Kommunikationssätt för fastighetsmätning: LoRa och LoRaWAN

Detta är en artikelserie i fyra delar. Del 2 av 4.
Del 1: Trådad M-bus och trådlös M-bus (wM-bus)
Del 2: LoRa och LoRaWAN
Del 3: NB-IoT
Del 4: Jämförelse: M-Bus, trådlös M-Bus, LoRaWAN och NB-IoT

Fastighetsägare, BRF-styrelser och tekniska förvaltare står idag inför flera alternativ för att samla in mätdata (värme, vatten, el etc.) i sina byggnader. Traditionella M-Bus (trådad) system har fått sällskap av trådlösa alternativ som Wireless M-Bus, nya IoT-nätverk som LoRaWAN (baserat på LoRa) och NB-IoT. I denna serien av blogginlägg jämför vi dessa kommunikationssätt utifrån teknik, kostnad och användningsområde. Vi besvarar också vanliga frågor – t.ex. skillnaderna mellan Wireless M-Bus och LoRaWAN, LoRa vs LoRaWAN, NB-IoT vs LTE med mera.

LoRa och LoRaWAN – IoT-nät med lång räckvidd

LoRa (Long Range) är en radioteknik/modulation som möjliggör mycket lång räckvidd med låg effekt, genom chirp-spread-spectrum-sändningar på olicensierade sub-GHz-band. Viktigt är att skilja på LoRa och LoRaWAN: LoRa är själva fysiska radioskiktet, medan LoRaWAN är ett kommunikationsprotokoll och nätverksarkitektur ovanpå LoRa. LoRaWAN definieras av LoRa Alliance som en öppen standard för LPWAN (Low Power Wide Area Network). Medan LoRa beskriver hur radiosignalen sänds, beskriver LoRaWAN hur nätverket är uppbyggt – inkluderat allt från hur data paketeras, överförs och krypteras till hur en central nätverksserver tar emot och hanterar informationen.

Praktiskt innebär detta att LoRaWAN-enheter kommunicerar trådlöst med en eller flera gateways (radiomottagare med internetanslutning). Gatewayen vidarebefordrar LoRa-paketen till en nätverksserver (ofta i molnet), som i sin tur levererar data till en applikationsserver där mätvärden kan användas. Topologin är stjärna-av-stjärnor: sensorer -> gateway -> server. LoRaWAN är tvåvägs till viss del – enheter kan ta emot nedlänksmeddelanden – men majoriteten av kommunikationen är uplink (från sensor till server). Nätservern kan skicka nedlänk t.ex. för att bekräfta mottagning eller ge kommandon, men nedlänk sker alltid på strikt schemalagda, begränsade fönster efter att en enhet sänt (för klass A-enheter).

Fördelar: LoRaWAN utmärker sig genom enorm räckvidd och genomträngning. Tack vare den känsliga LoRa-modulationen kan en enda gateway täcka flera kilometer; i tät stadsmiljö är räckvidder på 1–2 km vanliga och i glesbygd kan 15+ km uppnås med fri sikt. Dessutom penetrerar signalen byggnader och betongväggar förhållandevis väl. För fastighetsägare öppnar detta möjligheten att läsa av mätare i spridda byggnader eller på svårtillgängliga platser utan att installera massor av insamlingsnoder. LoRaWAN är designat för låg strömförbrukning – en sensor kan sända några få meddelanden per dag och nå över 10 års batteritid på ett enda AA-batteri. Tekniken skalar bra i nätverk med många noder tack vare adaptiv datarate (ADR): noder nära en gateway kan automatiskt sända med högre hastighet och lägre effekt, vilket sparar batteri och minskar deras airtime, medan mer avlägsna noder använder lägre hastighet för maximal räckvidd. LoRaWAN erbjuder också inbyggd säkerhet – all kommunikation är ende-to-end-krypterad med AES-128. En annan fördel är flexibiliteten gällande infrastruktur: man kan antingen ansluta sig till en publik LoRaWAN-nätoperatör eller bygga ett eget privat nätverk (t.ex. en fastighetsägare kan sätta upp egna gateways i sina byggnader). Hela systemet är baserat på öppna standarder och en global ekosfär, så det finns många leverantörer av LoRaWAN-kompatibla sensorer, moduler och programvaror.

