Einführung in die LoRa-Technologie
Die LoRa-Technologie ist eine der Kurzstrecken-Kommunikationstechnologien im Internet der Dinge. Zu den gleichen Kurzstrecken-Kommunikationstechnologien gehören Bluetooth, WIFI, Zigbee, etc.
LoRa ist die englische Abkürzung für Long Range. Es handelt sich um eine Art von Low Power Wide Area Network (LPWAN) Kommunikationstechnologie. Es handelt sich dabei um eine Technologie zur Datenübertragung über sehr große Entfernungen und mit geringem Stromverbrauch, die 2013 von Semtech eingeführt wurde. In der Vergangenheit, vor dem Aufkommen von LPWAN, schien es, dass die einzige Wahl zwischen großer Entfernung und niedrigem Stromverbrauch bestand.
Das Aufkommen der LoRa-Technologie hat den Kompromiss zwischen Übertragungsdistanz und Stromverbrauch verändert. Sie ermöglicht nicht nur die Übertragung über große Entfernungen, sondern bietet auch die Vorteile eines geringen Stromverbrauchs und niedriger Kosten. Die LoRa-Netz wird wie in der Abbildung unten dargestellt gebildet. Entfernte Knoten können sich über mehrere Gateways mit dem Back-End-Netzwerkserver verbinden, Daten hochladen und an die Cloud oder den Server senden.
Im LoRa-Netz ist nicht jeder Knoten mit jedem anderen verbunden. Er muss zunächst mit dem Gateway verbunden werden, bevor er eine Verbindung zum zentralen Host herstellen oder Daten an einen anderen Knoten über den zentralen Host übertragen kann. Nachrichten von Endknoten können an mehrere Gateways gleichzeitig übertragen werden, und Nachrichten können auch durch Brücken zwischen Gateways weiter verbreitet werden.
Zusammensetzung des LoRa-Netzes
Das LoRa-Netz besteht hauptsächlich aus vier Teilen: Endgerät (kann über ein eingebautes 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 geleitet wurde. Zu den Gründungsmitgliedern gehören die französische Actility, die chinesische AUGTEK und die Royal Dutch Telecom kpn. In weniger als einem Jahr hat die Allianz mehr als 150 Mitgliedsunternehmen gewonnen, darunter viele schwergewichtige Hersteller wie IBM, Cisco und Orange aus Frankreich. Es gibt eine große Anzahl von Unternehmen in jedem Glied der industriellen Kette (Hersteller von Endgeräte-Hardware, Chiphersteller, Hersteller von Modul-Gateways, Softwarehersteller, Systemintegratoren, Netzbetreiber). Die Offenheit dieser Technologie erschwert den Wettbewerb und die Zusammenarbeit. Die Angemessenheit hat die schnelle Entwicklung und den ökologischen Wohlstand von LoRa gefördert.
Technische Merkmale der LoRa-Technologie
(1) Empfindlichkeit -148dBm, Kommunikationsentfernung >15km;
(2) Minimale Infrastrukturkosten, Nutzung von Gateways/Konzentratoren zur Erweiterung der Systemkapazität
(3) Batterielebensdauer >5 Jahre, Empfangsstrom 10mA, Ruhestrom <200nA
(4) Lizenzfreies Frequenzband, niedrige Kosten für Knotenpunkte/Terminals
Vorteile der LoRa-Technologie
(1) Langer Abstand, Übertragungsdistanz kann 8km erreichen, großer Bereich
(2) Einfacher Aufbau und Einsatz, kann an den meisten Orten installiert und verwendet werden.
(3) Geringer Stromverbrauch und lange Batterielebensdauer
(4) Geringer Stromverbrauch und lange Batterielebensdauer. Der Preis des LoRa-Terminals liegt bei 100-200.
Technische Nachteile von LoRa
(1) Spektrumsinterferenzen: Mit der Zunahme von LoRa-Geräten und -Netzen kommt es zu Frequenzinterferenzen zwischen ihnen.
