LPWAN

LPWAN (inglise keeles Low-Power Wide-Area Network; kasutusel on ka lühend LPWA ehk Low Power Wide Area) on vähese energiatarbe ja laia ulatusega traadita sidevõrk, mis võimaldab seadmetel andmeid edastada vähese energiakuluga. Nutistu ehk nn asjade interneti võrgustiku laienemine vajab juhtmeta sidevõrku, mis võimaldab kasutada väikese energiatarbega odavaid ja autonoomseid sensoreid (näiteks patareitoitel seadmeid). LPWAN ongi töötatud välja sellise otstarbega sidevõrguks. Võrgutehnoloogiad, millel LPWAN-sidevõrk põhineb, võimaldavad edastada väikeseid andmehulki kahesuunaliselt seadmete vahel üle pika vahemaa, krüpteeritult ja väga vähese energiakuluga. Andmeedastuskiirus LPWAN-võrgus sõltub kasutatavast tehnoloogiast ja standardist, kuid on tüüpiliselt vahemikus 0,3–50 kbit/s kanali kohta.

LPWAN Eestis

Eesti esimene avalik LPWAN-võrk NORAnet avati 5. oktoobril 2016.

2018. aasta kevade seisuga on ainus avaliku LPWAN-sidevõrgu teenusepakkuja Eestis Levikom. NORAnet on Eesti esimene üleriigiline juhtmeta LPWAN-sidevõrk, mis põhineb LoRaWAN võrgutehnoloogial.

Kui 2016. aastal NORAnet avati, siis kattis see 55% Eesti territooriumist ja hõlmas kõiki maakonnakeskusi. Levikom opereerib võrku avatud võrgu ärimudeli kohaselt, ehk osutab võrgule juurdepääsu teenust, aga võrk on avatud ka arendajatele ja kolmandatele teenuseosutajatele ning rakenduste ja platvormide pakkujatele.

2017. aasta märtsis sõlmisid Telia Eesti AS ja Connected Baltics OÜ lepingu, millega sai Telia õiguse Sigfoxi tehnoloogia kasutamiseks. Esialgu koduklientidele Sigfoxi tehnoloogial põhinevaid teenuseid ei pakuta.

LPWAN, LoRaWAN, LoRa ja LoRa Alliance

LoRaWAN on rahvusvahelise mittetulundusliku assotsiatsiooni LoRa Alliance defineeritud sideprotokoll ja võrguarhitektuur, mis võimaldab LoRa tehnoloogiat kasutavatel seadmetel üksteisega üle LPWAN-võrgu suhelda. LoRa Alliance kuulub üle 400 liikme, teiste hulgas ka Levikom.

LoRa on patenteeritud traadita andmesidevõrgu tehnoloogia, mis võimaldab luua laia ulatusega ühendusi madala energiatarbe juures. LoRa tehnoloogia töötas välja esmalt Prantsusmaa ettevõte Cycleo, mille 2012. aastal omandas Semtech. Tehnoloogia koosneb põhimõtteliselt kahest osast: LoRa on füüsiline kiht (physical layer – riistvara ja selle juhtimise protseduurid) ja sideprotokoll ning võrguarhitektuur LoRaWAN (ülemised kihid).

LoRa Alliance standardiseerib LPWAN-tehnoloogiad ja haldab avatud LoRaWAN-standardit, et nutistu ja näiteks nutilinna ning muud selle valdkonna rakendused saaksid avalikkusele laialt kättesaadavaks ning oleks tagatud globaalne ühilduvus operaatorite võrkude, süsteemide ja seadmete vahel.

LPWAN-i eelised

LPWAN-sidevõrgul on mitmeid eeliseid alternatiivsete võrkude ees mitmesuguste seadmete, sensorite jms väikesemahulisel andmeedastusel:

• Võrk on laia ulatusega ja seega kättesaadav ka väljaspool tiheasustust: üks LoRa raadiotehnoloogial põhinev tugijaam suudab katta sadu ruutkilomeetreid
• Nii LoRaWAN, Sigfox, Symphony Link kui ka DASH7 võimaldavad LPWAN-sidevõrgus kahesuunalist andmeedastust, kuigi Sigfoxi kahesuunaline andmeedastus on piiratud
• LoRa tehnoloogiat kasutavad seadmed on väga väikese energiatarbega: välja on reklaamitud patarei/aku toitel seadmete tööperioodi kuni 10 aastat ühe laadimisega
• Üle LPWAN-võrgu info vahetamine on turvaline, kuna andmeside on krüpteeritud.
• Seadmete asukohta on võimalik tuvastada LoRaWAN-i puhul ilma GPS-i kasutamata. Sarnaselt GPS-iga saab LoRaWAN-i puhul andmete tugijaamadesse jõudmise ajaerinevuste põhjal seadmeid positsioneerida, kui seade vahetab andmeid vähemalt kolme tugijaamaga (mille asukoht on teada).

