- Eigenschaften von LoRa
- LoRaWAN
- Die LoRaWAN-Netzwerkarchitektur
- 1. Endgeräte
- 2. Gateways
- 3. Netzwerkserver
- 4. Anwendungsserver
- LoRaWAN Sicherheit und Datenschutz
- Hauptmerkmale von LoRAWAN
- Vorteile von LoRa
Kommunikation ist einer der wichtigsten Bestandteile eines IoT-Projekts. Die Fähigkeit einer Sache, mit anderen „Dingen“ (einer Geräte-Cloud / einem Server) zu kommunizieren, gibt der „Sache“ das Recht, das „Internet“ an ihren Namen anzuhängen. Obwohl es unzählige Kommunikationsprotokolle gibt, fehlt jedem das eine oder andere, was sie für IoT-Anwendungen „nicht vollständig geeignet“ macht. Die Hauptprobleme sind Stromverbrauch, Reichweite / Abdeckung und Bandbreite.
Die meisten Kommunikationsfunkgeräte wie ZigBee, BLE und WiFi sind von kurzer Reichweite, andere wie 3G und LTE sind stromhungrig und die Reichweite ihrer Versorgungsgebiete kann insbesondere in Entwicklungsländern nicht garantiert werden. Während diese Protokolle und Kommunikationsmodi für bestimmte Projekte funktionieren, bringt sie eine weitreichende Einschränkung mit sich, wie z. Schwierigkeiten bei der Bereitstellung von IoT-Lösungen in Gebieten ohne Mobilfunkabdeckung (GPRS, EDGE, 3G, LTE / 4G) und drastische Verkürzung der Batterielebensdauer von Geräten. Angesichts der Zukunft des IoT und der Verbindung aller Arten von „Dingen“, die sich an allen möglichen Orten befinden, war daher ein Kommunikationsmedium erforderlich, das speziell auf das IoT zugeschnitten ist und dessen Anforderungen an eine besonders geringe Leistung und eine sehr große Reichweite erfüllt, billig, sicher und einfach bereitzustellen. Hier kommt LoRa ins Spiel.
LoRa (steht für Long Range) ist eine patentierte drahtlose Kommunikationstechnologie, die extrem geringen Stromverbrauch mit einer effektiven Fernreichweite kombiniert. Während die Reichweite stark von der Umgebung und möglichen Hindernissen (LOS oder N-LOS) abhängt, hat LoRa normalerweise eine Reichweite zwischen 13 und 15 km, was bedeutet, dass ein einzelnes LoRa-Gateway eine ganze Stadt und mit ein paar mehr eine ganze abdecken kann Land. Die Technologie wurde von Cycleo in Frankreich entwickelt und trat bei der Übernahme des Unternehmens durch Semtech im Jahr 2012 in den Vordergrund. Wir verwendeten LoRa-Module mit Arduino und Raspberry Pi und sie funktionierten wie erwartet.
Eigenschaften von LoRa
Ein LoRa-Radio verfügt über einige Funktionen, die dazu beitragen, eine effektive Langstreckenleistung und niedrige Kosten zu erzielen. Einige dieser Funktionen umfassen:
- Modulationstechnik
- Frequenz
- Adaptive Datenraten
- Adaptive Leistungsstufen
Modulation
Lora-Funkgeräte verwenden die Chirp-Spread-Spectrum-Modulationstechnik, um einen signifikant hohen Kommunikationsbereich zu erzielen und gleichzeitig Eigenschaften mit geringer Leistung beizubehalten, die den auf der physischen Schicht der FSK-Modulation basierenden Funkgeräten ähnlich sind. Während es bei Anwendungen in der Militär- und Weltraumkommunikation schon seit einiger Zeit eine Chirp-Spread-Spectrum-Modulation gibt, präsentiert LoRa die erste kostengünstige kommerzielle Anwendung der Modulationstechnik.
Frequenz
Während die LoRa-Technologie frequenzunabhängig ist, erfolgt die Kommunikation zwischen LoRa-Funkgeräten über die Verwendung von nicht lizenzierten Sub-GHz-Funkfrequenzbändern, die weltweit verfügbar sind. Diese Frequenzen variieren von Region zu Region und oft auch zwischen den Ländern. Beispielsweise wird der 868 MHz in Europa häufig für die LoRa-Kommunikation verwendet, während der 915 MHz in Nordamerika verwendet wird. Unabhängig von der Frequenz kann LoRa ohne größere Abweichungen in der Technologie verwendet werden.