(2) Das Netz muss neu aufgebaut werden
(3) Die Technologie ist zu stark konzentriert: Die LoRa-Technologie ist zu sehr auf Semtech konzentriert, was für die Entwicklung der Branche nicht förderlich ist
[Erweitert] LoRaWAN-Protokoll
LoRaWAN ist ein Low Power Wide Area Network (LPWAN)-Standard, der auf dem von der LoRa Alliance ins Leben gerufenen Open-Source-MAC-Layer-Protokoll basiert. Diese Technologie kann lokale, nationale oder globale Netze für batteriebetriebene drahtlose Geräte bereitstellen. LoRaWAN zielt auf einige Kernbedürfnisse im Internet der Dinge ab, wie z. B. sichere Zwei-Wege-Kommunikation, mobile Kommunikation und statische Standortidentifikationsdienste. Diese Technologie ermöglicht eine nahtlose Interoperabilität zwischen intelligenten Geräten, ohne dass eine komplexe lokale Konfiguration erforderlich ist, und gibt Nutzern, Entwicklern und Unternehmen im IoT-Bereich freie Betriebsrechte.
Die LoRaWAN-Netzwerkarchitektur ist eine typische Sterntopologie. In dieser Netzwerkarchitektur ist das LoRa-Gateway ein transparentes Übertragungsrelais, das das Endgerät und den zentralen Back-End-Server verbindet. Das Gateway und der Server sind über Standard-IP verbunden, und das Endgerät kommuniziert über einen einzigen Hop mit einem oder mehreren Gateways. Es gibt eine Zwei-Wege-Kommunikation zwischen allen Knoten und Gateways, und Vorgänge wie Cloud-Upgrades werden ebenfalls unterstützt, um die Cloud-Kommunikationszeit zu reduzieren.
Die Kommunikation zwischen dem Terminal und dem Gateway erfolgt auf der Grundlage unterschiedlicher Frequenzen und Datenübertragungsraten. Bei der Wahl der Datenübertragungsrate muss ein Kompromiss zwischen Übertragungsentfernung und Nachrichtenverzögerung gefunden werden. Durch den Einsatz der Spreizspektrums-Technologie werden sich Kommunikationen mit unterschiedlichen Übertragungsraten nicht gegenseitig stören, und es wird eine Reihe von "virtualisierten" Frequenzbändern geschaffen, um die Kapazität des Gateways zu erhöhen.
Die Datenübertragungsrate von LoRaWAN reicht von 0,3 kbps bis 37,5 kbps. Um die Batterielebensdauer des Endgeräts und die gesamte Netzwerkkapazität zu maximieren, steuert der LoRaWAN-Netzwerkserver die Datenübertragungsrate und jeden Zeitpunkt durch ein adaptives Datenratenschema (ADR).
Die Funkfrequenz-Ausgangsleistung eines Endgeräts.
Das Weitverkehrsnetz mit landesweiter Abdeckung zielt auf IoT-Anwendungen wie den Aufbau kritischer Infrastrukturen, die Übertragung vertraulicher persönlicher Daten oder soziale öffentliche Dienste. Was die sichere Kommunikation betrifft, so verwendet LoRaWAN im Allgemeinen eine mehrschichtige Verschlüsselung, um das Problem zu lösen:
1. Eindeutiger Netzwerkschlüssel (EU164) zur Gewährleistung der Sicherheit der Netzwerkebene;
2. Eindeutiger Anwendungsschlüssel (EU164) zur Gewährleistung Kommunikation von Endgerät zu Endgerät auf der Anwendungsebene. Sicherheit;
3. Der spezielle Schlüssel (EUI128), der zu dem Gerät gehört.
Das LoRaWAN-Netz teilt die Endgeräte in drei Kategorien ein: A/B/C entsprechend den verschiedenen tatsächlichen Anwendungen: Klasse A: Endgeräte für die Zwei-Wege-Kommunikation. Dieser Endgerätetyp ermöglicht eine Zwei-Wege-Kommunikation, und jedes Endgerät verfügt neben der Upstream-Übertragung über zwei Downstream-Empfangsfenster. Das Sendefenster des Endgeräts richtet sich nach seinem eigenen Kommunikationsbedarf, und seine Feinabstimmung erfolgt auf der Grundlage einer zufälligen Zeitbasis (ALOHA-Protokoll). Endgeräte der Klasse A haben den geringsten Stromverbrauch während der Anwendung. Nachdem das Endgerät ein Uplink-Übertragungssignal gesendet hat, kann der Server schnell eine Downlink-Kommunikation durchführen. Die Downlink-Kommunikation des Servers kann zu jeder Zeit nur der Uplink-Kommunikation folgen.
