Mikä LoRaWAN on? Helppotajuinen johdanto aloittelijoille

Jos pitkän kantaman IoT on sinulle uutta, LoRaWAN on yksi tärkeimmistä ymmärrettävistä käsitteistä – ja samalla yksi helpoimmin väärin ymmärrettävistä.

Jotkut käyttävät käsitteitä LoRa ja LoRaWAN ikään kuin ne tarkoittaisivat samaa asiaa. Ne eivät tarkoita. Jotkut ajattelevat, että LoRaWAN on yksinkertaisesti ”pitkän kantaman radio”. Se ei ole. Toiset kuulevat sen olevan vähävirtainen ja olettavat, että se voi korvata Wi-Fin, Bluetoothin, matkapuhelinverkon ja mesh-järjestelmät yhdellä kertaa. Se ei voi.

Mikä LoRaWAN oikeastaan on?

Käytännön tasolla LoRaWAN on vähävirtaisen laajan alueen verkkoarkkitehtuuri ja protokolla, joka on suunniteltu yhdistämään paristokäyttöiset laitteet internetiin pitkien etäisyyksien päästä LoRa-radioiden avulla. Se kehitettiin esineiden internetin käyttöönottoihin, joissa laitteet lähettävät suhteellisen pieniä määriä dataa, usein vain ajoittain, mutta niiden on tehtävä se laajoilla alueilla erittäin vähäisellä virrankulutuksella.

Tuo lyhyt määritelmä on oikea, mutta se ei vielä riitä. Jotta ymmärtäisit LoRaWANia todella, sinun on ymmärrettävä:

• minkä ongelman ratkaisemiseen se suunniteltiin
• miten se liittyy LoRaan
• miltä kokonainen LoRaWAN-järjestelmä näyttää
• miksi yhdyskäytävillä ja palvelimilla on merkitystä
• miksi se eroaa niin paljon tavallisista lyhyen kantaman langattomista järjestelmistä
• missä se toimii hyvin ja missä ei

Tämä artikkeli on yksityiskohtainen ja aloittelijaystävällinen johdanto, mutta se on myös riittävän tekninen auttamaan sinua välttämään yleiset virheet, jotka johtavat väärään arkkitehtuuripäätökseen.

Asiaankuuluvat lähteet:

• LoRa Alliance: Mikä LoRaWAN on?
• LoRa Alliance: LoRaWAN kehittäjille
• Semtech: Mikä LoRa on?

Jos haluat tämän artikkelin jälkeen lukea aiheeseen liittyvää OpenELAB-sisältöä, luontevimmat jatkolukemiset ovat:

• LoRaWAN-yksiköt: ominaisuudet ja valintaopas
• Seeed Studio SenseCAP S2120 8-in-1 LoRaWAN-sääanturi – täydellinen opas

LoRaWAN alkaa IoT-ongelmasta

LoRaWANia ei suunniteltu Wi-Fi:n kaltaiseksi yleiskäyttöiseksi langattomaksi verkoksi. Se suunniteltiin hyvin tietynlaisten ongelmien ratkaisemiseen:

• lukuisia laitteita
• sijoittuvat laajalle alueelle
• lähettävät pieniä datapaketteja
• toimivat usein paristoilla
• asennetaan usein vuosiksi
• eivät yleensä edellytä jatkuvaa suuren läpäisykyvyn tiedonsiirtoa

Ajattele esimerkiksi seuraavia:

• energiankulutusmittarit
• sääasemat
• maaperäanturit
• vuodonilmaisimet
• teollisuuden valvontasolmut
• säiliöiden pinnankorkeuden valvontalaitteet
• pysäköintianturit
• ympäristön havainnointi
• kaupunki-infrastruktuurin telemetria

Kaikissa näissä tapauksissa kysymys ei ole: ”Miten suoratoistan paljon dataa erittäin nopeasti?” Kysymys on:

Miten lähetän pieniä määriä hyödyllistä dataa pitkän matkan päähän niin, että virrankulutus ja ylläpitotarve ovat vähäisiä ja arkkitehtuuri skaalautuva?

Juuri tämän ongelman ratkaisemiseksi LoRaWAN kehitettiin.

LoRa ja LoRaWAN: ensimmäinen suuri ero

Tämä on ensimmäinen asia, joka jokaisen aloittelijan kannattaa selvittää.

