Fördjupning i LoRaWAN

Högfrekventa anslutningar ger höga datahastigheter men har begränsad räckvidd vid acceptabla effektnivåer (exempelvis WiFi). För saker med begränsad energitillgång som behöver lång räckvidd är lågfrekvensdrift att föredra. Ju lägre frekvensen är, desto mindre kraft krävs för att upprätthålla en viss länkbudget.

Lägre frekvensöverföringar innebär lägre datahastigheter, men IoT-applikationer kräver inte stor bandbredd. Dessutom ger lägre datahastigheter en annan fördel i form av reducerade fel, vilket minskar mottagarens känslighetskrav. Nackdelen med långsam kommunikation är att det ökar sändningstiden, vilket ökar risken för störningar från ljud och andra signaler. Dessutom innebär längre sändningstid ökad energiförbrukning vid både sändarens och mottagarens ändar.

Smalbandsradio kan ändå uppfylla kraven på intervall, energi och datahastighet som krävs av de flesta IoT-applikationer. Moduleringsmetoden i LoRa minskar även nackdelarna.

För kommunikation i 868MHz-bandet har man tidigare förlitat sig på spridningsspektrummodulering för att minska brus eller störande signaler.

Även om detta kan hjälpa vid mycket höga datahastigheter, krävs det hög bandbredd och sofistikerade moduleringssignalkedjor för en effektiv överföring och mottagning av bredbandssignalen. IoT-applikationer behöver sällan höga datahastigheter. Komplexiteten och kraven i samband med traditionella spridningsspektrumstekniker gör dem mindre effektiva för batteridriven IoT med låg kostnad. Det är här LoRa kommer in.

LoRa är en unik spridningsspektrummoduleringsmetod som ger några av fördelarna med spridningsbrusimmunitet samtidigt som utvecklingskraven förenklas. LoRa-modulering baseras på en frekvensmodulerad "chirp" -signal.

När en LoRa-överföring initieras, utfärdar ett LoRa-modem en ingress som består av en serie chirps (se vänstra bilden). Överföringen fortsätter med en serie chirps som kodar data i huvudsak som frekvens hoppar i chirp-signalen (se högra bilden).

Mottagarsidan kan låsa på ingressen för att initiera mottagning av en meddelandeström. På grund av chirps distinkta mönster kan en LoRa-gateway detektera signaler så låga som 20 dB under brusnivån. LoRa-tekniken möjliggör -148 dBm känslighet, vilket möjliggör robust anslutning med mycket lång räckvidd. Vidare kan en LoRa-gateway ta emot flera olika sändningar samtidigt, var och en skiljer sig endast i skarpa satser. Som ett resultat kan det stödja mycket stort antal IoT-enheter.

LoRa-teknikens unika moduleringsmetod är vad som gör den så väl lämpad för IoT-applikationer: Den kan fungera framgångsrikt över 15 km i landsort och mer än 10 km i stadsmiljö. Den kan uppnå över 10 års batterilivslängd och kan fungera i nätverk som omfattar upp till en miljon noder. Vidare ger dess stöd för olika "chirp"-hastigheter, eller "spridningsfaktorer" utvecklare flexibiliteten att hantera datahastighet för intervall eller energi efter behov, för att optimera nätverksprestanda (se nedan).

Men LoRa är bara det fysiska lagret. I en IoT-applikation beror utvecklarens förmåga att tillämpa den som en anslutningslösning på tillgången till ett nätverksprotokoll som kan bygga på LoRa. LoRaWAN-standarden gör just det med sin definition av "media access control" (MAC) utformat för att fungera med LoRa. LoRaWAN-specifikationen är skapad och underhållen av LoRa Alliance, speciellt utvecklad för IoT-applikationer med lång räckvidd och ger åtkomst och kontroll via säker trådlös kommunikation med låg effekt.

LoRaWAN följer en välkänd IoT-hierarki som för uppkopplade saker, lokala kontroller och molnbaserade servrar (se bild nedan). I LoRaWAN-terminologi ansluts saker trådlöst i en stjärnopologi till en gateway, och gateways kopplas via IP-nätverk till en central nätverksserver. Nätverksservern dekrypterar information om till vilken applikationsserver datapaketet ska och skickar det dit.

Läs mer om topologin under Vad är LoRa?

LoRaWAN MAC-protokollet är utformat för att passa IoT-applikationer med olika krav på aktiv kommunikation och sovläge från en LoRaWAN-gateway till en slutenhet. LoRaWAN MAC följer tre olika klasser, som alla stöder dubbelriktad kommunikation men skiljer sig åt i nedlänkstillgängligheten:

• Klass A stöder enheter med låg effekt som trådlösa mätare som kräver minimal kommunikation med servern. En A-enhet kan överföra data till en gateway när som helst men kan bara ta emot inom två fönster, var och en som uppträder vid en viss fördröjning efter överföringen (se nedan).

• Klass B är en utökad klass A med ytterligare mottagningsfönster. Förutom de vanliga två korta fönstren överföring lyssnar en klass B IoT-enhet efter ytterligare meddelanden vid andra schemalagda fönster. Mottagningsfönstren förekommer vid specifika tider enligt en signal som överförs av en känd LoRaWAN-gateway. Schemaläggning av mottagning i klass B ger applikationer möjlighet att kontakta IoT-enheten vid specifika tider. Inte bara under mottagningssfönstren enligt klass A.
  
  
• Klass C stöder enheter som behöver nära kontinuerlig tillgänglighet av mottagningsfönster. En klass C-enhet lyssnar ständigt efter meddelanden, utom när det överför data eller öppnar de två standardmottagningsfönstren.

LoRaWAN är utformad med flera säkerhetsfunktioner, med hjälp av en kombination av krypteringsnycklar för enhet, session och applikation för att kryptera data och att verifiera enhetens åtkomst till nätverket. För en LoRaWAN-applikation kan sakerna programmeras från fabriken med den autentiseringsinformation som krävs för att ansluta till ett specifikt LoRaWAN-nätverk, vilket LoRaWAN kallar "aktivering genom personalisering". LoRaWAN erbjuder även "aktivering över luften", som anger en procedur med autentisering och behörighet som krävs för att en enhet ska ansluta till ett tillgängligt LoRaWAN-nätverk.

För nätverkskontroll och säker datakommunikation innehåller endast IoT-enheter och applikationsservern krypteringsnyckeln (se nedan). Krypterade meddelanden vidarebefordras utan att kunna läsas eller manipuleras av mellanliggande gateway och nätverk, vilket eliminerar angrepp från hackers.

Krypteringsnycklar sparas endast i IoT-saker och applikationsservrar.