk eller offentligt nätverk: vad är skillnaden?
Det finns två huvudsakliga sätt att installera ett LoRaWAN-nätverk.
Det privata LoRaWAN-nätverket
I ett privat nätverk installerar och driver företaget sin egen infrastruktur.
Hon installerar:
- dess sensorer
- en eller flera gateways
- sin LNS, lokal eller fjärransluten
- gränssnitten mot fastighetsstyrsystemet eller affärsapplikationen.
I en byggnad kan en gateway installeras i ett elskåp. Den tar emot data från sensorerna och kan sedan vidarebefordra dem till en styrdator via Modbus eller BACnet.
De främsta fördelarna är:
- kontroll över infrastrukturen
- lokal datalagring
- direkt integration med fastighetsstyrsystemet
- avsaknaden av operatörsabonnemang per sensor, med undantag för eventuella tjänster
- ett tak som är exakt anpassat till byggnaden.
I gengäld måste operatören installera, konfigurera och underhålla sitt nätverk.
Det offentliga eller operatörsdrivna LoRaWAN-nätverket
I ett offentligt nätverk drivs infrastrukturen av en operatör. Användaren kan ansluta sina sensorer till det befintliga nätverket, förutsatt att:
- att området täcks
- att sensorerna är kompatibla
- att teckna de tjänster som behövs (abonnemang osv.)
Uppgifterna skickas vanligtvis till operatörens molnmiljö och hämtas sedan av en affärsapplikation via ett API eller en koppling.
Denna lösning är lämplig när objekten är utspridda över flera platser eller ett stort geografiskt område.
| Privat nätverk | Offentligt nät eller drivet nät |
|---|---|
| Gateways som installerats av företaget | Gateways installerade av en operatör |
| Lokalt styrd täckning | Täckningen beror på operatören |
| Data som enkelt kan integreras i ett lokalt fastighetsstyrsystem | Data som vanligtvis är tillgängliga via en fjärrplattform |
| Inget abonnemang hos operatören per sensor | Abonnemang eller tjänst krävs vanligtvis |
| Underhåll som ska bekostas av driftsansvarig | Radioinfrastruktur som förvaltas av operatören |
För en byggnad som är utrustad med ett lokalt fastighetsstyrsystem är ett privat nätverk ofta särskilt lämpligt. För utrustning som är utspridd över flera städer kan ett drivet nätverk vara enklare att använda.
Varför är LoRaWAN kompatibelt?
LoRaWAN är ett öppet protokoll som har definierats av LoRa Alliance. Dess interoperabilitet kan jämföras med Bluetooth. En smartphone och en högtalare från två olika märken kan kommunicera med varandra eftersom de följer samma standard.
Principen är densamma i LoRaWAN.
Ett nätverk kan omfatta:
- sensorer av olika märken
- olika typer av åtgärder
- gateways från olika tillverkare
- olika branschspecifika tillämpningar.
Förutsatt, naturligtvis, att utrustningen uppfyller LoRaWAN-specifikationerna och använder samma frekvensplan. Denna flexibilitet gör det möjligt för systemintegratören att välja den produkt som bäst passar varje behov, utan att behöva köpa all utrustning från en enda tillverkare.
En viktig nyans: att något är kompatibelt betyder inte automatiskt att det avkodas
Gatewayen kan ta emot en dataram från en sensor utan att förstå innebörden av dess innehåll.
Låt oss anta att en sensor skickar följande värde: 00D6
För att kunna fastställa att detta värde motsvarar en temperatur på 21,4 °C måste applikationen tillämpa de avkodningsregler som tillverkaren tillhandahåller.
För att helt integrera en ny sensor krävs alltså följande:
- sina inloggningsuppgifter och nycklar
- i sin dokumentation
- av dess dataformat
- av dess kodek eller av dess avkodningstabell.
LoRaWAN möjliggör interoperabilitet mellan radio- och nätverkssystem. För att tolka data ur ett affärsperspektiv krävs ibland ytterligare integration.