Nackdelar: LoRaWANs styrkor kommer med vissa begränsningar av datamängd och frekvens. För att nå lång räckvidd används låg datahastighet och små paketsstorlekar – ett enskilt LoRaWAN-meddelande kan vara högst ca 50–240 byte (beroende på datarate) och protokollet är optimerat för kanske ett par dussin meddelanden per dag från varje enhet. I praktiken skickar LoRaWAN-enheter oftast färre meddelanden per tidsenhet än trådlös M-Bus, men varje meddelande har högre tillförlitlighet tack vare möjlighet till kvittens (ack). Det vill säga, även om en LoRaWAN-sensor kanske bara rapporterar t.ex. var 60:e minut istället för var 15:e min, så är sannolikheten att värdet verkligen når fram högre – nätverket kan bekräfta mottagningen, och utebliven kvittens kan trigga omförsök. Trots detta är LoRaWAN i grund och botten alos-baserat (Aloha), vilket innebär att vid hög belastning kan kollisioner ske i det olicensierade bandet när många enheter sänder samtidigt. Det finns också regulatoriska sändbegränsningar (t.ex. 1% duty cycle i EU-bandet) som gör att ingen enskild enhet kan ockupera etern för mycket. Detta gör att LoRaWAN – liksom andra LPWAN – inte lämpar sig för täta realtidsavläsningar från väldigt många noder samtidigt utan specialplanering. Ska man t.ex. ha hundratals enheter som skickar varje minut i samma område, riskerar man antingen försämrad batteritid, brutna regler eller paketkollisioner. LoRaWAN-nät hanterar många noder väl vid låg trafik per nod, men för massor av meddelanden kontinuerligt når man gränser. En annan aspekt är beroendet av infrastruktur och internet: LoRaWAN är i många fall mer beroende av molntjänster än enklare lokala system som trådlös M-Bus. Visserligen kan man ha sin egen lokala server, men det kräver IT-kunnande. För den som vill slippa det kan man använda en publik nätoperatör, men då tillkommer abonnemangskostnader per enhet och man blir delvis operatörsbunden. LoRaWAN medger tvåvägskommunikation, men nedlänk (t.ex. fjärrstyrning eller firmware-uppdatering) är begränsat och komplext – stora datamängder som firmware kan vara svåra att skicka över LoRaWAN på grund av långsam hastighet och airtime-begränsningar. Sammanfattningsvis är LoRaWAN ett liknande men förbättrat trådlöst system jämfört med wM-Bus när det gäller räckvidd och kapacitet, men det kräver ett annorlunda ekosystem (gateways, server) och är bäst för batteridrivna sensorer med lågupplöst data.

Kan man använda LoRa utan LoRaWAN? – Ja, det går att utnyttja själva LoRa-radion i punkt-till-punkt-läge eller i ett eget proprietärt protokoll utan att följa LoRaWAN. LoRaWAN är frivilligt – LoRa kan liknas vid en avancerad walkie-talkie medan LoRaWAN är ett helt uppkopplat system. Om man t.ex. bara vill att två LoRa-moduler skickar data direkt mellan varandra i ett eget format är det fullt möjligt. Däremot förlorar man då skalbarheten och de funktioner som LoRaWAN-nätverket ger (som standardiserad hantering av många noder, integration mot moln, etc.). De flesta IoT-implementationer drar nytta av LoRaWAN för att bygga större nätverk, men enklare fall kan använda rå LoRa.

Observera:
Informationen i denna artikel är sammanställd i informationssyfte och baseras på tillgänglig kunskap vid publiceringstillfället. Vi strävar efter att vara korrekta och uppdaterade, men vi reserverar oss för eventuella felaktigheter, förändringar i teknik eller externa faktorer som kan påverka innehållets riktighet över tid. För specifika beslut rekommenderar vi alltid att du kontaktar vår tekniska support eller rådgivare.