Dinge, die Sie über LoRa wissen müssen - Dinge, die Sie von uns sehen werden

Abstrakt

LoRa ist eine neue Lösung für energieeffiziente, drahtlose Weitverkehrsnetze im Internet der Dinge (IoT). LoRa-Chipsätze verbinden Sensoren mit der Cloud und ermöglichen so Echtzeitdaten und -analysen, die zur Effizienzsteigerung und Produktionsoptimierung beitragen. LoRa-Geräte bieten intelligente IoT-Anwendungen, die einige der drängendsten Probleme unseres Planeten angehen, darunter Energiemanagement, Ressourcenschonung, Umweltschutz und Infrastruktureffizienz. Beispielsweise benötigen Industrieparks im Freien eine großflächige Vernetzung und stehen vor der Herausforderung der Kabelverlegung. Ein Vorteil der LoRaWAN-Technologie ist ihre große Reichweite von mehreren Kilometern, wodurch die Kabeldichte und der Einsatz von IoT-Geräten reduziert werden. LoRaWAN-Gerät LoRaWAN ist im Vergleich zu anderen Netzwerken äußerst kostengünstig, und auch die Endgeräte-Funkmodule sind preiswert. LoRaWAN findet breite Anwendung in Bereichen wie Luftverschmutzungsüberwachung, Landwirtschaft, Tierortung, Brandmeldeanlagen, Flottenmanagement, Haussicherheit und industrieller Temperaturüberwachung.

Die offene LoRaWAN-Spezifikation ist ein LPWAN-Standard (Low Power Wide Area Networking), der auf den LoRa-Geräten von Semtech basiert und lizenzfreie Funkfrequenzen im ISM-Band (Industrial, Scientific, and Medical) nutzt. Die LoRa Alliance®, eine gemeinnützige Organisation und ein schnell wachsendes Technologiebündnis, ist für die Standardisierung und weltweite Harmonisierung des LoRaWAN-Standards verantwortlich. LoRaWAN-Standards bieten eine effiziente, flexible und kostengünstige Lösung für praktische Probleme in ländlichen Gebieten und Innenräumen. Mobilfunk, WLAN und Bluetooth Low Energy (BLE) Die Netzwerke entsprechen nicht den Standards. LoRa-Geräte und der LoRaWAN-Standard ermöglichen eine breite Palette von Anwendungen in verschiedenen kritischen Bereichen, darunter intelligente Landwirtschaft, Gebäude, Städte, Umwelt, Gesundheitswesen, Wohnungsbau, industrielle Steuerung, Lieferkette und Logistik, Energieversorgung, öffentliche Sicherheit und andere.

Was ist LPWAN und welche Geschwindigkeit bietet es?

LoRa™ ist eine Funkfrequenzmodulationstechnologie für LPWAN. Bevor wir LoRa genauer betrachten, müssen wir uns mit LPWAN befassen. LPWAN (Low-Power Wide-Area Network), auch bekannt als LPWA (Low-Power Wide-Area) oder LPN (Low-Power Network), ist ein batteriebetriebenes drahtloses IoT-Sensornetzwerk, das über große Entfernungen mit niedrigen Datenraten kommunizieren kann. Geringer Stromverbrauch, niedrige Datenraten und die zeitliche Begrenzung der Nutzung unterscheiden LPWANs von drahtlosen WANs, die für die Vernetzung von Unternehmen oder Nutzern konzipiert sind und größere Datenmengen übertragen, aber auch mehr Strom verbrauchen. Die Übertragungsrate jedes LPWAN-Kanals ist mit 0,3 kbit/s bis 50 kbit/s vergleichsweise niedrig und liegt damit zwischen ZigBee und NB-IoT. LPWAN kann zum Aufbau eines privaten drahtlosen Sensornetzwerks genutzt werden, aber auch als Dienstleistung oder Infrastruktur eines Drittanbieters bereitgestellt werden. Dadurch können Sensorbesitzer Sensoren direkt einsetzen, ohne in Gateways investieren zu müssen.

Was ist LoRa?

