LPWAN-technologieën: Welke is het beste voor uw IoT-toepassing?

In dit artikel bespreken we hoe je een geschikte Breedbandnetwerk met laag stroomverbruik (LPWAN)-technologie voor een massale Internet of Things (IoT)-toepassing. LPWAN IoT-netwerken worden populair vanwege hun lange reikwijdte en lage kosten. Hiervoor zullen we kort ingaan op de drijfveren van LPWAN en de opkomende populariteit ervan. Daarna vergelijken we kort de belangrijkste LPWAN-technologieën op basis van hun specificaties en toepassingen. 

Waarom is LPWAN populair? 

LPWAN is populair geworden door de vooruitgang van massale IoT-toepassingen die een groot bereik hebben. De populariteit van LPWAN is echter niet alleen te danken aan het grote bereik, maar ook aan andere redenen. De belangrijkste redenen voor de opkomst van LPWAN kunnen als volgt worden geïdentificeerd: 

• Protocollen zoals ZigBee en BLE zijn niet geschikt voor gebruik op lange afstand 
• Cellulaire langeafstandscommunicatie zoals 4G-LTE en 3G verbruikten buitensporig veel energie ondanks hun goede dekking 
• Het uitrollen van communicatie over een groot bereik was relatief duur.

Daarom gaven de bovenstaande redenen aanleiding tot de LPWAN-technologieën die een grote dekking over een groot bereik hadden en tegelijkertijd weinig energie verbruikten voor de werking met lage apparaatkosten. Deze factoren waren cruciaal bij het realiseren van grootschalige IoT-toepassingen zoals Smart Cities en slimme landbouwtoepassingen. Er wordt ook geschat dat er steeds meer op LPWAN-gebaseerde IoT-toepassingen zullen verschijnen in de industrie, waar 1 op de 4 Industriële IoT-toepassingen (IIoT) LPWAN-gebaseerd zal zijn tegen 2025.  

Dienovereenkomstig kunnen we zien dat een groot werkingsbereik tot 15 km in een landelijke omgeving en een laag stroomverbruik, wat leidt tot een levensduur van het apparaat tot 10 jaar en een lage complexiteit van het apparaat, wat leidt tot lage apparaatkosten, de belangrijkste drijfveren zijn voor de populariteit van de LPWAN-gebaseerde IoT-toepassingen. 

Technische vergelijking van verschillende LPWAN-opties 

 Voordat we ingaan op de verschillende LPWAN-opties, kunnen we LPWAN-technologieën onderverdelen in twee verschillende categorieën, namelijk: 

• LPWAN onder licentie: Dit zijn LPWAN-technologieën die zijn gebaseerd op het openbare cellulaire frequentiespectrum. Voorbeelden van LPWAN onder licentie zijn; NB-IoT en LTE-M. 
• LPWAN zonder licentie: Dit zijn LPAN-technologieën gebaseerd op Frequentiespectrum zonder vergunning. Voorbeelden van LPWAN zonder licentie zijn; LoRaWAN en Sigfox. 

De keuze tussen LPWAN met of zonder licentie is afhankelijk van de vereisten van de IoT-toepassing, zoals betrouwbaarheid, beveiliging en verwachte mobiliteit van het hele systeem. Nu we een basiskennis hebben van de verschillende soorten LPWAN-technologieën, kunnen we enkele LPWAN-technologieën onderzoeken. 

LoRaWAN is een bekende en opkomende LPWAN-optie, die het mogelijk maakt om apparaten die op batterijen werken op lange afstand te gebruiken. Een interessant kenmerk van LoRaWAN-apparaten is hun lagere complexiteit, wat lagere apparaatkosten oplevert. Het is gebaseerd op een niet-gelicentieerd frequentiespectrum en is in staat tot bidirectionele commcommunicatie, met een goede immuniteit voor interferentie. Door de mogelijkheid om privé-netwerken te ontwikkelen onderscheidt LoRaWAN zich van de andere LPWAN-opties die we later in dit artikel zullen bespreken. 

