LoRa ist eine der LPWAN-Kommunikationstechnologien. Es handelt sich um eine Lösung für die drahtlose Übertragung über extrem große Entfernungen, die auf der Spread-Spectrum-Technologie basiert und von dem amerikanischen Unternehmen Semtech eingeführt und gefördert wird. Diese Lösung hebt den bisherigen Kompromiss zwischen Übertragungsreichweite und Stromverbrauch auf und bietet Anwendern ein einfaches System, das große Reichweiten, lange Batterielebensdauer und hohe Kapazität ermöglicht und somit das Sensornetzwerk erweitert. Derzeit wird LoRa weltweit hauptsächlich in freien Frequenzbändern betrieben, darunter 433, 868 und 915 MHz.
Im Folgenden finden Sie eine Liste mit Fragen und Antworten zu LoRa, die Ihnen helfen soll, die Grundlagen von LoRa besser zu verstehen:
1. Was ist die LoRa-Modulation?
LoRa (Long Range) ist eine Modulationstechnologie, die größere Kommunikationsreichweiten ermöglicht als vergleichbare Technologien. Die Modulation basiert auf der Spread-Spectrum-Technologie, einer Variante der linearen Spread-Spectrum-Modulation (CSS), mit Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC).
LoRa verbessert die Empfangsempfindlichkeit erheblich und nutzt – wie andere Spread-Spectrum-Technologien auch – die gesamte Kanalbandbreite zur Signalübertragung, wodurch das System widerstandsfähiger gegenüber Kanalrauschen ist und dank der Verwendung kostengünstiger Quarzoszillatoren unempfindlich gegenüber Frequenzabweichungen ist.
LoRa kann das Signal 19,5 dB unterhalb der Rauschgrenze modulieren, während die meisten Frequenzumtastungsverfahren (FSK) eine Signalleistung von 8–10 dB über der Rauschgrenze erfordern, um korrekt zu modulieren. Die LoRa-Modulation ist die physikalische Schicht (PHY) und kann von verschiedenen Protokollen und Netzwerkarchitekturen genutzt werden – Mesh, Sternnetz, Punkt-zu-Punkt usw.
2. Was ist der Unterschied zwischen der LoRa-Technologie, SIGFOX und NWave?
Im Allgemeinen nutzt die LoRa-Technologie eine Spreizspektrum-Technologie; SIGFOX nutzt die Schmalband-BPSK-Modulationstechnologie; NWave nutzt den „Weightless“-Standard, der der von SIGFOX verwendeten Technologie ähnelt.
Unternehmen, die derzeit Ultra-Schmalband-Technologie einsetzen, haben eine große Auswahl an Transceiver-Chips, während für LoRa ausschließlich Chips von Semtech verwendet werden können.
3. Wie geht LoRa mit Störungen um?
Das LoRa-Modem kann GMSK-Störungen im gleichen Kanal um bis zu 19,5 dB unterdrücken, d. h., es kann Signale empfangen, die 19,5 dB schwächer sind als das Störsignal oder der Rauschpegel. Aufgrund dieser starken Störfestigkeit kann das LoRa™-Modulationssystem nicht nur in Frequenzbändern mit hoher Spektrumauslastung eingesetzt werden, sondern auch in hybriden Kommunikationsnetzen, um die Abdeckung zu erweitern, wenn das ursprüngliche Modulationsschema im Netzwerk versagt.
4. Wie hoch ist die Datenübertragungsrate von LoRa?
LoRaWAN definiert einen bestimmten Satz von Datenraten, doch der Endchip oder die PHY-Schicht kann über eine Vielzahl von Optionen verfügen.
5. Was ist ein LoRa-Gateway?
LoRa-Gateways sind für Sternnetzwerke mit großer Reichweite ausgelegt und kommen in LoRaWAN-Systemen zum Einsatz. Es handelt sich um Mehrkanal-Transceiver mit mehreren Modulationsverfahren, die mehrere Kanäle gleichzeitig demodulieren können. Aufgrund der Eigenschaften von LoRa können sie sogar mehrere Signale gleichzeitig auf demselben Kanal demodulieren. Das Gateway verwendet andere HF-Komponenten als die Endknoten, verfügt über eine höhere Kapazität und fungiert als transparente Brücke zur Weiterleitung von Nachrichten zwischen dem Endgerät und dem zentralen Netzwerkserver.