LoRa

LoRa on radiokerros, tarkemmin sanottuna pitkän kantaman modulaatiotekniikka. Se on fyysinen langaton teknologia, joka tarjoaa pitkän kantaman ja pienen virrankulutuksen RF-ominaisuudet.

LoRa ei yksin määrittele seuraavia asioita:

• miten laitteet liittyvät verkkoon
• miten yhdyskäytävät toimivat
• miten viestit reititetään sovelluksille
• miten laajoja käyttöönottoja hallitaan
• miten taustajärjestelmän infrastruktuuri järjestetään

LoRaWAN

LoRaWAN on LoRan päälle rakennettu verkkoprotokolla ja arkkitehtuuri.

Se määrittelee:

• miten päätelaitteet viestivät
• miten yhdyskäytävät välittävät liikennettä
• miten verkkopalvelin käsittelee paketteja
• miten sovellukset vastaanottavat tietoja
• miten tietoturva ja laitteiden aktivointi toimivat
• miten alueelliset vaatimustenmukaisuusasiat hoidetaan

Siksi asian voi ilmaista selkeästi näin:

LoRa on radioteknologia. LoRaWAN on LoRaa käyttävä verkkoratkaisu.

Tämä ero on tärkeä, koska monet arkkitehtuurivirheet alkavat siitä, että valinta tehdään pelkästään radiosignaalin kantaman perusteella eikä verkkoratkaisua huomioida.

Miksi LoRaWANia kutsutaan LPWANiksi

LoRaWAN kuuluu LPWAN-luokkaan, joka tarkoittaa Low-Power Wide-Area Network -verkkoa eli vähävirtaista laajan alueen verkkoa.

Nimi kertoo lähes kaiken olennaisen:

Pieni virrankulutus

LoRaWAN on suunniteltu laitteille, joiden on ehkä toimittava paristolla kuukausia tai vuosia.

Siksi järjestelmä on optimoitu seuraavien ominaisuuksien ympärille:

• alhaisen käyttöasteen toimintamalli
• harva viestintä
• kompaktit hyötykuormat
• rajalliset vastaanottoikkunat
• keskitetty taustajärjestelmälogiikka

Laaja alue

LoRaWAN on suunniteltu kattamaan:

• kampukset
• maatila-alueet
• teollisuuskohteet
• rakennukset
• taajamat
• kaupungin laajuiset käyttöönotot
• maaseudun infrastruktuurialueet

Tämä poikkeaa suuresti lyhyen kantaman langattomista järjestelmistä, kuten Bluetoothista, ja myös kaistanleveyteen keskittyvistä järjestelmistä, kuten Wi-Fistä.

Verkko

LoRaWAN ei ole vain "ilmassa kulkevaa radiota". Se on kokonainen päästä päähän ulottuva verkkoratkaisu, joka sisältää:

• päätelaitteet
• yhdyskäytävät
• verkkopalvelimet
• sovelluspalvelimet
• laitteiden aktivointi- ja tietoturvaprosessit

Tämä taustajärjestelmän rakenne on yksi tärkeimmistä syistä siihen, että LoRaWAN skaalautuu monissa IoT-käyttöönottoympäristöissä paljon paremmin kuin hajautetut suorat radioyhteysratkaisut.

Miltä täysi LoRaWAN-järjestelmä näyttää

Tyypillisessä LoRaWAN-käyttöönotossa on neljä pääelementtiä:

1. Päätelaitteet

Nämä ovat kenttälaitteita:

• anturit
• toimilaitteet
• seurantalaitteet
• mittarit
• etämittauslaitteet

Ne käyttävät LoRa-radioita langattomien pakettien lähettämiseen.

2. Yhdyskäytävät

Yhdyskäytävät vastaanottavat LoRaWAN-paketteja päätelaitteilta ja välittävät ne IP-pohjaisen runkoyhteyden kautta.

Tärkeää on ymmärtää, että yhdyskäytävä ei yleensä ole verkon "aivot". Se on pikemminkin läpinäkyvä silta radiomaailman ja palvelinmaailman välillä.

3. Verkkopalvelin

Täällä sijaitsee suuri osa varsinaisesta LoRaWAN-logiikasta.

