Sakernas internet: LoRaWAN, NB-IoT och LTE-M
Hur sakernas internet kopplar upp sensorer och mätare med LPWAN-teknik: LoRa/LoRaWAN i 868 MHz, NB-IoT och LTE-M i mobilnäten, wM-Bus på 169 MHz och 5G RedCap, med krav på batteritid, räckvidd och kostnad.
Innehåll
Sakernas internet (eng. Internet of Things, IoT) handlar om att koppla upp miljarder enkla saker: vattenmätare, parkeringssensorer, avfallsbehållare, larm, djurhalsband och jordfuktighetsgivare. De skickar små datamängder, sällan, och ska helst gå på samma batteri i tio år. Ett vanligt Wi-Fi eller 4G-modem passar dåligt, så en egen klass av radiotekniker har uppstått: LPWAN, low-power wide-area network. Artikeln förklarar principerna, de viktigaste teknikerna och hur de förhåller sig till svenska frekvenser.
Vad kräver sakernas internet?#
IoT-enheter delas grovt in i tre grupper efter vad de behöver:
- Massiv IoT (massive IoT): enormt många enheter som skickar små datamängder, med lång batteritid och låg kostnad. Här hör LPWAN hemma. Exempel: mätare och sensorer.
- Bredbands-IoT: högre hastigheter, till exempel videoövervakning och telematik i fordon. Här används LTE-M, 4G och 5G.
- Kritisk IoT: låg fördröjning och hög tillförlitlighet, till exempel industriautomation (se 5G NR).
För massiv IoT gäller fyra krav: lång batteritid (ofta 10 år eller mer), stor räckvidd och god täckning inomhus och i källare, låg kostnad per enhet och per abonnemang och många enheter per basstation. Det går att kombinera därför att datamängderna är små. Figur 1 visar hur teknikerna förhåller sig till varandra.
Batteritid: sovandet avgör#
En IoT-enhet sover nästan hela tiden. Därför bestäms batteritiden mest av vilande ström och hur ofta enheten vaknar, och bara delvis av sändarens effekt.
LoRa och LoRaWAN#
LoRa (long range) är ett modulationssätt, och LoRaWAN är det nätprotokoll som körs ovanpå. LoRa använder chirp spread spectrum (CSS): signalen är en tonsvep, en så kallad chirp, som sveper över hela kanalbredden (se spridningsspektrum). Informationen ligger i var i svepet symbolen börjar. Eftersom svepet sprids över hela kanalen kan mottagaren hitta signalen även när den ligger under bruset.
Spridningsfaktor: räckvidd mot hastighet#
Hur länge ett svep varar styrs av spridningsfaktorn (SF, 7 till 12). Symboltiden är
där är kanalbredden (oftast 125 kHz). För SF7 är ms, och för SF12 är den ms. Varje steg upp i SF fördubblar tiden i luften och halverar bithastigheten, men ger ca 2,5 dB bättre känslighet. Med 125 kHz kanalbredd ligger bithastigheten på ca 250 bit/s (SF12) till ca 5,5 kbit/s (SF7).1 Figur 2 visar sändningstiden för 20 byte data.
Arkitektur och nätverk#
I LoRaWAN skickar givarna sina meddelanden med radio till valfri gateway inom räckhåll. Gatewayerna är bara förmedlare: de skickar vidare alla paket över internet till en nätverksserver, som tar bort dubbletter, styr hastigheten (adaptiv datatakt, ADR) och skickar data vidare till applikationsservern. Meddelandena krypteras med AES-128 från givare till applikation. Strukturen kallas "star-of-stars", se figur 3. En användare kan bygga eget nät med några gateways, eller ansluta till ett publikt eller kommersiellt nät. Ett exempel på ett gemenskapsdrivet nät är The Things Network.