Kasutusalad

LPWAN-sidevõrgu mõned tüüpilised kasutusalad on näiteks:

• kaugloetavad arvestid: elektri-, gaasi- ja veearvestid
• põllumajanduses keskkonnatingimuste jälgimine, loomade jälgimine, niisutuse või kastmise süsteemid
• mitmesugune positsioneerimine alates väikestest esemetest kuni jalgrataste ja autodeni; samuti näiteks lemmikloomade positsioneerimine
• tervishoius: kantavad tervisenäitajaid jälgivad seadmed, nutiriided
• tööstuses: kütte, ventilatsiooni, saaste jälgimine
• nutilinna ja/või nutitranspordi lahendused: tänavavalgustuse ja parkimise reguleerimine, liikluse, teeolude jälgimine
• nutikodu lahendused: koduautomaatika, turvasüsteemid, temperatuuri- ja suitsuandurid

Milleks LPWAN ei sobi ehk piirangud

LPWAN ei sobi suurte andmehulkade edastamiseks. Näiteks pole mõtet LPWAN-võrgus püüda edastada muusika-, video- ja mahukamaid pildifaile, kuna andmeedastuse kiirus on LPWAN-võrgus madal mistahes standardi korral, samuti on mitmete standardite puhul piiratud andmepaketi maht (näiteks Sigfoxi puhul 12 baiti kasulikku infot). Lisaks on LoRaWAN-i puhul piiratud andmepakettide saatmise sagedus: Euroopas on töötsükkel (duty cycle) vaid 0,1–10% (enamikul sagedustel ja piirkondades 1%). Töötsükkel näitab protsentides raadiosaateseadme maksimaalset sisselülitatud aega ühel kandesagedusel ühe tunni suhtes. Seega saab LoRaWAN-i puhul saata tüüpiliselt vaid ühe sõnumi (andmepaketi) rohkem kui 5 minuti tagant ja LoRaWAN ei ole optimaalne selliste rakenduste jaoks, mis peavad pidevalt lühikese ajavahemiku jooksul andmeid edastama. Sellise vajaduse korral sobiks näiteks pigem Symphony Link, mille puhul töötsükkel ei ole limiteeritud (saavutatakse sel viisil, et enne andmeedastust "kuulatakse" sagedusi ja hüpatakse sellele sagedusele, mis parasjagu andmeedastuseks vaba on – Frequency Hopping Listen Before Talk). Kui andmeid ei ole vaja väga pika maa taha edastada, siis suuremate andmehulkade jaoks sobib näiteks Narrowband IoT standard, mis võimaldab mõnevõrra suuremaid andmeedastuskiirusi.

LPWAN standardid, tehnoloogiad ja teenusepakkujad mujal maailmas

• LoRa tehnoloogiat kasutavad veel Haystack Technologies (DASH7 kommunikatsioonistandard) ja Symphony Link. LoRa on kõige laiemalt levinud LPWAN-tehnoloogia, olles kasutusele võetud juba 43 riigis (2018. aasta seisuga).

Ülikitsasriba LPWAN kasutuses:

• SigFox tehnoloogia Prantsuse firmalt Sigfox. Eeliseks seadmete (raadiomoodulite) madalam hind võrreldes LoRa ja Narrowband IoT tehnoloogiatega ning suur ulatus: näiteks Belgias on kogu riigi katmiseks vaja vaid seitset tugijaama. Sigfox on kasutusel 31 riigis (2018. aasta seisuga).
• Telensa
• Nwave tehnoloogia, mis on kasutusel põhiliselt parkimise ja targa linna lahendustes.
• Narrowband IoT (NB-IoT) standard, mis on disainitud eelkõige siseruumides levimiseks, vähese raha- ja energiakulu ning paljude võrku ühendatud seadmetega.
• Weightless LPWAN standardite kogum, mida haldab Weightless SIG (Special Interest Group). Siia kuuluvad: Weightless-P, Weightless-N ja Weightless-W. Weightless-P on seni edukaim.