Typische Anwendungen der LoRa-Technologie
Intelligentes Ölfeld
Intelligente Ölfelder nutzen verschiedene Online-Echtzeit-Messgeräte, wie z.B. verschiedene Instrumente und andere Informationserfassungsgeräte, die an Öl- und Gasbohrungen, Pipelines, Öl- und Gasverarbeitungs-, -verarbeitungs-, -lagerungs- und -transportanlagen installiert sind, um sich mit dem Unternehmensnetzwerk oder dem Internet zu verbinden, einem Netzwerk für den Informationsaustausch und die Kommunikation, um eine intelligente Identifizierung, Positionierung, Verfolgung, Überwachung und Verwaltung zu erreichen
Verfolgung der Logistik
Eine wichtige Voraussetzung für die Verfolgung oder Positionierung des Marktes ist die Batterielebensdauer des Terminals. Die Ortung in der Logistik kann als praktisches Beispiel für einen hybriden Einsatz dienen. Logistikunternehmen können Netze an den gewünschten Standorten einrichten, je nachdem, welche Position sie benötigen, z. B. in Lagern oder Transportfahrzeugen. Zu diesem Zeitpunkt sind tragbare Basisstationen sehr nützlich. LoRa kann eine solche Bereitstellungslösung bieten. Gleichzeitig hat die LoRa-Technologie die Eigenschaft, dass die Kommunikation bei hohen Geschwindigkeiten relativ stabil ist. LoRa ist für die Logistikverfolgung besser geeignet.
Intelligentes Wasser
Smart Water Affairs erfasst den Betriebszustand der städtischen Wasserversorgungs- und Entwässerungssysteme in Echtzeit mit Hilfe von Online-Überwachungsgeräten wie digitalen Loggern, drahtlosen Netzwerken sowie Wasserqualitäts- und Druckmessgeräten und nutzt eine visuelle Methode, um Wasserwirtschaftsabteilungen und Wasserversorgungs- und Entwässerungsanlagen organisch zu integrieren, um das "Internet der Dinge" für städtische Wasserangelegenheiten zu bilden, und kann zeitnahe Analysen und Verarbeitungen von massiven Informationen über Wasserangelegenheiten durchführen und entsprechende Verarbeitungsergebnisse liefern, um die Entscheidungsfindung zu unterstützen und Vorschläge zu unterbreiten und den gesamten Produktions-, Verwaltungs- und Dienstleistungsprozess des Wasserversorgungssystems in einer verfeinerten und dynamischen Weise zu verwalten, wodurch ein "intelligenter" Zustand erreicht wird.
Intelligente Landwirtschaft
Für die Landwirtschaft werden dringend stromsparende und kostengünstige Sensoren benötigt. Der Einsatz von Sensoren wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit, Kohlendioxid und Salzgehalt ist für die Steigerung der landwirtschaftlichen Erträge und die Senkung des Wasserverbrauchs von großer Bedeutung. Diese Sensoren müssen regelmäßig Daten hochladen. Die LoRa-Technologie ist für solche Szenarien sehr gut geeignet.
Intelligentes Bauen
Bei der Renovierung von Gebäuden werden Sensoren zur Überwachung von Temperatur und Luftfeuchtigkeit, Sicherheit, schädlichen Gasen und Wasserdurchfluss hinzugefügt, und die Überwachungsdaten werden regelmäßig hochgeladen, was die Überwachung durch die Verwalter erleichtert und für die Nutzer bequemer macht. Im Allgemeinen muss die Kommunikation dieser Sensoren nicht besonders häufig erfolgen oder eine besonders gute Servicequalität gewährleisten, und ein tragbares Home-Gateway kann diese Anforderungen erfüllen. Daher ist die LoRa-Technologie in diesem Szenario die geeignetere Wahl.