Enheterna delas in i klasser. I klass A, den vanligaste och sparsammaste, kan en enhet bara ta emot i två korta fönster efter att den själv sänt, och därför kommer kommandon från nätet med fördröjning. Klass B lägger till schemalagda mottagningsfönster, och klass C lyssnar nästan hela tiden och används för enheter med nätström.
Duty cycle: tiden i luften är begränsad#
LoRaWAN använder det europeiska 863–870 MHz-bandet för kortdistansradio. Standardkanalerna är 868,1, 868,3 och 868,5 MHz. I stället för att lyssna före sändning (se multipel access och duplex) begränsas sändarna av duty cycle: en andel av tiden de får sända, som i de mest använda delbanden är 1 %.2
Sigfox och liknande nät#
Sigfox var ett LPWAN-system med extremt smalbandiga signaler (ca 100 Hz bredd) i samma 868 MHz-band, med korta meddelanden på upp till 12 byte och ett begränsat antal meddelanden per dygn. Bolaget fick stora ekonomiska problem 2022 och verksamheten övertogs av ett annat bolag, så hur nätet ser ut i Sverige i dag bör kontrolleras. Liknande system finns i andra länder, till exempel Amazon Sidewalk i USA, som delar uppkoppling mellan konsumentenheter med hjälp av Bluetooth LE samt FSK och LoRa i 900 MHz-bandet.
NB-IoT och LTE-M#
Mobiloperatörerna tog fram egna LPWAN-tekniker i 3GPP Release 13 (2016), anpassade för att köra i det licensierade mobilspektrumet (se mobilbanden i Sverige). De bygger på LTE (se Så fungerar ett mobilnät) men är kraftigt förenklade.
NB-IoT (narrowband IoT) använder bara 180 kHz, motsvarande ett LTE-resursblock. Målet var 20 dB bättre täckning än GSM, alltså en maximal kopplingsförlust på 164 dB, vilket nås med upprepning av meddelanden.3 Hastigheten är några tiotal kbit/s, och enheten kan vila i månader med energisparlägena PSM och eDRX. NB-IoT passar dåligt för rörliga enheter och tjänster som kräver låg fördröjning. Tekniken kan köras på tre sätt (figur 4): inom en LTE-bärvåg (in-band), i LTE-bärvågens skyddsband (guard-band) eller på en egen 200 kHz-kanal (standalone), till exempel i spektrum som tidigare använts för GSM.
LTE-M (LTE for machines, Cat-M1) använder 1,4 MHz och når upp till ca 1 Mbit/s. Det stöder rörlighet (överlämning mellan celler), röst över LTE och låg fördröjning, vilket passar larm, fordon och bärbara enheter. Båda teknikerna är godkända som en del av 5G (massiv maskinkommunikation, mMTC).
Tabell 1. Jämförelse av LPWAN-tekniker. Värdena är typiska och beror på inställning och nät.
| Egenskap | LoRaWAN | NB-IoT | LTE-M |
|---|---|---|---|
| Spektrum | Tillståndsfritt, 863–870 MHz | Licensierat (operatör) | Licensierat (operatör) |
| Kanalbredd | 125 kHz (även 250, 500) | 180 kHz | 1,4 MHz |
| Datahastighet | ca 0,25–5,5 kbit/s | tiotal kbit/s | upp till ca 1 Mbit/s |
| Rörlighet | Begränsad | Begränsad | God |
| Eget nät möjligt | Ja | Nej | Nej |
| Begränsning | Duty cycle | Operatörens nät | Operatörens nät |
Mätare och wM-Bus på 169 MHz#
Fjärravläsning av vatten-, värme- och gasmätare kräver lång batteritid, ofta 10–15 år, och mätarna sitter i källare och skåp där radiosignalen dämpas. Wireless M-Bus (wM-Bus, EN 13757-4) är en europeisk standard för detta. Den har lägen i 868 MHz (S, T, C och R) och läget N i 169 MHz-bandet (ca 169,4–169,475 MHz) med smala 12,5 kHz-kanaler och låg hastighet.5 Eftersom 169 MHz har betydligt längre våglängd än 868 MHz ( m mot 0,35 m) dämpas signalen mindre och går lättare genom väggar och golv. Det är därför som bandet används för mätare som är svåra att nå.