Frequenzbänder für LoRa in verschiedenen Ländern
Die Verwendung niedrigerer Frequenzen als die der Kommunikationsmodule wie WiFi basierend auf den 2,4- oder 5,8-GHz-ISM-Bändern ermöglicht einen viel größeren Abdeckungsbereich, insbesondere für NLOS-Situationen.
Es ist wichtig zu beachten, dass in einigen Ländern noch Berechtigungen erforderlich sind, bevor die nicht lizenzierten Bänder verwendet werden können.
Adaptive Datenrate
LoRa verwendet eine Kombination aus variabler Bandbreite und Spreizfaktoren (SF7-SF12), um die Datenrate in einem Kompromiss mit der Reichweite der Übertragung anzupassen. Ein höherer Spreizfaktor ermöglicht eine größere Reichweite auf Kosten einer geringeren Datenrate und umgekehrt. Die Kombination aus Bandbreite und Spreizfaktor kann entsprechend den Verbindungsbedingungen und dem zu übertragenden Datenpegel gewählt werden. Ein höherer Spreizfaktor verbessert somit die Übertragungsleistung und -empfindlichkeit für eine gegebene Bandbreite, erhöht jedoch auch die Übertragungszeit aufgrund niedrigerer Datenraten. Diese können von nur 18 Bit / s bis zu 40 KBit / s variieren
Adaptive Leistungsstufe
Die von LoRa-Funkgeräten verwendete Leistungsstufe ist adaptiv. Dies hängt unter anderem von Faktoren wie der Datenrate und den Verbindungsbedingungen ab. Wenn eine schnelle Übertragung erforderlich ist, wird die übertragene Leistung näher an das Maximum herangeführt und umgekehrt. Dadurch wird die Akkulaufzeit maximiert und die Netzwerkkapazität aufrechterhalten. Der Stromverbrauch hängt unter anderem auch von der Geräteklasse ab.
LoRaWAN
LoRaWAN ist ein offener LPWAN-Standard (High Range Wide Area Network) mit hoher Kapazität und großer Reichweite, der von der LoRa Alliance für LoRa Powered IoT-Lösungen entwickelt wurde. Es handelt sich um ein bidirektionales Protokoll, das alle Funktionen der LoRa-Technologie voll ausnutzt, um Dienste bereitzustellen, einschließlich zuverlässiger Nachrichtenübermittlung, End-to-End-Sicherheit, Standort- und Multicast-Funktionen. Der Standard gewährleistet die Interoperabilität der verschiedenen LoRaWAN-Netzwerke weltweit.
Es gibt normalerweise eine Verwechslung, wenn Leute versuchen , LoRa und LoRaWAN zu definieren, was wahrscheinlich am besten durch Untersuchen des OSI-Referenzstapelmodells gelöst werden kann.
Einfach ausgedrückt entspricht LoRaWAN basierend auf dem OSI-Stack-Modell dem Media Access-Protokoll für das Kommunikationsnetzwerk, während LoRa der physischen Schicht entspricht. Somit definiert LoRaWAN das Kommunikationsprotokoll und die Systemarchitektur für das Netzwerk, während die LoRa-Architektur die Kommunikationsverbindung über große Entfernungen ermöglicht. Die beiden wurden zusammengeführt, um die Funktionalität bereitzustellen, die die Batterielebensdauer eines Knotens, die Netzwerkkapazität, die Dienstqualität, die Sicherheit und andere vom Netzwerk bereitgestellte Anwendungen bestimmt. Während LoRaWAN die beliebteste MAC-Schicht für LoRa ist, gibt es andere proprietäre Schichten, die ebenfalls auf der LoRa-Technologie basieren. Ein gutes Beispiel ist Symphony Link von Link Labs, das speziell für industrielle Anwendungen entwickelt wurde.