Verkkopalvelin käsittelee muun muassa seuraavia asioita:

• pakettien kaksoiskappaleiden poisto
• MAC-kerroksen logiikka
• laitteiden tilanhallinta
• alaslinkin ajoitus
• verkon ohjaus

4. Sovelluskerros

Tänne päätyvät hyödylliset liiketoimintatiedot.

Esimerkkejä:

• koontinäytöt
• hälytykset
• pilvisovellukset
• teollisuuden ohjausliittymät
• rakennusautomaatioalustat

Siksi LoRaWAN-käyttöönotto ei ole vain ”laite viestii yhdyskäytävän kanssa”. On paljon täsmällisempää ajatella sitä näin:

laite -> yhdyskäytävä -> verkkopalvelin -> sovellus

Tähtien tähtitopologia

LoRa Alliancen mukaan LoRaWAN käyttää tähtien tähtitopologiaa.

Tämä ilmaus saattaa aluksi kuulostaa abstraktilta, mutta se on itse asiassa erittäin tärkeä.

Tämä tarkoittaa, että:

• päätelaitteet eivät muodosta mesh-verkkoa
• päätelaitteet eivät välitä paketteja toisilleen
• yhdyskäytävät toimivat siltoina
• useat yhdyskäytävät voivat vastaanottaa saman uplinkin
• verkkopalvelin hoitaa taustajärjestelmän koordinoinnin

Tämä on yksi suurimmista eroista LoRaWANin ja Meshtasticin tai MeshCoren kaltaisten mesh-järjestelmien välillä.

LoRaWAN on yleensä yhden hypyn langaton liitäntä laitteen ja yhdyskäytävän välillä, vaikka taustajärjestelmässä olisi useita yhdyskäytäviä ja palvelimia.

Tällä rakenteella on useita etuja:

• yksinkertaisemmat päätelaitteet
• parempi akun kesto
• keskitetty taustajärjestelmän logiikka
• helpompi hallinta suuressa mittakaavassa

Tämä tarkoittaa kuitenkin myös sitä, ettei LoRaWAN pyri toimimaan verkon ulkopuolisena vertaisverkkopohjaisena mesh-viestintäjärjestelmänä.

Miksi LoRaWAN voi olla niin energiatehokas

LoRaWANin energiatehokkuus perustuu radioliikenteen ja verkon suunnittelun yhdistelmään.

Tärkeitä tekijöitä ovat:

• pienet hyötykuormat
• harvoin tapahtuva tiedonsiirto
• pitkät lepotilat
• laitteet eivät kuuntele jatkuvasti
• keskitetty ohjaus, joka siirtää monimutkaisuuden päätelaitteelta

Siksi LoRaWAN on niin houkutteleva vaihtoehto esimerkiksi seuraavissa asennuksissa:

• ulkoilman sääanturit
• energiamittaus
• ympäristön seuranta
• maatalouden telemetria
• hälytyspisteet, jotka ilmoittavat vain tarvittaessa

Esimerkiksi tuotteet, kuten Seeed Studio SenseCAP S2120 8-in-1 LoRaWAN -sääanturi – täydellinen opas, ovat järkevä valinta juuri siksi, että LoRaWAN on suunniteltu pitkäkestoisiin anturiasennuksiin, ei jatkuvaan vuorovaikutteiseen käyttöön.

Millaiselle tiedolle LoRaWAN soveltuu hyvin

LoRaWAN soveltuu hyvin, kun hyötykuormat ovat:

• pieniä
• merkityksellisiä
• jaksottaisesti tai tapahtumaperusteisesti

Esimerkkejä:

• lämpötilan
• kosteuden
• akun varaustilan
• liiketapahtuman
• vuototapahtuman
• venttiilin tilan
• GPS-sijainnin harvakseltaan
• anturiarvojen kynnysarvoja

LoRaWAN ei yleensä ole paras vaihtoehto, kun tarvitset:

• suuri bittinopeus
• pieniviiveinen jatkuva ohjaus
• kuvien suoratoisto
• äänen suoratoisto
• yleinen internet-yhteys
• usein lähetettävät suuret tietomäärät

Tämä on erittäin tärkeä rajaus. LoRaWAN on tehokas, koska se on optimoitu tiettyihin käyttötarkoituksiin, ei siksi, että se yrittäisi tehdä kaiken.