LoRa ist ein von Semtech entwickeltes LPWAN-Protokoll für die Kommunikation über große Entfernungen: bis zu 5 Kilometer in städtischen Gebieten und 15 Kilometer oder mehr in ländlichen Gebieten (Sichtverbindung). Weitere LPWAN-Protokolle sind Sigfox und Weightless. LoRa basiert auf der Spread-Spectrum-Modulationstechnologie, die von der Chirp-Spread-Spectrum-Technologie (CSS) abgeleitet ist. Es wurde ursprünglich von Cycleo in Grenoble, Frankreich, entwickelt und später von Semtech, einem Gründungsmitglied der LoRa Alliance, übernommen. Im Vergleich zu anderen IoT-Netzwerken zeichnet sich LoRa durch fünf Merkmale aus: große Reichweite, niedrige Datenraten, lange Akkulaufzeit, geringe Kosten und hohe Kapazität. Ein Hauptmerkmal von LoRa-basierten Lösungen ist der extrem niedrige Stromverbrauch, der die Entwicklung batteriebetriebener Geräte mit einer Lebensdauer von bis zu 10 Jahren ermöglicht. Netzwerke, die auf dem offenen LoRa-Protokoll basieren, werden in einer Sterntopologie aufgebaut und eignen sich ideal für Anwendungen, die eine Kommunikation über große Entfernungen oder in Innenräumen zwischen vielen stromsparenden Geräten sowie für Geräte, die geringe Datenmengen erfassen, erfordern.

Zu den Vorteilen von LoRa gehören unter anderem die große Reichweite, die tiefe Abdeckung in Innenräumen, das einfach skalierbare Sterntopologie-Design, die lange Akkulaufzeit, die hohe Kapazität, die niedrigen Kosten, die genaue Positionierung in Innen- und Außenbereichen sowie die verschlüsselte Sicherheit.

Unterschiede zwischen drei

LPWAN

LPWAN ist eine drahtlose Weitverkehrsnetzwerktechnologie, die IoT-Geräte mit geringer Bandbreite und Batteriebetrieb über große Entfernungen mit niedrigen Bitraten verbindet. Es gibt verschiedene Möglichkeiten zum Aufbau eines LPWAN-Netzwerks, wobei LoRaWAN und NB-IoT das schnellste Wachstum verzeichneten und in den kommenden Jahren den größten Marktanteil im LPWAN-Bereich halten werden.

LoRaWAN

LoRaWAN Das Protokoll legt das Kommunikationsprotokoll und die Systemarchitektur des Netzwerks fest, während die LoRa-Bitübertragungsschicht Verbindungen über große Entfernungen ermöglicht. Protokoll und Netzwerkarchitektur haben den größten Einfluss auf Akkulaufzeit, Netzwerkkapazität, Dienstqualität, Sicherheit und das Anwendungsspektrum des Netzwerks.

LoRa

LoRa ist ein Funkübertragungsverfahren, das mit gechirpten Mehrsymboldaten arbeitet. Im Prinzip handelt es sich um herkömmliche ISM-Band-Funkchips, die Hochfrequenzsignale mithilfe von LoRa (oder anderen Modulationsverfahren wie FSK) ohne Codierung in Bits umwandeln können. Die LoRa-Technologie ist eine physikalisch schichtbasierte Technologie, die in verschiedenen Anwendungen jenseits der Weitverkehrskommunikation eingesetzt wird.

LoRaWAN-Netzwerkarchitektur

LoRaWAN definiert das Kommunikationsprotokoll und die Systemarchitektur. Die LoRa-Bitübertragungsschicht unterstützt Kommunikationsverbindungen über große Entfernungen. Protokoll und Netzwerkarchitektur bestimmen gemeinsam die Akkulaufzeit der Knoten, die Netzwerkkapazität, die Dienstgüte (QoS), die Sicherheit sowie verschiedene Anwendungen von Webdiensten.

Das LoRaWAN-Spreizspektrumverfahren ist eine Variante des Chirp-Spreizspektrums. Die LoRaWAN-Bitübertragungsschicht kann mit jeder MAC-Schicht verwendet werden; LoRa ist jedoch die aktuell empfohlene MAC-Schicht für den Betrieb eines Netzwerks in einer einfachen Sterntopologie. Gateway und Beacons werden verwendet, um die Zeit der Endgeräte zu synchronisieren. Endgeräte mit maximaler Empfangsdauer: Da diese Knoten permanent empfangen, sind sie für den Batteriebetrieb ungeeignet. In manchen Fällen bieten sich Sternnetzwerke mit einem leistungsstarken Gateway an.

In vielen bestehenden Netzwerken wird eine Mesh-Netzwerkarchitektur eingesetzt. Einzelne Endknoten in einem Mesh-Netzwerk senden Informationen von anderen Knoten, um die Kommunikationsreichweite und die Zellengröße des Netzwerks zu erweitern. Dies verbessert zwar die Reichweite, erhöht aber auch die Komplexität, begrenzt die Netzwerkkapazität und verkürzt die Akkulaufzeit, da Knoten Daten von anderen, möglicherweise nicht mit ihnen verbundenen Knoten empfangen und weiterleiten. Wenn eine Verbindung über große Entfernungen möglich ist, ist ein sternförmiges Design mit großer Reichweite am sinnvollsten, um die Akkulaufzeit zu verlängern.