Die LoRaWAN-Netzwerkarchitektur
Im Gegensatz zu der von den meisten Netzwerken verwendeten Mesh-Netzwerktopologie verwendet LoRaWAN die Sternnetzwerkarchitektur, sodass nicht jedes Endgerät fast immer eingeschaltet ist und die Übertragung von anderen Geräten wiederholt wird, um die Reichweite der Endgeräte im LoRaWAN-Netzwerk zu erhöhen Kommunizieren Sie direkt mit Gateways und sind nur dann eingeschaltet, wenn sie mit dem Gateway kommunizieren müssen, da die Reichweite kein Problem darstellt. Dies ist ein Faktor, der zu den Funktionen mit geringem Stromverbrauch und hoher Akkulaufzeit bei den LoRa-Endgeräten beiträgt
Die LoRa-Netzwerkarchitektur besteht aus vier Hauptteilen.
1. Endgeräte
2. Gateways
3. Netzwerkserver
4. Anwendungsserver
1. Endgeräte
Dies sind Sensoren oder Aktoren am Netzwerkrand. Endgeräte dienen unterschiedlichen Anwendungen und haben unterschiedliche Anforderungen. Um eine Vielzahl von Endanwendungsprofilen zu optimieren, verwendet LoRaWAN ™ drei verschiedene Geräteklassen, für die Endgeräte konfiguriert werden können. Die Klassen bieten Kompromisse zwischen der Downlink-Kommunikationslatenz und der Akkulaufzeit des Geräts.Die drei Hauptklassen sind;
1. Bidirektionale Endgeräte (Klasse A)
2. Bidirektionale Endgeräte mit geplanten Empfangssteckplätzen (Klasse B)
3. Bidirektionale Endgeräte mit maximalen Empfangssteckplätzen (Klasse C)
ich. Klasse-A-Endgeräte
Dies sind Geräte, die nur unmittelbar nach einem Uplink eine Downlink-Kommunikation vom Server erfordern. Dies sind beispielsweise Geräte, die nach einem Uplink eine Bestätigung der Nachrichtenübermittlung vom Server erhalten müssen. Für diese Geräteklasse müssen sie warten, bis ein Uplink an den Server gesendet wird, bevor ein Downlink empfangen werden kann. Infolgedessen wird die Kommunikation auf ein Minimum beschränkt und sie haben somit den niedrigsten Leistungsbetrieb und die höchste Batterielebensdauer. Ein gutes Beispiel für Geräte der Klasse A ist ein LoRa-basierter Smart Energy Meter
ii. Endgeräte der Klasse B.
Diesen Geräten werden in festgelegten Intervallen zusätzliche Downlink-Fenster zugewiesen, zusätzlich zu dem Downlink, der beim Senden eines Uplinks empfangen wird (Klasse A + ein geplanter zusätzlicher Downlink). Die geplante Natur dieser Abwärtsverbindung stellt sicher, dass der Betrieb immer noch wenig Strom verbraucht, da die Kommunikation nur in geplanten Intervallen aktiv ist, aber die zusätzliche Energie, die während der geplanten Abwärtsverbindung verbraucht wird, den Stromverbrauch über den der Geräte der Klasse A hinaus erhöht, da diese eine niedrigere Batterie haben Lebensdauer im Vergleich zu Klasse-A-Endgeräten.
iii. Endgeräte der Klasse C.
Diese Geräteklasse unterliegt keiner Einschränkung für den Downlink. Sie sind so konzipiert, dass sie fast immer für die Kommunikation vom Server offen sind. Sie verbrauchen mehr Strom als die anderen Klassen und haben die geringste Akkulaufzeit. Gute Beispiele für Geräte der Klasse C sind Endgeräte, die im Flottenmanagement oder bei der Überwachung des realen Verkehrs verwendet werden.
2. Gateways
Gateways (auch als Konzentratoren bezeichnet) sind Geräte, die über Standard-IP-Verbindungen mit dem Netzwerkserver verbunden sind und Nachrichten zwischen dem Backend des zentralen Netzwerkservers und Endgeräten über ein drahtloses Single-Hop-Kommunikationsprotokoll weiterleiten. Sie unterstützen die bidirektionale Kommunikation und sind mit Multicast ausgestattet, sodass die Software Massenverteilungsnachrichten wie drahtlose Updates senden kann.
Das Herzstück jedes LoRa-Gateways ist ein mehrkanaliger LoRa-Demodulator, der alle LoRa-Modulationsvarianten auf mehreren Frequenzen parallel decodieren kann.
