< Kennis
LoRa vs. LTE Cat-M
Twee veelgebruikte IoT netwerken zijn zijn LoRa (ook wel bekend als LoRAWAN) en LTE Cat-M (ook wel bekend als LTE-M). In dit artikel nemen we de voordelen, nadelen en verschillen tussen de twee netwerken met je door.
Er zijn meerdere netwerken, ook voor IoT
Internet of Things oplossingen gebruiken altijd een netwerkverbinding om informatie die verzameld is vanuit de fysieke wereld, naar de digitale wereld te brengen. Tegenwoordig bestaan er draadloze verbindingen in allerlei soorten en maten. Van complete professionele netwerken (4G, 5G, Bedrijfs of Campus Wifi), tot point-to-point verbindingen zoals bijvoorbeeld de bluetooth verbinding tussen je slimme sporthorloge en je telefoon. Iedere verbinding heeft z’n eigen set van voor- en nadelen. Daarom kan iedere oplossing gebruik maken van een ander type verbinding. Als gebruiker merk je hier vaak niet zoveel van; je ziet enkel de nieuwste informatie op een beeldscherm.
Afbeelding 1: Bedraad netwerk
Wat is een IoT netwerk protocol?
Er zijn veel netwerken waarvan je gebruik kunt maken voor je IoT oplossingen. Waarschijnlijk ben je wel bekend met bijvoorbeeld WiFi of 4G. Tegenwoordig zijn er steeds meer netwerken die toegespitst zijn op IoT. Hoe een verbinding of een netwerk hoort te werken, wordt door de bedenkers en beheerders ervan samengevat in een protocol. Hierin kan je terugvinden op welke frequentie de radiosignalen actief zijn, of op welke manier en hoe snel er data verstuurd kan worden. Twee van de meest gebruikte en intussen ook volwassen netwerken voor IoT zijn LoRa en LTE-M. De reden dat deze netwerken vaak gebruikt worden is omdat bij beide technologieën geprobeerd wordt om zo “low-power” als mogelijk te zijn. Dit is met name voor IoT oplossingen met een beperkte energievoorraad belangrijk is, zoals bijvoorbeeld batterijen. In dit artikel leggen we uit wat de technieken achter deze netwerken zijn, en wat de onderlinge voordelen tussen deze netwerken zijn.
Afbeelding 2: Draadloos netwerk
LoRaWan
Wat is LoRaWAN?
LoRa staat voor “Long Range” en is een draadloos netwerk protocol, dat in de oorsprong is bedacht voor low power IoT toepassingen. Het valt onder het type “Low Power Wide Area Networks” (LPWAN). Dat zijn netwerken waarbij de kern eigenschap is dat er met zeer kleine hoeveelheden energie, over lange afstanden informatie gecommuniceerd kan worden. Ideaal dus, voor spullen die op afgelegen of geïsoleerde plekken staan of waar je niets aan de installatie wilt aanpassen. Denk hierbij aan dingen als lantaarnpalen, dijken, kademuren of vuilnisbakken.
In gebruik lijkt het versturen van LoRa berichten heel erg op SMS verkeer. Zolang er niets wordt gestuurd, is de radiomodule ook niet actief. Anders dan bij SMS hoeft daarnaast de module geen verbinding op te zetten of te onderhouden. Zodra een bericht wordt verstuurd, wordt de radiomodule actief en zendt hij op de juiste frequentie met de juiste netwerksleutels het bericht uit. Omliggende gateways vangen dit signaal dan op en verwerken het richting het internet en uiteindelijk het platform waar de sensor mee verbonden is.
Grootste voordelen van LoRa
De belangrijkste karakteristieken en voordelen zijn het extreem energiezuinige verbruik en de lange afstand die een bericht kan afleggen van van device tot netwerk. Daarnaast zijn er de hardware kosten. Een gemiddelde LoRa module alleen kost zo’n €5,- per stuk in grote aantallen. De module is ook zeer klein (ter grootte van een vingernagel) waardoor het uiteindelijke product ook relatief klein kan zijn. Zie afbeelding 3.
Afbeelding 3: Sensor device met LoRa module ter grootte van een vingernagel
“Dent IoT ontwerpt veel oplossingen met deze modules. Deze wordt dan op een printplaat geplaatst en er wordt software ontwikkeld die de module aanstuurt. De kosten van het uiteindelijke losse sensor device zal dus hoger liggen, echter is de module duidelijk het duurste component.”
Dankzij het lage energieverbruik, kunnen er sensoren worden gemaakt die op 2 AA batterijen jaren lang (~3-5) ieder uur informatie kunnen versturen. (afbeelding 4)
Hoe lang het precies werkt, hangt van nog een aantal andere dingen af. Zoals de dekking van het netwerk, de antenne van de sensor zelf en de hoeveelheid informatie die per bericht wordt verstuurd.
