24 nov. 2020
7 minuten
LoRa is de langeafstandskampioen onder de draadloze communicatietechnologieën: zet een LoRa-ga-teway op je dak en je kan vele kilometers overbruggen. Hang er een weerballon of satelliet aan en landsgrenzen vervagen. En dat terwijl het nauwelijks energie kost. Dat geldt ook voor de datakosten. LoRa maakt niet voor niets gebruik van de licentievrije sub-GHz-banden. Helaas is er zoals altijd een prijskaartje. Die zit hem in de datalimiet opgelegd door de natuur- en overheidswetten.
Door: Liam van Koert
Zoals wel vaker het geval bij nieuwe communicatiestandaarden, begint ook ons LoRa-verhaal bij een chipfabrikant. Nou ja, bijna dan. Want voordat Semtech in 2012 het Franse Cycleo voor 5 miljoen dollar kon overnemen, moesten drie Franse techneuten eerst een disruptieve gedachte dusdanig succesvol uitwerken, dat de chipfabrikant uit Silicon Valley moeilijk anders kon. Hun idee? ‘Chirp Spread Spectrum’-modulatie (CSS) gebruiken voor het over lange afstanden verzenden van data. Doel hierbij was het draadloos communicatief maken van ver gelegen elektriciteits-, gas- en watermeters. Dat zou de energiesector volgens de heren flink op zijn kop kunnen zetten.
Nu was CSS verre van nieuw. Ook in 2010 – het jaar waarin Nicolas Sornin, Olivier Seller en François Sforza hun bedrijf oprichtten – werd ‘chirpen’ al veelvuldig in de maritieme wereld gebruikt in sonar en in de luchtvaart in radar. Ook in het dierenrijk was ‘chirpen’, dat zich het beste als tjilpen laat vertalen, al jaren een verdienstelijke manier van communiceren. Denk aan vogels, vleermuizen, maar ook dolfijnen. Toch had tot op dat moment nog niemand gepoogd de modulatietechniek in te zetten voor dataoverdracht. Voor digitale communicatie was er immers al ‘Frequency Shift Keying’ (FSK). En waarom zou je veranderen wat werkt?
Het oude ‘tjilpen’ op La Gomera. Foto: Gouvernement des Canaries, 2008
Eigen ‘tjilptaal’ voor lange afstanden
Misschien is de vergelijking met de fluittaal die op La Gomera – een van de Canarische Eilanden – nog steeds wordt gebruikt voor het over grote afstanden communiceren in de bergen zo raar nog niet. LoRa klinkt in elk geval een stuk zangeriger dan haar FSK-modulatie gebruikende tegenhangers. Tekenen we een radiogolf in een grafiek met op de ene as de frequentie en op de andere de tijd, dan wordt meteen duidelijk waarom. In draadloos digitaal communiceren geven we enen en nullen mee aan een radiogolf. Dat zouden we kunnen doen door de golf alternerend een hoge en een lagere frequentie mee te geven. In grafiekvorm uit zich dat als de welbekende blokgolf.
Een andere methode zou zijn om geleidelijk van de ene naar de andere frequentie te gaan. Doen we dit lineair, dan krijgen we iets wat meer weg heeft van een zingende zaag. Het blijkt dat deze vorm beter bestand is tegen omgevingsruis, waarbij de mate van robuustheid afhangt van de snelheid waarmee van de ene naar de andere frequentie gegaan wordt (sweep rate of spreading factor) en de afstand tussen de frequenties (bandbreedte).
Door deze dynamisch aan omstandigheden aan te passen, slaagden Sornin, Seller en Sforza erin om telkens het optimum tussen signaalruisverhouding en energieverbruik te vinden. Immers, hoe meer bandbreedte, des te beter de signaalkwaliteit, maar ook des te meer energie dit kost. Voor wat betreft spreading factor geldt dat een langzame verandering van frequentie eenvoudiger te decoderen is. Maar de hoeveelheid informatie die in een bepaalde tijd verstuurd kan worden, is in dat geval beperkt. De frequentie sneller laten oplopen levert meer bits per seconde, maar te snel en het wordt een onontcijferbaar rommeltje.
Bij ‘Chirp Spread Spectrum’-modulatie gaat het geleidelijk van de ene naar de andere frequentie. De helling van de zaagtand correspondeert met de spread factor.
Kwantificeren
Kort door de bocht is LoRa dus een modulatietechnologie die CSS gebruikt en telkens een optimale verhouding tussen spreading factor en bandbreedte verzorgt. Staat een LoRa-sensor of actuator ver van een gateway vandaan, dan is een hoge spreading factor nodig, met een lagere data rate als gevolg. Staat een node dichtbij, dan kan de spreading factor omlaag en de snelheid omhoog.
Om LoRa te kwantificeren hangt het er een beetje vanaf in welke omgeving een LoRa gateway zich bevindt. Dit heeft onder andere met de line of sight te maken. In landelijke gebieden is die groot en specificeert de LoRa Alliance afstanden tot 15 km. In dichtbevolkte stedelijke gebieden is deze kleiner, maar zijn nog altijd afstanden tot 5 km haalbaar. Hierbij wordt het stroomverbruik gemeten in mW, waarbij de eindnodes (sensoren) slechts enkele keren per dag relatief kleine datapakketjes versturen. De rest van de tijd slapen ze en zijn . hierdoor vele jaren online met één enkele batterij.