Miksi yhdyskäytävillä on niin suuri merkitys

Aloittelijasta LoRaWAN-yhdyskäytävä saattaa vaikuttaa vain ”vastaanottimelta”. Käytännössä yhdyskäytävä on järjestelmän olennainen osa, koska se:

• vastaanottaa LoRa-paketteja päätelaitteilta
• välittää ne Ethernetin, mobiiliverkon, Wi-Fin tai muun IP-pohjaisen runkoyhteyden kautta
• mahdollistaa laajojen alueiden käyttöönotot
• erottaa radiotaajuuspeiton taustajärjestelmän logiikasta

On kuitenkin yhtä tärkeää ymmärtää, mitä yhdyskäytävä ei yleensä tee:

• se ei ole verkon pääohjain
• se ei ole sovelluslogiikan keskus
• siellä ei yleensä hallita laitteen tietoturvatilaa kokonaisuudessaan

Tällaiset tehtävät kuuluvat paljon enemmän verkon taustajärjestelmälle.

Jos haluat gateway-puolen selityksen paljon yksityiskohtaisemmin, seuraava luonteva askel on oma yhdyskäytäviin keskittyvä artikkeli.

LoRaWAN toimii eri alueilla, mutta käytössä ei ole yhtä yleistä radioasetusta

Aloittelijan yleinen virhe on olettaa, että LoRaWAN-laitteen voi siirtää minne tahansa ja että se vain "toimii samalla tavalla".

LoRaWAN ei toimi näin.

LoRaWAN käyttää alueellisia parametrisarjoja, jotka perustuvat sääntelyalueisiin. Tämä tarkoittaa, että:

• taajuussuunnitelmat vaihtelevat alueittain
• kanavarakenne vaihtelee
• käyttöaste- tai lähetyksen viipymäaikaa koskevat säännöt voivat vaihdella
• sertifiointi- ja vaatimustenmukaisuusvaatimukset vaihtelevat

Siksi EU868, US915 ja AU915 eivät ole keskenään vaihdettavia tunnuksia. Ne edustavat erilaisia käyttöympäristöjä, ja laitteen, yhdyskäytävän sekä palvelimen asetusten on vastattava aluetta.

Tämä aihe on niin tärkeä, että se ansaitsee oman alueellisia parametreja käsittelevän osionsa laajemmassa LoRaWAN-opintopolussa.

LoRaWAN on suunniteltu taustajärjestelmäpainotteiseksi

Yksi syy LoRaWANin hyvään skaalautuvuuteen on se, että arkkitehtuuri siirtää suuren osan monimutkaisuudesta taustajärjestelmään.

Tämä eroaa monista ad hoc -radiojärjestelmistä, joissa jokaisen laitteen on kannettava suurempi vastuu verkkotoiminnoista.

LoRaWANissa taustajärjestelmä voi hoitaa seuraavat tehtävät:

• useiden yhdyskäytävien vastaanottamien pakettien kaksoiskappaleiden poistaminen
• laitteiden tilan seuranta
• alaslinkkien ajoitus
• aktivointitilan hallinta
• sovelluksen hyötykuormien oikeaoppinen reititys

Siksi LoRaWAN sopii luontevasti hallittuihin IoT-käyttöönottoihin. Päätelaitteet voivat pysyä suhteellisen yksinkertaisina, kun taas verkkopalvelin- ja sovelluskerrokset hoitavat vaativammat koordinointitehtävät.

Tietoturva on suunnittelun keskeinen osa

LoRaWAN ei ole vain pitkän kantaman radioyhteys, johon tietoturva lisätään myöhemmin valinnaisena ominaisuutena. Protokolla on suunniteltu siten, että päästä päähän -tietoturva on sen keskeinen periaate.

Aloittelijan kannalta tärkeintä on ymmärtää, että:

• laitteet eivät vain lähetä raakoja anturiarvoja ilmaan
• järjestelmässä on määritellyt tietoturva- ja aktivointimekanismit
• palvelinpuolella on todellinen rooli luotettavan verkkotoiminnan ylläpitämisessä

Tämä on yksi syy siihen, miksi LoRaWANia käytetään laajasti ammattimaisissa ja teollisissa IoT-ympäristöissä.