Die Knoten in einem LoRaWAN-Netzwerk sind nicht mit einem einzigen Gateway verbunden. Stattdessen werden die von einem Knoten gesendeten Daten üblicherweise über mehrere Gateways empfangen. Über eine Backhaul-Verbindung leitet jedes Gateway das empfangene Datenpaket vom Endknoten an den Cloud-basierten Netzwerkserver weiter (entweder über Mobilfunk, Ethernet, Satellit oder WLAN).

Der Netzwerkserver empfängt die notwendigen Informationen und verwaltet das Netzwerk, filtert redundante Pakete, führt Sicherheitsprüfungen durch, plant Empfangsbestätigungen über das optimale Gateway und passt die Datenrate adaptiv an. Bei mobilen oder sich bewegenden Knoten ist kein Gateway-Wechsel erforderlich – eine entscheidende Eigenschaft für Anwendungen zur Anlagenüberwachung, einem wichtigen Anwendungsgebiet des IoT.

Batterieeffizienz und Stromverbrauch

Die Akkulaufzeit in einem LoRaWAN-Netzwerk ist vielversprechend. Die Knoten arbeiten asynchron und kommunizieren nur, wenn sie Daten zu senden haben – ereignisgesteuert oder geplant. Diese Art der Kommunikation wird als Aloha-Technik bezeichnet. Die Knoten in einem Mesh-Netzwerk oder einem synchronen Netzwerk wie Mobilfunk müssen sich häufig ‘aufwecken’, um sich mit dem Netzwerk zu synchronisieren und nach Nachrichten zu suchen. Diese Synchronisierung verbraucht viel Energie und ist die Hauptursache für die verkürzte Akkulaufzeit. In einer aktuellen GSMA-Studie und einem Vergleich verschiedener Technologien für den LPWAN-Markt übertraf LoRaWAN alle anderen Technologiealternativen um das Drei- bis Fünffache.

Netzwerkkapazität

Die Netzwerkkapazität eines LoRaWAN-Netzwerks ist hochgradig skalierbar und flexibel. Für den Betrieb eines weitreichenden Sternnetzwerks muss das Gateway Nachrichten von einer großen Anzahl von Knoten empfangen können. In einem LoRaWAN-Netzwerk wird eine hohe Netzwerkkapazität durch adaptive Datenraten und einen Mehrkanal-Multimodem-Transceiver im Gateway erreicht, der die gleichzeitige Nachrichtenübertragung auf mehreren Kanälen ermöglicht. Die Anzahl der gleichzeitig genutzten Kanäle, die Datenrate (Sendezeit), die Nutzdatenlänge und die Sendefrequenz der Knoten sind wichtige Faktoren, die die Kapazität beeinflussen. Da LoRa® eine Spreizspektrummodulation ist, sind die Signale bei Verwendung unterschiedlicher Spreizfaktoren nahezu orthogonal zueinander. Die effektive Datenrate variiert mit dem Spreizfaktor. Das Gateway nutzt diese Eigenschaft, indem es gleichzeitig verschiedene Datenraten auf demselben Kanal empfangen kann. Ein Knoten mit guter Verbindung und in der Nähe eines Gateways muss nicht ständig die niedrigste Datenrate nutzen und das verfügbare Spektrum unnötig lange belegen. Durch die Erhöhung der Datenrate wird die Sendezeit reduziert, wodurch mehr Kapazität für die Übertragung anderer Knoten zur Verfügung steht. Die adaptive Datenrate verlängert zudem die Akkulaufzeit eines Knotens. Für die Funktion der adaptiven Datenrate sind ein symmetrischer Uplink und Downlink mit ausreichender Downlink-Kapazität erforderlich. Diese Eigenschaften ermöglichen einem LoRaWAN-Netzwerk einen hohen Durchsatz bei gleichzeitiger Skalierbarkeit. Ein Netzwerk kann mit sehr wenig Hardware aufgebaut werden. Bei Bedarf lassen sich weitere Gateways hinzufügen, wodurch die Datenraten erhöht, der Datenaustausch mit anderen Gateways minimiert und die Kapazität um das 6- bis 8-Fache gesteigert wird. Aufgrund technischer Kompromisse, die die Downlink-Bandbreite begrenzen oder die Downlink-Reichweite von der Uplink-Reichweite unterscheiden, weisen andere LPWAN-Optionen nicht die Skalierbarkeit von LoRaWAN auf.