Sigfox is een smalbandtechnologie, ontwikkeld door een startup in Frankrijk, die het meest geschikt is voor toepassingen met een lage bandbreedte en meer aandacht voor energieverbruik. Net als LoRaWAN werkt Sigfox in een niet-gelicentieerd frequentiespectrum, maar het heeft beperkte bidirectionele communicatiemogelijkheden in vergelijking met LoRaWAN. Tot slot wordt Sigfox aangepast aan IoT-toepassingen in Noord-Amerika en Europa en breidt het zich momenteel uit naar regio's als Azië. 

NB-IoT is echter een gelicentieerd LPWAN, dat werkt in het cellulaire frequentiespectrum. Het kan worden beschouwd als het antwoord van aanbieders van cellulaire netwerken op de opkomst van IoT-toepassingen. Het is ontwikkeld bovenop het bestaande cellulaire netwerk, om lage bandbreedte, diepe dekking en hoog spectrumefficiënte IoT-toepassingen mogelijk te maken. Ook LTE-M is gebaseerd op gelicentieerd cellulair frequentiespectrum. In vergelijking met NB-IoT heeft LTE-M een verbeterde bandbreedte en een hoge veiligheid. 

LPWAN-optie gebaseerd op IoT-functies 

Laten we nu onze LPWAN-opties vergelijken op basis van enkele kritieke IoT-kenmerken die belangrijk zijn voor onze IoT-toepassingen. Dit zijn enkele van de belangrijkste vereisten voor veel IoT-toepassingen in het algemeen.  

• Kwaliteit van de dienstverlening: Quality of Service (QoS) verwijst naar de hoge gegevensontvangst met een goede immunity voor interferentie als gevolg van externe factoren en de mogelijkheid om tegemoet te komen aan verschillende niveaus van gegevensvereisten van eindgebruikers. LoRaWAN en Sigfox kunnen interferentie in lawaaierige omgevingen aan, maar ze gebruiken asynchrone communicatieprotocollen. NB-IoT maakt daarentegen gebruik van LTE-gebaseerde synchrone commcommunicatieprotocollen, waardoor de beschikbaarheid toeneemt en het systeem optimaal is voor QoS-diensten. Dit gaat echter gepaard met implementatiekosten. Daarom is NB-IoT de beste optie voor IoT-toepassingen die optimale QoS vereisen. 

•  Mobiliteit: Dit verwijst naar de mogelijkheid om gegevens te verzenden naar eindknooppunten in een netwerk die met hoge snelheid bewegen. LoRaWAN en Sigfox zijn weliswaar in staat om te co1TP14communiceren over lange afstanden, maar ze zijn niet in staat tot handover-procedures, wat inherent mogelijk is in NB-IoT en LTE-M vanwege het gebruik van cellulair frequentiespectrum en bestaande cellulaire infrastructuur. 

• Kosten: Kosten zijn een belangrijke factor waarmee rekening moet worden gehouden bij het ontwikkelen van IoT-toepassingen. Bij massale IoT-toepassingen kan dit worden geëvalueerd aan de hand van drie verschillende hoofdcomponenten, namelijk: 
  1. Spectrumkosten 
  2. Inzetkosten 
  3. Kosten apparaat 

In termen van spectrumkosten hebben zowel LoRaWAN als Sigfox natuurlijk geen extra spectrumkosten omdat ze gebruikmaken van vrij beschikbaar licentieloos frequentiespectrum. Zowel NB-IoT als LTE-M maken echter gebruik van het vergunningsfrequentiespectrum en moeten dus kosten maken om frequentiespectrum te kopen van de netwerkexploitant of van de netwerkregulering van die regio. Nogmaals, in termen van implementatiekosten hebben LoRaWAN en Sigfox lage implementatiekosten in vergelijking met NB-IoT en LTE-M. Sigfox zou de laagste apparaatkosten hebben in vergelijking met NB-IoT en LTE-M. Sigfox zou de laagste apparaatkosten hebben in vergelijking met LoRaWAN, terwijl de apparaatkosten voor NB-IoT meer dan $10 van het bereik kunnen zijn. 