LoRaWAN
Met de nieuwe LoRa-modulatietechniek met weinig energie datapakketjes over grote afstanden naar een gateway kunnen sturen was een mooie mijlpaal. Toch was er voor het verwerken van die pakketjes binnen een netwerk meer nodig. Reden voor Semtech om ook een LoRaMAC-protocol te ontwikkelen dat beschreef hoe berichten waren opgebouwd en onder andere de beveiligingslagen specificeerde. En omdat de chipproducent zich terecht realiseerde dat voor de adaptatie van LoRa een ecosysteem met meer dan alleen chips nodig was, werd in 2015 de LoRa Alliance opgericht. Kort daarop introduceerde de nieuwe club versie 1.0 van het LoRaWAN-protocol dat als open netwerkprotocol de interoperabiliteit tussen LoRa-apparaten moest garanderen.
De topologie van een LoRa netwerk.
Meer dan 500 leden
Anno 2020 lijkt dat aardig gelukt. De LoRa Association telt inmiddels meer dan 500 leden en presenteerde onlangs LoRaWAN TS1-1.0.4, waarin het hele proces van de ontwikkeling, het testen, certificeren en in gebruik nemen van LoRa-apparaten is vastgelegd. Eerder waren in voorgaande versies ook broodnodige elementen als het op afstand updaten van firmware en eigentijdse authentiecatie-methoden opgenomen die nodig waren om LoRa uit de hippe ‘makers’-fase te halen en klaar te stomen voor de grote toepassingen. Ook dat lijkt volgens de LoRa Association aardig gelukt te zijn. Volgens eigen zeggen is een derde deel van de LPWAN-toepassingen ter wereld op LoRaWAN gebaseerd, wat neerkomt op 100 miljoen LoRa-apparaten. Dit aantal groeit met 42 procent per jaar.
Miljoenen berichten
Kijken we naar de capaciteit, dan kan een LoRaWAN-netwerk miljoenen berichten verwerken, afhankelijk van het aantal geïnstalleerde gateways. Een achtkanaals gateway biedt ruimte voor enkele honderdduizenden berichten in een periode van 24 uur. Dus wanneer een LoRa-device gemiddeld 10 keer per etmaal online komt, dan is één gateway voldoende voor ongeveer 10.000 deelnemers. Heb je tien gateways, dan vertienvoudigt ook de capaciteit. Hierbij heeft overigens als zodanig geen routing plaats. Een LoRa-device communiceert met alle binnen bereik zijnde gateways. Het ontdubbelen van berichten gebeurt op de netwerkserver. Hierdoor verminderen ook eventuele fouten door niet aangekomen pakketjes.
De LoRa-‘technology stack’
Steeds meer hybride toepassingen
Het grote bereik, het lage energieverbruik en de beperkte hoeveelheid data die kan worden verstuurd, maken LoRa bij uitstek geschikt voor meten of schakelen op grote afstand. In de agrarische sector kan dit bijvoorbeeld een slim irrigatiesysteem zijn dat op basis van sensordata in of uitgeschakeld wordt. Ook voor het tracken van de veestapel – in sommige landen heeft die een aanzienlijk groter graasoppervlak dan in de Nederlandse polder – wordt LoRa in toenemende mate ingezet. De locatie wordt hier dan afgeleid uit de timestamps van verzonden pakketjes. Eigenlijk is LoRa een interessante automatiseringstechnologie voor alle sectoren waar ‘asset tracking’ logistieke meerwaarde heeft. Verder zijn er in de steden voorbeelden te over van slimme parkeersystemen, antidiefstalsystemen voor fietsen en mogelijkheden voor gebouwautomatisering. In de industrie is staat naast asset tracking uiteraard ook condition monitoring veelvuldig op het menu.
Met name toepassingen waarbij een beperkte infrastructuur voorhanden is, hebben veel baat bij het energiezuinige LoRa. De instapkosten zijn laag en er zijn door het gebruik van licentievrije sub-GHz-banden – deze verschillen per regio – geen datakosten. Door het open karakter kan bijvoorbeeld iedereen vrij gebruik maken van het omvangrijke netwerk van ‘The Things Network community’ met ruim 16.000 gateways in 150 landen. Is een LoRa-sensor of -actuator binnen het bereik van één van die gateways, dan is deze na aanmelden zonder al te veel moeite via het internet bereikbaar. Bevindt jouw LoRa apparaat zich helemaal in de ‘middle of nowhere’, dan is er altijd nog de gateway van Lacuna Space, die als satelliet periodiek zijn rondjes rond de aarde draait en waar ter versterking diverse gatewaylanceringen gepland staan.
LoRa-gateways in Nederland van The Things Network Community.
Is betalen voor een simkaart geen probleem, ook KPN biedt een betaalde LoRa-variant aan, dan komen ook enkele andere nieuwe IoT-standaarden in aanmerking. Zo wordt NB-IoT – een langeafstandsprotocol dat gebruik maakt van bestaande 3/4g infrastructuur – vaak gezien als LoRa-concurrent. De Amerikaanse evenknie LTE-M wordt eveneens in hetzelfde rijtje geschaard. Diverse onderzoeksrapporten geven echter aan dat het maar de vraag is of hier echt sprake is van concurrentie. Veelal versterken de technologieën elkaar en naar verwachting zullen steeds meer hybride oplossingen het licht zien. Hoe dat werkt? Dat bewaren we voor een volgende keer.
Anderen lazen ook