Knotenklassen

Endgeräte werden für vielfältige Zwecke eingesetzt und haben unterschiedliche Anforderungen. LoRa verwendet verschiedene Geräteklassen, um die Eigenschaften verschiedener Endanwendungen zu optimieren. Die Geräteklassen ermöglichen einen Kompromiss zwischen der Latenz der Netzwerk-Downlink-Kommunikation und der Akkulaufzeit. Die Downlink-Kommunikationsverzögerung ist insbesondere bei Steuerungs- und Aktoranwendungen von entscheidender Bedeutung.

Bidirektionale Endgeräte (Klasse A): Endgeräte der Klasse A ermöglichen bidirektionale Kommunikation. Auf jede Uplink-Übertragung eines Endgeräts folgen zwei Downlink-Übertragungen. Die Empfangsfenster im Downlink sind kurz. Der vom Endgerät geplante Sendezeitraum richtet sich nach dessen Kommunikationsanforderungen, wobei geringfügige Abweichungen aufgrund einer zufälligen Zeitauswahl (ALOHA-Protokoll) möglich sind. Dieses Verfahren der Klasse A ist besonders energieeffizient. Es eignet sich für Anwendungen, die ausschließlich Downlink-Kommunikation benötigen, und zwar unmittelbar nachdem das Endgerät eine Uplink-Übertragung an den Server gesendet hat. Zu allen anderen Zeitpunkten müssen Nachrichten vom Server bis zum nächsten geplanten Uplink warten.

Bidirektionale Endgeräte mit geplanten Empfangsfenstern (Klasse B): Zusätzlich zu den zufälligen Empfangsfenstern der Klasse A öffnen Geräte der Klasse B in festgelegten Zeitabständen weitere Empfangsfenster. Das Endgerät empfängt vom Gateway ein zeitsynchronisiertes Signal, um sein Empfangsfenster zum vorgegebenen Zeitpunkt zu öffnen. Dadurch wird der Server darüber informiert, wann das Endgerät aktiv auf Daten wartet.

Endgeräte mit maximaler Anzahl an Empfangsschlitzen in beide Richtungen (Klasse C): Endgeräte der Klasse C verfügen über praktisch permanent geöffnete Empfangsfenster, die nur während des Sendens geschlossen werden.

Sicherheit

Für jedes LPWAN ist die Integration von Sicherheit unerlässlich. LoRaWAN verfügt über zwei Sicherheitsebenen: eine für das Netzwerk und eine für die Anwendung. Die Netzwerkebene gewährleistet die Legitimität der Knoten im Netzwerk, während die Anwendungsebene sicherstellt, dass der Netzwerkbetreiber keinen Zugriff auf die Anwendungsdaten der Endnutzer hat. Der Schlüsselaustausch erfolgt mittels AES-Verschlüsselung und einer festgelegten Kennung. Jede Technologie hat ihre Vor- und Nachteile, doch die LoRa-Eigenschaften hinsichtlich Netzwerkdesign, Geräteklassen, Sicherheit, Skalierbarkeit und Mobilitätsoptimierung decken das breiteste Spektrum möglicher IoT-Anwendungen ab.

LoRa bleibt ein starker Akteur

Insgesamt bieten LoRa-Funkgeräte im Vergleich zu herkömmlichen IoT-Funkgeräten eine größere Reichweite bei gleichzeitig hoher Energieeffizienz. Darüber hinaus zeichnen sie sich durch faszinierende Eigenschaften aus, beispielsweise durch nicht-invasive Übertragung. Wie bereits erwähnt, lassen sich LoRa-Funkgeräte in größeren Netzwerken mit verschiedenen Layouts einsetzen. Daher ist die LoRa-Lösung eine interessante Option für die Entwicklung gängiger IoT-Anwendungen. Sie bietet eine äußerst wettbewerbsfähige Lösung mit zahlreichen Vorteilen und vielversprechenden Zukunftsaussichten.

Minew wird das Produktportfolio der LoRaWAN-Technologie auf den Markt bringen.

Das Internet der Dinge (IoT) wächst stetig und wird immer beliebter. Minew, führender Entwickler und Hersteller von intelligenten IoT-Geräten, widmet sich den kreativen Möglichkeiten dieses neuen Bereichs und erweitert sein Produktportfolio um verschiedene Netzwerke. Aktuell entwickelt Minew LoRa- und Bluetooth-Produkte. Die technischen Details werden noch bekannt gegeben, die Produkte werden aber voraussichtlich in Kartenform oder ähnlichen Formaten erhältlich sein. Wir halten Sie auf dem Laufenden. Dank der Unterstützung von LoRa und Bluetooth vereint das Produkt die Vorteile beider Technologien und eröffnet völlig neue Möglichkeiten. Die Leistung verspricht vielversprechende Ergebnisse. Bleiben Sie gespannt auf weitere Informationen in Kürze.