5G RedCap och framtiden#
Mellan LPWAN och full 5G finns en lucka: bärbara enheter, videokameror och industrisensorer som behöver hundratals Mbit/s men inte flera Gbit/s. RedCap (reduced capability, 3GPP Release 17) är en förenklad 5G-enhetsklass med smalare kanalbredd (20 MHz i frekvensområde 1) och färre antenner, och därmed billigare och sparsammare än vanliga 5G-modem. Ett senare steg (eRedCap, Release 18) ger ännu enklare enheter. Se 5G NR. Via satellit kan NB-IoT och LTE-M även nå områden utan mobiltäckning (se Satellitkommunikation).
Kontrollfrågor#
Vilka fyra krav ställs på massiv IoT?
Lång batteritid, stor räckvidd (även inomhus), låg kostnad och många enheter per basstation. Datahastigheten är underordnad.
Vad händer med sändningstiden och räckvidden när spridningsfaktorn i LoRa höjs från SF7 till SF12?
Sändningstiden ökar kraftigt (ungefär en fördubbling per steg, totalt omkring 23 gånger) och hastigheten sjunker, men känsligheten förbättras med ca 14 dB (−123 till −137 dBm), vilket ger längre räckvidd.
Räkna ut symboltiden för SF10 med 125 kHz kanalbredd.
ms.
Varför begränsar duty cycle antalet meddelanden i 868 MHz-bandet? Hur många meddelanden à 1,32 s kan skickas per timme vid 1 %?
Duty cycle begränsar hur stor del av tiden en sändare får vara aktiv, så att många enheter kan dela bandet. Vid 1 % får sändaren sända 36 s per timme, vilket ger meddelanden.
Vad är skillnaden mellan NB-IoT och LTE-M?
NB-IoT använder 180 kHz, har lägst hastighet och bäst täckning, och stöder inte rörlighet särskilt bra. LTE-M använder 1,4 MHz, når upp till ca 1 Mbit/s och stöder överlämning mellan celler och röst.
Varför är 169 MHz ett bra band för fjärravläsning av mätare i källare?
Lägre frekvens ger längre våglängd, mindre dämpning och bättre genomträngning av väggar och golv än 868 MHz eller 2,4 GHz.
Varför blir en LoRa-sensors batteritid ofta bestämd av vilande ström snarare än av sändningen?
Sensorn sänder bara en bråkdel av en procent av tiden men är i viloläge hela tiden. Även några mikroampere vilande ström ger en större energiförbrukning över tid än de korta sändningarna.
-
LoRa Alliance, LoRaWAN Regional Parameters (RP002) och Semtech AN1200.13. Hastigheten 250 bit/s motsvarar SF12 och 5,47 kbit/s SF7 vid 125 kHz kanalbredd. Känsligheterna −123 dBm (SF7) och −137 dBm (SF12) är typiska värden i Semtechs datablad. ↩
-
CEPT/ECC, ERC Recommendation 70-03. Att duty cycle är 1 % i de mest använda delbanden i 863–870 MHz följer av den europeiska harmoniseringen. Svenska villkor anges av PTS i PTSFS 2025:1, som inte har lästs för artikeln. ↩↩
-
3GPP TR 45.820. Målet 164 dB jämförs med ca 144 dB för GSM. ↩
-
PTS och SVT, hämtat 2026-10-24. Tre, Telenor och Tele2 stängde 2G och 3G 2025-12-01. Telia har stängt 3G (2025) och behåller 2G till slutet av 2027. ↩
-
CEN, EN 13757-4. Frekvensintervallet 169,4–169,475 MHz för läge N är allmänt känt och bör kontrolleras mot PTS föreskrifter. ↩