Für einen großen Netzbetreiber sollten die wichtigsten Unterscheidungsfaktoren die Funkleistung (Empfindlichkeit, Sendeleistung), die Verbindung des SX1301-Chips mit der Gateway-MCU (USB zu SPI oder SPI zu SPI) sowie die Unterstützung und Verteilung von PPS sein Signal, dessen Verfügbarkeit eine präzise Zeitsynchronisation über die gesamte Gateway-Population in einem Netzwerk ermöglicht
LoRa verteilt die Kommunikation zwischen Endgeräten und Gateways über mehrere Frequenzkanäle und Datenraten. Die Spread-Spectrum-Technologie verwendet Datenraten zwischen 0,3 kbit / s und 50 kbit / s, um zu verhindern, dass sich die Kommunikation gegenseitig stört, und erstellt eine Reihe von "virtuellen" Kanälen, die die Kapazität des Gateways erhöhen.
Um sowohl die Akkulaufzeit der Endgeräte als auch die Gesamtnetzwerkkapazität zu maximieren, verwaltet der LoRa-Netzwerkserver die Datenrate und die HF-Ausgabe für jedes Endgerät einzeln über ein ADR-Schema (Adaptive Data Rate).
3. Netzwerkserver
Der Lora-Netzwerkserver ist die Schnittstelle zwischen dem Anwendungsserver und den Gateways. Es leitet Befehle vom Anwendungsserver an das Gateway weiter, während Daten von den Gateways zum Anwendungsserver übertragen werden. Es führt Funktionen aus, einschließlich der Sicherstellung, dass keine doppelten Pakete vorhanden sind, der Planung von Bestätigungen und der Verwaltung der Datenrate und der HF-Ausgabe für jedes Endgerät einzeln unter Verwendung eines ADR-Schemas (Adaptive Data Rate).
4. Anwendungsserver
Der Anwendungsserver bestimmt, wofür die Daten von den Endgeräten verwendet werden. Datenvisualisierung usw. werden wahrscheinlich hier durchgeführt.
LoRaWAN Sicherheit und Datenschutz
Die Bedeutung von Sicherheit und Datenschutz in jeder IoT-Lösung kann nicht genug betont werden. Das LoRaWAN-Protokoll legt die Verschlüsselung fest, um sicherzustellen, dass Ihre Daten konkret sicher sind
* AES128-Schlüssel pro Gerät
* Sofortige Regeneration / Sperrung von Geräteschlüsseln
* Nutzlastverschlüsselung pro Paket für den Datenschutz
* Schutz vor Wiederholungsangriffen
* Schutz vor Man-in-the-Middle-Angriffen
LoRa verwendet zwei Schlüssel; Netzwerksitzung und Anwendungssitzungsschlüssel bieten beide eine geteilte, verschlüsselte Kommunikation für die Netzwerkverwaltung und die Anwendungskommunikation.
Der zwischen dem Gerät und dem Netzwerk gemeinsam genutzte Netzwerksitzungsschlüssel ist für die Authentifizierung der Endknotendaten verantwortlich, während der zwischen der Anwendung und dem Endknoten gemeinsam genutzte Anwendungssitzungsschlüssel für die Gewährleistung des Datenschutzes der Gerätedaten verantwortlich ist.
Hauptmerkmale von LoRAWAN
*> 160 dB Verbindungsbudget
* +20 dBm Sendeleistung
* Außergewöhnliches IIP3
* Verbesserung der Selektivität um 10 dB gegenüber FSK
* Tolerant gegenüber In-Channel-Burst-Interferenzen
* Niedrigster Empfangsstrom - 10 mA
* Niedrigster Schlafstrom
* Ultraschnelles Aufwachen (Schlaf auf RX / TX)
Vorteile von LoRa
Im Folgenden sind einige der mit LoRa verbundenen Vorteile aufgeführt.
1. Reichweite und Reichweite: Mit einer LOS-Reichweite von bis zu 15 km kann die Reichweite nicht mit der eines anderen Kommunikationsprotokolls verglichen werden.
2. Geringer Stromverbrauch: LoRa bietet Funkgeräte mit geringem Stromverbrauch, wodurch sie sich ideal für Geräte eignen, deren Lebensdauer 10 Jahre oder länger beträgt