Im vorherigen Artikel auf dieser Website, “Technologie für drahtlose Kommunikationsnetzwerke mit kurzer Reichweite“… gab es eine kurze Einführung in LoRa. Der Platz ist begrenzt, und es ist sicherlich nicht möglich, die LoRa-Technologie im Detail zu erläutern, daher werden wir heute einen speziellen Artikel über LoRa Technische Grundlagen. Im Mittelpunkt des Artikels steht LoRa, das im gesamten Artikel verwendet wird.
Wie bereits im vorherigen Artikel erwähnt, ist LoRa eine von vielen LPWAN-Kommunikationstechnologien. Es handelt sich um eine drahtlose Langstreckenübertragungstechnologie, die auf der Spreizspektrumstechnologie basiert. Sie wurde zuerst von dem amerikanischen Unternehmen Semtech eingeführt und gefördert.
LoRa ist eine physikalische Schicht bzw. eine Funkmodulation, die zum Aufbau von Fernkommunikationsverbindungen verwendet wird. Viele herkömmliche Funksysteme nutzen die Frequenzumtastung (FSK) als physikalische Schicht, da es sich dabei um eine sehr effiziente Modulation handelt, die einen geringen Stromverbrauch ermöglicht.
LoRa® basiert auf linearer Frequenzmodulation mit Spread-Spectrum-Verfahren, wodurch ein geringer Stromverbrauch gewährleistet und gleichzeitig die Kommunikationsreichweite erhöht wird. LoRa nutzt das Chirp-Spread-Spectrum-Verfahren (CSS) mit einem konfigurierbaren Spreizfaktor (SF), wodurch Anwender die Kommunikationsreichweite und die Datenrate gegeneinander abwägen können. Das lineare Spread-Spectrum-Verfahren wird aufgrund seiner Fähigkeit, große Kommunikationsreichweiten zu erzielen, und seiner Störfestigkeit bereits seit Jahrzehnten in der Militär- und Raumfahrtkommunikation eingesetzt, doch LoRa® ist die erste kostengünstige Umsetzung für den kommerziellen Einsatz.
1. Architektur und Funktionsweise des LoRa-Netzwerks
In einem Mesh-Netz leiten einzelne Endknoten Informationen von anderen Knoten weiter, um die Kommunikationsentfernung des Netzes und die Größe des Netzbereichs zu erhöhen. Dies erhöht zwar die Reichweite, erhöht aber auch die Komplexität, verringert die Netzwerkkapazität und verkürzt die Batterielebensdauer, da die Knoten Informationen von anderen Knoten annehmen und weiterleiten, die für sie möglicherweise nicht relevant sind. Bei der Implementierung von Verbindungen über große Entfernungen ist die Sternarchitektur über große Entfernungen am sinnvollsten, um die Batterielebensdauer zu schützen.
In einem LoRaWAN®-Netz sind die Knoten nicht mit speziellen Gateways verbunden. Im Gegensatz dazu werden Daten, die von einem Knoten übertragen werden, normalerweise von mehreren Gateways empfangen. Jedes Gateway leitet die vom Endknoten empfangenen Pakete über eine Art Backhaul (Mobilfunk, Ethernet usw.) an einen Cloud-basierten Netzwerkserver weiter. Die Intelligenz und die Komplexität liegen auf dem Server, der das Netz verwaltet und eingehende Daten auf Redundanz filtert, Sicherheitsprüfungen durchführt, Bestätigungen durch optimale Gateways plant und adaptive Datenraten durchführt, usw.
2. Zusammensetzung des LoRa-Funknetzes
Das LoRa-Netzwerk besteht im Wesentlichen aus vier Komponenten: Endgerät (kann über ein integriertes LoRa-Modul verfügen), Gateway (oder Basisstation), Server und Cloud. Anwendungsdaten können in beide Richtungen übertragen werden.
LoRa Alliance Die LoRa Alliance ist eine offene, gemeinnützige Organisation, die im März 2015 von Semtech ins Leben gerufen wurde. Zu ihren Gründungsmitgliedern zählen das französische Unternehmen Actility, das chinesische Unternehmen AUGTEK und die niederländische Telekommunikationsgesellschaft KPN. In weniger als einem Jahr ist die Allianz auf mehr als 150 Mitgliedsunternehmen angewachsen, darunter viele namhafte Hersteller wie IBM, Cisco und das französische Unternehmen Orange. In jedem Glied der Industriekette (Hersteller von Endgeräten, Chiphersteller, Hersteller von Modulen und Gateways, Softwarehersteller, Systemintegratoren, Netzbetreiber) ist eine große Anzahl von Unternehmen vertreten. Die Offenheit dieser Technologie erschwert sowohl den Wettbewerb als auch die Zusammenarbeit. Diese Offenheit hat jedoch die rasante Entwicklung und das florierende Ökosystem von LoRa gefördert.
3. LoRa-Reichweite
Die Reichweite von LoRa hängt von Faktoren wie dem Spreizfaktor (SF), der Bandbreite, der Sendeleistung, dem Antennengewinn und den Umgebungsbedingungen ab.
In städtischen Gebieten erreichen LoRa-Geräte in der Regel Kommunikationsreichweiten von 2–5 km. In vorstädtischen oder ländlichen Gebieten mit weniger Hindernissen sind Reichweiten von 10–20 km üblich, während bei Einsätzen mit direkter Sichtverbindung die Reichweite manchmal sogar 30 km übersteigen kann.
Die tatsächliche Leistung hängt jedoch von der Stärke der Störungen, der Bebauungsdichte und der Platzierung des Gateways ab.
