Das Internet der Dinge (IoT) gilt als dritte Entwicklungswelle der weltweiten Informationsindustrie nach Computern und dem Internet und wird auch als vierte technologische Revolution bezeichnet [1]. Derzeit stützt sich der Großteil des Internets der Dinge noch auf das Internet und das mobile Internet, und das Fehlen spezieller Netzwerkprotokolle für das Internet der Dinge hat dessen großflächige Verbreitung bis zu einem gewissen Grad eingeschränkt. Infolgedessen entstand das Low-Power-Wide-Area-Network (LPWAN). Im Vergleich zu herkömmlichen IoT-Kommunikationstechnologien bietet die LPWAN-Technologie technische Vorteile wie große Reichweite, große Entfernungen, massive Verbindungen, geringen Stromverbrauch und niedrige Kosten und ist zu einem neuen Schwerpunkt in der aktuellen Forschung und Anwendungsentwicklung im Bereich des IoT geworden [2]. Unter den zahlreichen LPWAN-Technologien sind LoRa und NB-IoT die wettbewerbsfähigsten [3–5]. Dabei gehört die LoRa-Technologie zu den früh entwickelten LPWAN-Technologien; sie ist relativ ausgereift und verfügt über eine vollständige industrielle Wertschöpfungskette.
LoRaWAN definiert das Kommunikationsprotokoll und die Systemarchitektur, während LoRa die physikalische Schicht definiert.
Dies ist die typische Systemarchitektur eines LoRaWAN-Knotens.
Architektur des LoRa-Netzes
Die meisten modernen IoT-LAN-Technologien nutzen eine Mesh-Netzwerkarchitektur. Durch den Einsatz eines Mesh-Netzwerks kann das System die Kommunikationsreichweite und die Zellengröße des Netzwerks vergrößern. Allerdings haben Knoten in einem Mesh-Netzwerk zusätzlich die Aufgabe, Nachrichten an andere Knoten (die oft in keinem Zusammenhang mit ihnen stehen) weiterzuleiten. Dies kann die Akkulaufzeit Ihres Geräts erheblich beeinträchtigen.
LoRaWAN nutzt eine Sterntopologie, da diese die Batterielebensdauer bei der Nutzung von Fernverbindungen verlängert.
Das LoRa-Netzwerk besteht aus mehreren Komponenten.
LoRa-Knoten/Endpunkte: LoRa-Endpunkte sind Sensoren oder Anwendungen, die Mess- und Steuerungsaufgaben übernehmen. Diese Knoten befinden sich in der Regel an abgelegenen Standorten. Beispiele hierfür sind Sensoren, Ortungsgeräte usw.
LoRa-Gateway: Im Gegensatz zur Mobilfunkkommunikation, bei der mobile Geräte mit bestimmten Basisstationen verbunden sind, sind LoRaWAN-Knoten innerhalb des LoRaWAN-Netzwerks mit bestimmten Gateways verbunden. Stattdessen werden alle von einem Knoten gesendeten Daten an alle Gateways gesendet, und jedes Gateway, das das Signal empfängt, leitet es an einen cloudbasierten Netzwerkserver weiter.
In der Regel sind Gateways und Netzwerkserver über eine Backhaul-Verbindung (Mobilfunk, WLAN, Ethernet oder Satellit) miteinander verbunden.
Webserver: Der Webserver verfügt über die gesamte Intelligenz. Er filtert doppelte Pakete von verschiedenen Gateways heraus, führt Sicherheitsprüfungen durch und sendet ein ACK an das Gateway. Ist das Paket schließlich für einen Anwendungsserver bestimmt, leitet der Webserver das Paket an den entsprechenden Anwendungsserver weiter.
Bei dieser Art von Netzwerk werden alle Gateways genutzt, um dieselben Pakete an den Netzwerkserver zu senden, ohne dass eine Umschaltung oder Weiterleitung erfolgt. Dies ist nützlich für Anwendungen zur Bestandsverfolgung, bei denen Bestandsgegenstände von einem Standort zum anderen transportiert werden.
LoRa-Gerätekategorien
Wie in anderen Netzwerken auch können Endgeräte je nach Geräteklasse unterschiedliche Funktionen haben, und Endknoten in einem LoRaWAN-Netzwerk können verschiedenen Geräteklassen angehören.
Jede Geräteklasse stellt einen Kompromiss zwischen der Latenz bei der Downlink-Kommunikation im Netzwerk und der Akkulaufzeit dar.
Klasse A: Am besten geeignet für Batteriestandsensoren
● Am energieeffizientesten und mit einer Batterielebensdauer von vielen Jahren
● Alle Geräte im LoRaWAN-Netzwerk unterstützen diese Geräteklasse
● Der Downlink ist erst verfügbar, nachdem der Sensor Daten gesendet hat
Klasse B: Empfangsschlitze für Endgeräte mit Zeitplan
● Öffnen Sie zu festgelegten Zeiten zusätzliche Empfangsplätze.
● Empfang von zeitlich synchronisierten Beacons vom Gateway
Klasse C: Endgeräte mit maximaler Anzahl an Empfangssteckplätzen
● Das Empfangsfenster ständig geöffnet lassen
● RX wird nur ausgeschaltet, wenn das Gerät sendet
Im Oktober 2016 kam es in den Vereinigten Staaten zu einem groß angelegten IoT-DDoS-Testangriff, der dazu führte, dass das gesamte Internet im Osten der USA “offline” ging. Im Juli 2017 gelang es den inländischen Sicherheitsbehörden, die erste kriminelle Bande zu zerschlagen, die Software zum Hacken und Eindringen in Heimkameras online verbreitet hatte. Im Vergleich zu herkömmlichen Internet-Sicherheitsproblemen verursachen Sicherheitsprobleme im Internet der Dinge nicht nur wirtschaftliche Verluste, Datenschutzverletzungen und andere Gefahren, sondern bedrohen auch unmittelbar die Sicherheit von Menschenleben.
Stichwörter: Lora-Digitalübertragungsterminal