Das Gateway ist über eine Standard-IP-Verbindung mit dem Netzwerkserver verbunden, und das Endgerät nutzt eine drahtlose Single-Hop-Kommunikation zu einem oder mehreren Gateways. Die Kommunikation zwischen allen Endknoten erfolgt in der Regel in beide Richtungen, unterstützt jedoch auch Vorgänge wie Multicast-Funktionen, Software-Upgrades, drahtlose Übertragung oder andere Massenübermittlungen von Nachrichten, wodurch die Dauer der drahtlosen Kommunikation verkürzt wird. Je nach erforderlicher Kapazität und Installationsort (Privathaushalt oder Sendemast) stehen verschiedene Gateway-Versionen zur Verfügung.
6. Was ist ein LoRa-Konzentrator?
Die Begriffe „Gateway“ und „Konzentrator“ werden beide verwendet, bezeichnen jedoch im LoRa-System gleichwertige Komponenten. In anderen Branchen beziehen sich die Begriffe „Gateway“ und „Konzentrator“ auf unterschiedliche Komponenten.
7. Was ist LoRaWAN?
Die LoRa-Modulation ist ein PHY-Protokoll, LoRaWAN ist ein MAC-Protokoll, das für Sternnetzwerke mit hoher Kapazität, großer Reichweite und geringem Stromverbrauch eingesetzt wird, und die LoRa Alliance standardisiert Low-Power-Wide-Area-Netzwerke (LPWAN).
Das LoRaWAN-Protokoll ist für batteriebetriebene Sensoren mit geringem Stromverbrauch optimiert und umfasst verschiedene Ebenen von Endknoten, um ein optimales Gleichgewicht zwischen Netzwerklatenz und Batterielaufzeit zu gewährleisten. Es ist vollständig bidirektional und wurde von Sicherheitsexperten entwickelt, um Zuverlässigkeit und Sicherheit zu gewährleisten.
Die LoRaWAN-Architektur kann zudem bewegliche Ziele für die Bestandsverfolgung problemlos orten – dies ist der am schnellsten wachsende Anwendungsbereich des Internets der Dinge. Große Telekommunikationsanbieter bauen LoRaWAN als flächendeckendes Netz auf, und die LoRa Alliance standardisiert LoRaWAN, um die Interoperabilität der verschiedenen nationalen Netze sicherzustellen.
8. Wie hoch ist die Datenübertragungsrate von LoRaWAN?
Bei LoRa liegt die LoRaWAN-Datenrate zwischen 0,3 kbit/s und 11 kbit/s, während die GFSK-Datenrate in Europa 50 kbit/s beträgt. In Nordamerika beträgt die Mindestdatenrate aufgrund von FCC-Beschränkungen 0,9 kbit/s. Um die Akkulaufzeit der Endgeräte und die Gesamtkapazität des Netzwerks zu maximieren, steuert der LoRaWAN-Netzwerkserver die Datenrate und die HF-Ausgangsleistung jedes Endgeräts individuell mithilfe des Adaptive Data Rate (ADR)-Algorithmus.
ADR ist für Hochleistungsnetzwerke von entscheidender Bedeutung und skalierbar. Was die Infrastruktur betrifft, lässt sich ein Netzwerk mit minimalem Investitionsaufwand aufbauen. Wenn die Kapazität erhöht werden muss, werden einfach weitere Gateways bereitgestellt. ADR erhöht die Datenrate und erweitert die Netzwerkkapazität um das 6- bis 8-Fache.
9. Wie hoch ist die Kapazität eines LoRa-Gateways? Wie viele Knoten können an ein Gateway angeschlossen werden?
In erster Linie ergibt sich die Kapazität aus der Anzahl der Pakete, die innerhalb eines bestimmten Zeitraums angenommen werden. Ein Gateway verfügt über 8 Kanäle und kann mithilfe des LoRaWAN-Protokolls täglich fast 1,5 Millionen Datenpakete empfangen. Wenn Ihre Anwendung also ein Paket pro Stunde sendet, kann ein einzelnes Gateway etwa 62.500 Endgeräte verwalten.