4. LoRaWAN-Netzwerktopologie
LoRaWAN basiert auf einer „Star-of-Stars“-Topologie, bei der Endgeräte mit Gateways kommunizieren und die Gateways die Pakete an Netzwerkserver weiterleiten. Ein Mesh-Netzwerk lässt sich auf Anwendungsebene realisieren, ist jedoch nicht Bestandteil der Standardarchitektur von LoRaWAN.
In dieser Netzwerkarchitektur ist das LoRa-Gateway für die Datenaggregation sowie für die Verbindung zwischen Endgeräten und den Backend-Cloud-Datenservern zuständig. Das Gateway und der Server sind über ein TCP/IP-Netzwerk miteinander verbunden. Zwischen allen Knoten und dem Gateway findet eine bidirektionale Kommunikation statt. Da die Geräte batteriebetrieben sind, befindet sich der Endknoten in der Regel im Ruhezustand. Sobald Daten gesendet werden müssen, wird er aktiviert und sendet die Daten.
Daher können wir mithilfe der LoRa-Technologie bei geringer Sendeleistung größere Übertragungsreichweiten erzielen. Diese Low-Power-Wide-Area-Technologie ist für den großflächigen Einsatz drahtloser Sensornetzwerke unerlässlich.
5. Einführung in das LoRaWAN-Protokoll
LoRaWAN ist ein Kommunikationsprotokoll für Low-Power-Wide-Area-Netzwerke, das auf dem von der LoRa Alliance veröffentlichten Open-Source-Protokoll der MAC-Schicht basiert. Es bietet vor allem lokale, nationale oder globale Netzwerkkommunikationsprotokolle für batteriebetriebene drahtlose Geräte.
LoRaWAN? definiert das Kommunikationsprotokoll und die Systemarchitektur des Netzwerks, während die physikalische Schicht von LoRa® Fernkommunikationsverbindungen ermöglicht. LoRaWAN wurde von Grund auf neu entwickelt und optimiert LPWAN (Low Power Wide Area Network) hinsichtlich Batterielebensdauer, Kapazität, Reichweite und Kosten. Es wird ein Überblick über die LoRaWAN-Spezifikationen in verschiedenen Regionen gegeben, zusammen mit einem allgemeinen Vergleich der Technologien, die im LPWAN-Bereich miteinander konkurrieren.
Obwohl die LoRa-Technologie im industriellen IoT weit verbreitet ist, haben viele Nutzer nach wie vor praktische Fragen zur Implementierung, zur Reichweite, zur Lizenzierung und zur Netzwerkkapazität. Die folgenden FAQs gehen auf einige der häufigsten Bedenken ein.
Häufig gestellte Fragen zur LoRa-Technologie
1. Können LoRa-Signale Wände und Gebäude durchdringen?
LoRa bietet im Allgemeinen eine bessere Signaldurchdringung als WLAN, da es üblicherweise in Frequenzbändern unterhalb von 1 GHz arbeitet. Hindernisse wie Stahlbeton, Metallkonstruktionen und unterirdische Umgebungen können jedoch weiterhin die Signalstärke und die Kommunikationsreichweite beeinträchtigen.
2. Benötige ich eine Lizenz, um LoRa zu nutzen?
In den meisten Ländern wird LoRa in lizenzfreien ISM-Frequenzbändern betrieben, sodass Nutzer LoRa-Netzwerke einrichten können, ohne Frequenzlizenzen erwerben zu müssen. Die verfügbaren Frequenzen und Übertragungsvorschriften variieren jedoch je nach Region.
3. Warum sollte man für IoT-Geräte LoRa statt WLAN verwenden?
LoRa ist für die Kommunikation mit geringem Stromverbrauch und großer Reichweite ausgelegt und eignet sich daher für batteriebetriebene Sensoren, die über große Gebiete verteilt sind. WLAN bietet höhere Datenübertragungsraten, verbraucht jedoch in der Regel mehr Strom und hat eine geringere Reichweite.
4. Ist LoRa besser als Zigbee?
Keine der beiden Technologien ist grundsätzlich besser. LoRa wird häufig für die Fernkommunikation über große geografische Gebiete hinweg eingesetzt, während Zigbee oft für Nahbereichs-Mesh-Netzwerke in Gebäuden und Industrieanlagen bevorzugt wird.
5. Wann sollte LoRa nicht verwendet werden?
LoRa eignet sich nicht für Anwendungen, die eine hohe Bandbreite, Echtzeit-Videoübertragung oder Kommunikation mit extrem geringer Latenz erfordern. Es ist in erster Linie darauf ausgelegt, kleine Datenmengen über große Entfernungen bei minimalem Stromverbrauch zu übertragen.
6. Wie viele Geräte können mit einem LoRa-Netzwerk verbunden werden?
Ein LoRa-Netzwerk kann je nach Gateway-Kapazität, Netzwerkauslegung, Übertragungsfrequenz und Nutzdatengröße Tausende von Geräten unterstützen. Die Skalierbarkeit des Netzwerks ist einer der wichtigsten Vorteile von LoRaWAN-Implementierungen.
7. Funktioniert LoRa auch ohne Internet?
Ja. Die LoRa-Kommunikation zwischen Geräten und Gateways funktioniert auch ohne Internetzugang. Cloud-Plattformen, Fernüberwachungssysteme und eine zentralisierte Datenverwaltung erfordern jedoch in der Regel eine Internetverbindung. In der Praxis, Gateways werden häufig eingesetzt, um LoRa-Sensornetzwerke mit Ethernet, Mobilfunknetzen, MQTT-Brokern und Cloud-Plattformen zu verbinden.