• Levensduur van de batterij: Alle LPWAN-technologieën bevinden zich in een inactieve toestand wanneer ze geen gegevens over het netwerk verzenden. Technologieën zoals NB-IoT gebruiken echter synchrone commcommunicatieprotocollen die extra energie vereisen voor het initialiseren van commcommunicatie. Daarom zijn Sigfox- en LoRaWAN klasse A-apparaten de beste opties voor toepassingen die een goede batterijlevensduur en prestaties vereisen. 

• Werkingsbereik: LoRaWAN zou het laagste afstandsbereik hebben van 12-14 km bij LOS-werking, terwijl Sigfox een bereik van 15-17 km zou hebben. NB-IoT zou echter een bereik van 20-22 km hebben door het gebruik van bestaande cellulaire infrastructuur. LTE-M zou echter een bereik hebben dat beperkt wordt door de 4G-LTE-dekking in de regio. 

• Beveiliging: In termen van netwerkbeveiliging biedt LTE-M de beste beveiligingsfuncties in vergelijking met andere LPWAN-technologieën. 

LPWAN-optie gebaseerd op IoT-toepassing 

Hoewel verschillende factoren die we tot nu toe hebben bekeken ons helpen bij het bepalen van de haalbaarheid van een bepaalde LPWAN-technologie boven andere, is het een moeilijke beslissing om te nemen als het gaat om een specifieke IoT-toepassing. Daarom is het de moeite waard om IoT-toepassingen te onderzoeken en te bepalen welke LPWAN-technologie het beste past. 

• Elektrisch meten 

Elektrisch meten vereist hogere gegevenssnelheden en goede latentieprestaties. Als het gaat om de levensduur van de batterij, kunnen deze toepassingen ook rechtstreeks op het elektriciteitsnet worden aangesloten in plaats van op batterijen te werken. Aangezien LoRaWAN en Sigfox hoge latency en lage datasnelheden hebben, kunnen we vertrouwen op NB-IoT, dat betrouwbaarder is en minder latent, om dit soort toepassingen voor elektrisch meten te realiseren. 

• Slimme landbouw 

In slimme landbouw moeten we apparaten realiseren die op batterijen werken en een groot bereik hebben. Bovendien moeten deze toepassingen betaalbaar zijn voor de meeste boeren en landbouwbedrijven. Daarom zijn de kosten een kritieke factor. Gezien deze factoren zou onze immijdelijke optie voor deze toepassingen LoRaWAN of Sigfox zijn. 

• Slim bouwen 

Deze omvatten het monitoren van de temperatuur van het gebouw, de luchtvochtigheid en het monitoren van andere slimme apparaten. Daarom is het niet nodig om deze informatie continu te bewaken en zouden we apparaten hebben die op batterijen werken. Dit helpt ons om onze opties te beperken tot LoRaWAN en Sigfox voor dit soort IoT-toepassingen. 

• Productie- en automatiseringsindustrie  

Dit omvat het bewaken van de vitale functies van machines en het nauwkeurig besturen ervan. Daarom hebben we voor deze toepassingen frequente monitoring en goede QoS nodig. Dit maakt NB-IoT en LTE-M de beste opties om aan deze eisen te voldoen. LTE-M kan worden gebruikt als we ons meer zorgen maken over de veiligheid. 

Conclusie 

In dit artikel hebben we kort de verschillende beschikbare opties besproken om massale IoT-toepassingen te realiseren. Concluderend kunnen we stellen dat de beste optie een compromis is van onze vereisten, en dat deze varieert voor verschillende toepassingen.