10. Was ist ein LoRa-Endknoten oder -Punkt?
LoRa-Endknoten sind Komponenten des LoRa-Netzwerks, die Mess- oder Steuerungsaufgaben übernehmen. Diese Endknoten stellen über das LoRaWAN-Netzwerkprotokoll eine Verbindung zu einem LoRa-Gateway (Konzentrator oder Basisstation) her.
11. Was ist Adaptive Data Rate (ADR)?
ADR ist ein Verfahren, bei dem die tatsächliche Datenrate angepasst wird, um eine zuverlässige Paketübertragung, eine optimale Netzwerkleistung und eine Skalierung der Kapazität zu gewährleisten. So verwenden beispielsweise Knoten, die näher am Gateway liegen, höhere Datenraten (kürzere Übertragungszeiten) und eine geringere Sendeleistung. Nur Knoten, die sich am äußersten Rand des Link-Budgets befinden, nutzen die niedrigste Datenrate und die maximale Sendeleistung.
Das ADR-Verfahren kann sich an Veränderungen in der Netzwerkinfrastruktur anpassen und schwankende Pfadverluste ausgleichen. Um die Batterielebensdauer der Endgeräte und die Gesamtkapazität des Netzwerks zu maximieren, steuert die LoRa-Netzwerkinfrastruktur durch den Einsatz von ADR die Datenrate und die HF-Ausgangsleistung jedes einzelnen Endgeräts separat.
12. Wie funktioniert der LoRa-Kanalaktivitätserkennungsmodus (CAD)?
CAD wird verwendet, um das Vorhandensein von LoRa-Signalen zu erkennen, anstatt anhand der Empfangssignalstärke (RSSI) festzustellen, ob ein Signal vorhanden ist. Es kann Rauschen vom gewünschten LoRa-Signal unterscheiden. Der CAD-Prozess benötigt beide Symbole. Wird ein Signal von CAD erkannt, wird der Interrupt „CAD_Detected“ aktiv, und das Gerät wechselt in den RX-Modus, um die Daten-Nutzlast zu empfangen.
13. In welchem Zusammenhang stehen Signalbandbreite (BW), Symbolrate (Rs) und Datenrate (DR)?
Theoretisch gilt: Rs = BW / (2^SF), DR = SF * (BW / 2^SF) * CR. Wir empfehlen Ihnen jedoch, den Semtech LoRa-Modem-Rechner zu verwenden, um die Datenrate und die Übertragungszeit für verschiedene Konfigurationsoptionen zu berechnen.
14. Wie wählt man die LoRa-Signalbandbreite (BW), den Spreizfaktor (SF) und die Codierungsrate (CR) aus?
LoRaWAN verwendet in erster Linie die Signalbandbreite von 125 kHz, doch andere spezialisierte Protokolle können auch andere Einstellungen für die Signalbandbreite (BW) nutzen.
Eine Änderung von BW, SF und CR wirkt sich auch auf das Link-Budget und die Übertragungszeit aus, was einen Kompromiss zwischen Akkulaufzeit und Reichweite erfordert. Bitte nutzen Sie den LoRa-Modem-Rechner, um diese Kompromisse zu bewerten.
15. Handelt es sich bei LoRa um ein Mesh-Netzwerk, eine Punkt-zu-Punkt-Übertragung oder ein Netzwerk?
LoRa selbst ist eine PHY-Schicht und kann in allen Netzwerktopologien eingesetzt werden. Mesh-Netzwerke erweitern die Reichweite des Netzwerks, allerdings auf Kosten einer geringeren Netzwerkkapazität, eines Synchronisations-Overheads sowie einer verkürzten Batterielebensdauer aufgrund der Synchronisation und der Anzahl der Hops. LoRa-Gateways und -Module sind in einem Sternnetzwerk miteinander verbunden, während LoRa-Module theoretisch auch in einer Punkt-zu-Punkt-Abfrage vernetzt werden können. Natürlich ist die Effizienz einer Punkt-zu-Punkt-Abfrage deutlich geringer als die eines Sternnetzwerks.
Da sich das Link-Budget und die Reichweite von LoRa erhöhen, ist der Einsatz einer Mesh-Netzwerkarchitektur zur Erweiterung der Reichweite nicht mehr erforderlich, weshalb LoRaWAN eine Sternarchitektur wählt, um die Netzwerkkapazität, die Batterielebensdauer und die einfache Installation zu optimieren.