Een ander groot voordeel is de veiligheid van het systeem. Veel netwerken die we kennen, zoals WiFi en 4G, hebben de eigenschap dat je een directe verbinding met het internet hebt. Dit is je IP (internet protocol) verbinding. Je kunt hiermee websites bezoeken en informatie opvragen. Het LoRa netwerk zelf, staat los van “het internet”. Pas als de berichten op het netwerk zijn ontvangen, wordt het via het internet doorgestuurd naar de digitale applicatie of website.
Hierdoor zijn LoRa modules zelf niet kwetsbaar voor “typische aanvallen” van hacker zoals een DDoS of man in the middle aanval. Binnen het LoRa protocol zijn er op diverse lagen versleutelingen toegepast, waardoor er niet kan worden meegekeken of kan worden nagedaan. Sensoren verversen zelf periodiek en veilig hun netwerksleutels, zodat er nooit een permanente kwetsbaarheid ontstaat.
Bij een professioneel aangelegd en beheerd netwerk, kan iedere module ook gelokaliseerd worden in het netwerk. Op die manier weet je dus waar je bent, zonder dat je daar een energie slurpende GPS of WiFi module voor nodig hebt. Mede daarom zijn er vrij veel trackers op LoRa tegenwoordig verkrijgbaar.
Aanbieders van LoRa
LoRa is afhankelijk van een LoRaWAN (Wide area network). In Nederland zijn er verschillende aanbieders: het KPN LoRaWAN, “The Things Industries LoRaWAN’s”, “The Things Network” zelf en diverse private LoRa netwerken. Het verschil tussen deze netwerken is of ze professioneel beheerd worden of niet. Iedereen kan zelf een LoRa gateway en passende sensoren kopen en deze aansluiten. Dit kan onder andere omdat de radio frequentie waarop het LoRaWAN protocol werkt, niet onder een licentie valt.
Nadelen van LoRa
Uiteraard zijn er ook nadelige kanten aan het gebruik van LoRa. In Nederland zijn er twee regels voor gebruik die door het Agentschap Telecom worden opgelegd en gehandhaafd. De eerste regel is dat iedere module niet te vaak radio signalen mag versturen. Dit is de zogenaamde duty cycle beperking. Daarnaast mag de intensiteit van je radiosignaal niet te sterk zijn (maximaal 20 mW).
Dan is er de hoeveelheid data. Deze is bij LoRa zeer klein, namelijk zo’n 54 Bytes. Dat is evenveel als een sms bericht met 50 letters of cijfers. Dit hoeft geen probleem te zijn, zolang je enkel wat sensor informatie of locaties wilt doorsturen. Maar je kunt er geen menselijke taal mee versturen. Het werkt zelfs beter als de berichtjes zo klein mogelijk zijn. Dan gaat het versturen sneller en kost het minder stroom.
Afbeelding 3: Stroomverbruik van 1 LoRa bericht (bij 4,2V). De data is verzameld met behulp van Multisensor.
Afbeelding 4: Een typische batterij voor LTE en LoRa
LTE Cat-M
Wat is LTE Cat-M?
LTE is vaker bekend onder de namen 4G en 5G. Dit ken je als de netwerken waarmee je vooral sneller kunt streamen en scrollen op je telefoon. LTE, of “Long Term Evolution”, staat voor een hele reeks aan steeds sneller wordende netwerk protocollen op basis van steeds krachtigere hardware. Naast dat deze verbindingen steeds sneller worden, komen er ook verbindingen die dus heel zuinig kunnen zijn, en werken met dezelfde radiomasten, antennes en netwerken. Dit kan omdat het versturen van een klein beetje informatie snel en efficiënt kan gebeuren, zonder dat je de hele netwerkmogelijkheden ervoor nodig hebt.
LTE Cat-M of LTE-M komt eigenlijk van LTE-Machine Type Communication (LTE-MTC, afgekort LTE-M). Bedoelt om apparaten met apparaten te laten praten, zonder dat daar een mens tussen zit. Uitermate handig voor industriële oplossingen, maar dus ook steeds meer voor IoT. Je voegt dus een energiezuinige internetverbinding toe aan een object, en stuurt dan informatie van de sensoren, direct naar een website of database.
Grootste voordelen van LTE-M
LTE-M biedt zeer goede dekking, heeft een hoge datasnelheid en kan dus energiezuinig worden ingesteld. Dit maakt het interessant voor toepassingen die op een batterij werken. Daarnaast is het ook meer kosten efficiënt vergeleken met normale 4G hardware. Je gebruikt het voor machine-machine toepassingen, dus je verstuurd veelal versleutelde technische informatie, daardoor is de hoeveelheid data compact. Hierdoor blijft je dataverbruik laag: het gaat vaak over MB’s in plaats van GB’s.