LoRaWANin yleiset käyttötapaukset

LoRaWAN sopii erinomaisesti seuraaviin käyttökohteisiin:

• älykäs maatalous
• älykaupungit
• rakennusten valvonta
• energiamittaus
• teollisuuden telemetria
• kylmäketjun ja logistiikan mittaus
• sään ja ympäristöön liittyvä seuranta
• etäomaisuuden tilaraportointi

Se on erityisen hyödyllinen, kun kysymys kuuluu:

Miten otan käyttöön monia paristokäyttöisiä laitteita laajalla alueella ja kerään pienimuotoista mutta arvokasta dataa luotettavasti?

Mitä LoRaWAN ei ole

Epäselvyys vähenee huomattavasti, kun määrittelet LoRaWANin paitsi sen perusteella, mitä se on, myös sen perusteella, mitä se ei ole.

LoRaWAN ei ole :

• sama kuin LoRa
• mesh-protokolla
• suuren kaistanleveyden verkko
• suora korvaaja Wi-Fi:lle
• suora korvaaja matkapuhelinverkon laajakaistalle
• yleiskäyttöinen vertaisverkon radiokeskustelujärjestelmä

Se ei tee siitä kielteisessä mielessä rajoittunutta. Se tekee siitä erikoistuneen, ja juuri erikoistuminen on syy siihen, miksi se toimii niin hyvin oikeanlaisissa IoT-järjestelmissä.

LoRaWAN ja mesh-järjestelmät

Tämä on tärkeää, koska monet uudet käyttäjät tutustuvat LoRaWANiin ja Meshtasticiin suunnilleen samaan aikaan ja olettavat niiden olevan lähellä toisiaan olevia vaihtoehtoja.

Ne eivät ratkaise samaa pääongelmaa.

LoRaWAN

• infrastruktuurin tukema LPWAN
• telemetriapainotteinen
• yhdyskäytävä- ja palvelinkeskeinen
• optimoitu skaalautuville laitemäärille

Mesh-järjestelmät

• hajautettu tai roolipohjainen solmuverkosto
• usein enemmän ihmiskäyttäjille tai lähiverkkoihin suuntautuneita
• enemmän vertais- tai monihyppyviestintää
• ei sama taustajärjestelmämalli

Jos yrität ymmärtää tätä eroa selkeämmin, laajempi protokollien vertailua käsittelevä artikkeli on sopiva oheislukemisto.

Näin päätät, sopiiko LoRaWAN sinulle

LoRaWAN on todennäköisesti oikea valinta, jos useimmat näistä väitteistä pitävät paikkansa:

• tarvitset pitkän kantaman viestintää
• hyötykuormat ovat pieniä
• laitteet ovat virrankulutuksen suhteen herkkiä
• käyttöönotto voi sisältää monia solmuja
• haluat jäsennellyn IoT-taustajärjestelmäarkkitehtuurin
• olet valmis käyttämään yhdyskäytäviä ja palvelinpuolen verkkologiikkaa
• välität standardoinnista ja yhteentoimivuudesta

LoRaWAN ei todennäköisesti ole paras valinta, jos:

• tarvitset suoratoistodataa
• tarvitset paikallisen vertaisverkkokeskustelun pääasiallisena käyttökokemuksena
• haluat mesh-verkon, jossa solmut välittävät liikennettä toistensa puolesta
• järjestelmäsi riippuu suuresta interaktiivisesta läpivirtauksesta

Lopputiivistelmä

Yksinkertaisin täsmällinen tapa ymmärtää LoRaWAN on tämä:

LoRaWAN on LoRa-radioteknologiaan perustuva standardoitu vähävirtaisen laajan alueen verkkojärjestelmä, joka on suunniteltu yhdistämään paristokäyttöiset IoT-laitteet taustajärjestelmien sovelluksiin pitkien etäisyyksien yli skaalautuvassa, turvallisessa ja infrastruktuurin tukemassa arkkitehtuurissa.

Siksi se on niin tärkeä nykyaikaisessa IoT:ssä.

Sen ei ole tarkoitus olla kaikkea. Sen tarkoitus on hoitaa yksi tehtäväluokka erittäin hyvin:

• pitkä kantama
• vähäinen virrankulutus
• pieni hyötykuorma
• skaalautuva mittaus ja telemetria

Kun ymmärrät tämän, LoRaWAN on paljon helpompi sijoittaa oikein arkkitehtuuripäätöksissäsi.