Eri standardite ja tehnoloogiate tehnilisi andmeid

Standard/tehnoloogia	Sagedusriba	Ulatus	Andmepaketi maht	Andmeedastuskiirus (üleslaadimine/allalaadimine)	Haldaja
LoRaWAN	433/868/780/915 MHz	2–5 km (tiheasustus), 15 km (hajaasustus)	243 baiti kasulikku infot	EL: 300 bit/s kuni 50 kbit/s / 300 bit/s kuni 50 kbit/s, USA: 900 bit/s kuni 100 kbit/s või 900 bit/s kuni 100 kbit/s	LoRa Alliance
Sigfox	868/902 MHz	3–10 km (tiheasustus), 30–50 km (hajaasustus)	12 baiti kasulikku infot	100 bit/s, kuni 140 sõnumit päevas tunnis (EL) kuni 6 sõnumit mahuga 12 baiti	SigFox
DASH7 Alliance Protocol 1.x	433/868/915 MHz	0–5 km	kuni 256 baiti/pakett	9,6 kbit/s, 55,55 kbit/s või 166.667 kbit/s / 9,6 kbit/s, 55,55 kbit/s või 166.667 kbit/s	DASH7 Alliance
Nwave	Sub-1 GHz	10 km (tiheasustus), 20–30 km (hajaasustus)	12 baiti päis, 2–20 baiti kasulikku infot	100 bit/s/-	Weightless SIG
Weightless-P	Sub-1 GHz	2 km (tiheasustus)	minimaalselt 10 baiti	200 bit/s kuni 100 kbit/s / 200 bit/s kuni 100 kbit/s	Weightless SIG
Narrowband IoT	14 sagedusriba, millest 10 on sub-1 GHz	1 km (tiheasustus), 10 km (hajaasustus)	1600 baiti kasulikku infot	max andmeedastuskiirus 200 kbit/s	3GPP

Narrowband IoT standard on veel testimisfaasis (Euroopas), spetsifikatsioonid avaldati alles juunis 2016. NB-IoT standard on teistest mõnevõrra erinev nii suhteliselt väiksema ulatuse (välja töötatud eelkõige siseruumides levimiseks) kui ka suurema andmeedastuskiiruse poolest. Samuti kasutatakse NB-IoT puhul andmete krüpteerimiseks AES asemel LTE krüpteeringut. Võrreldes Sigfoxi ja LoRa'ga on seadmete energiakulu Narrowband IoT puhul küll suurem, kuid see-eest on andmeedastuskiirus ja andmepaketi maht samuti suuremad ja teenusekvaliteet on kõrgem. NB-IoT saab eksisteerida GSM ja LTE kõrval, kuna on toetatud kõigi peamiste mobiilside seadmete tootjate ja teenusepakkujate poolt (kuigi NB-IoT tehnoloogia ise on palju lihtsakoelisem kui GSM/GPRS). Narrowband IoT sideprotokoll põhineb LTE protokollil ja on mõnes mõttes justkui minimeeritud variant sellest.

Turvalisus

LoRaWAN-võrgutehnoloogia kasutab kaheastmelist turvalisust. Võrgu turvalahendus tagab, et ainult autenditud seadmed saavad ligipääsu võrgule ja rakenduse turvalahendus tagab, et võrguoperaator (või kolmandad osapooled) ei saa ligipääsu kasutaja rakenduse andmetele.

Kasutusel on kolm erinevat 128-bitist turvavõtit (AES-128 algoritm) andmeside krüpteerimiseks. Ka Symphony Link, DASH7 ja Sigfox kasutavad AES-i andmeside krüpteerimiseks.

Narrowband IoT standardi puhul kasutatakse andmeside krüpteerimiseks LTE krüpteeringut.

Võrgutehnoloogia variante LPWAN-sidevõrgus

Sõltuvalt kasutusotstarbest varieeruvad sobilikumad võrgutehnoloogiad LPWAN-võrgus, eeldusel et antud piirkonnas on kõik saadaval. Järgnevalt on välja toodud mõned näited:

• Energiatarbe mõõtmine – andmeedastus peaks olema tüüpiliselt sagedane ja väikese viivitusega, andmeedastuskiirus võiks olla suhteliselt kõrge, mõõteseade ei pea olema väikese energiatarbega, kuna saab olla ühenduses vooluvõrguga. Selliste nõuete korral Sigfox ei ole sobilik, kuna andmepaketi maht ja andmeedastuse kiirus ning sagedus on liialt piiratud. Paremini sobiksid sellise rakenduse jaoks LoRa ja Narrowband IoT ning kuna viimane võimaldab suuremat andmeedastuskiirust ja -sagedust ning voolutarve pole siin oluline, oleks Narrowband IoT sobilikem.
• Nutimaja – vajab mitmesuguseid sensoreid (näiteks temperatuuri, niiskustaseme, CO₂ sensorid), mis võiksid olla odavad ja väikese energiatarbega (aku/patareitoitel). Sensorid ei pea edastama pidevalt ja kuigi suuri andmehulki. Seega oleks siin sobilikum kasutada Sigfox või LoRa tehnoloogiaid.
• Nutifarm – vajab samuti mitmesuguseid sensoreid (temperatuuri, niiskustaseme, aluselisuse jne sensorid), mis peaksid andmeid edastama kuni paar korda tunni jooksul (sest keskkonnatingimused ei muutu nii kiiresti). Madal andmeedastussagedus soosib siin Sigfoxi ja LoRa tehnoloogiaid, eriti kuna nende ulatus on oluliselt suurem Narrowband IoT omast, mis maapiirkondades ei pruugi üldse kättesaadav olla. Samuti on vajalikud raadiomoodulid Sigfoxi ja LoRa puhul soodsamad kui Narrowband IoT omad.