Andere pluspunten zijn dat er roaming afspraken zijn met buurlanden en dat er internationaal vrijwel in ieder land LTE-M of NB-IoT dekking is. Ook kan er spraak over de LTE-M verbinding gestuurd worden en kunnen traditionele SMS berichten worden verstuurd.
“Dent heeft bij verschillende machine to machine (M2M) producten gebruik gemaakt van de wake-on-sms functie. Je kan dan een SMS sturen naar een bepaald nummer, deze maakt het device dan wakker, waarop het bepaalde taken uitvoert, waarna het weer gaat slapen. Best handig, toch? Hiervoor moet het device wel altijd “met 1 oog open slapen”, wat dus een klein beetje stroom verbruikt. ”
Afhankelijk van de keuze voor een type module kan je ook een fallback hebben naar andere netwerken zoals NB-IoT en 2G. Het voordeel hiervan is dat jouw product op meer locaties wereldwijd netwerk connectie kan krijgen.
Nadelen van LTE-M
Ondanks dat LTE-M als een energiezuinige techniek wordt gepromoot, verbruikt de module toch nog behoorlijk wat stroom zolang er een verbinding met het netwerk is en er data wordt verstuurd. (zie afbeelding 6)
Het is zeker een keer zo zuinig als normale 4G, maar je hebt alsnog flinke batterijen nodig als je vaak wilt sturen en langer dan 1 jaar mee wilt gaan. Een goed bruikbare batterij is een 26650 formaat batterij. (iets groter dan een flinke wijnkurk, zie afbeelding 4)
Het stroomverbuik is daarnaast afhankelijk van het interval waarmee je zend. Je kunt er voor kiezen om de module helemaal uit te schakelen, of om het in slaaptstand te laten zeten. Het opnieuw verbinden na uitschakelen kost een bepaalde hoeveelheid stroom, maar het continue in slaap houden en periodiek wakker maken ook. Het optimum van uitschakelen en inschakelen ligt rond de een keer per dag. Wil je vaker data ontvangen dan dat, dat kan je beter voor de zogeheten Power save mode (de slaapstand met het periodiek wakker maken) gaan. Wil je minder dan 1 keer per dag of enkel bij een bepaalde gebeurtenis, dan kan je beter alles uitschakelen.
Een veel gehoorde wens voor IoT devices is dat ze klein, handzaam en praktisch ontworpen zijn. LTE modules zijn momenteel vaak nog vrij groot in omvang, en je hebt aardig wat aanvullende componenten nodig om een volledig sensor device te maken. Écht klein, wordt een LTE-M device dus niet. Vergeet ook niet de eerder genoemde batterij ter grootte van een wijnkurk. En hoe groter de antenne, hoe beter het bereik. (zie afbeelding 5)
Afbeelding 5: LTE Cat-M device met module ter grootte van postzegel
Afbeelding 6: Stroomverbruik van LTE connectie en bericht (bij 4,2V). De data is verzameld met behulp van Multisensor.
Conclusie: LTE-M en LoRa
LTE-M en LoRa zijn twee totaal verschillende technieken, die een overeenkomst hebben in hoe ze worden toegepast. Beide netwerken zijn energiezuinig en draadloos, en sturen enkel sensor- en machine informatie door. De keuze kan het best gebaseerd worden op waar je jouw oplossing wilt implementeren, en eisen aan stroomverbruik.
Wanneer stroomverbruik je belangrijkste ontwerpeis is, dan moet je voor LoRaWAN gaan. Als internationaal gebruik je belangrijkste eis is, ga dan voor LTE-M. Zie afbeelding 7 voor een vergelijking in stroomverbruik.
Natuurlijk zijn er naast LoRa en LTE-M meer netwerkprotocollen die je kunt gebruiken voor jouw IoT oplossing. Wil je meer ondersteuning in het maken van de juiste keuze? Neem contact op.
Afbeelding 7: Vergelijking van stroomverbruik over de tijd van LoRa vs LTE Cat-M. De gebruikte spanning is bij beide grafieken gelijk (4,2V). De data is verzameld met behulp van Multisensor.
Volg de ontwikkelingen van Dent IoT
Schrijf je in voor de nieuwsbrief en ontvang elke maand een email met de nieuwe kennis en ontwikkelingen van Dent IoT
Multisensor: Een blauwdruk voor snelheid
In veel projecten van Dent IoT Engineering gebruiken we Multisensor als startpunt, ook voor het maken van oplossingen op maat. Met zijn 7 verschillende sensoren, LoRa en Bluetooth zorgt Multisensor dat de meeste IoT cases gerealiseerd kunnen worden. Extra benodigde sensoren kunnen eenvoudig bevestigd worden, en aanvullende stukken code kunnen eenvoudig geupload worden, zodat ook gecompliceerde uitdagingen snel getackeld kunnen worden. Meer weten? Neem contact op!
Neem contact opMeer over Multisensor
Nederlands 
English