1. Was ist LoRa?
LPWAN (Low-Power Wide-Area Network, Low-Power-Weitverkehrsnetz) ist für IoT-Anwendungen mit geringer Bandbreite, geringem Stromverbrauch, großen Reichweiten und einer großen Anzahl von Verbindungen konzipiert. LoRa verfügt bereits über eine ausgereiftere Ökosystemkette und eine schnellere Kommerzialisierung und wird voraussichtlich in den nächsten Jahren eine exponentielle Wachstumsrate beibehalten.
Drahtlose Technologien in IoT-Anwendungen lassen sich im Wesentlichen in zwei Arten unterteilen. Zum einen handelt es sich um drahtlose Nahbereichstechnologien wie Bluetooth, WLAN und ZigBee. Zum anderen gibt es die Technologie, die die Grundlage bildet für die Weitverkehrsnetz, wie beispielsweise 2G/3G/4G. Die Vor- und Nachteile der einzelnen Technologien liegen auf der Hand. Vor dem Aufkommen der LPWAN-Technologie musste man sich in der Regel zwischen großer Reichweite und geringem Stromverbrauch entscheiden. Seit dem Aufkommen der LPWAN-Technologie lässt sich sagen, dass das Dilemma zwischen „Fisch und Bärenpfote“ ausgeglichen wurde. Neben einer größeren Kommunikationsreichweite und extrem geringem Stromverbrauch lassen sich zudem zusätzliche Kosten für Repeater einsparen.
LoRa ist eine sehr repräsentative Technologie im Bereich der LPWAN-Kommunikation. Es handelt sich um eine Lösung für die drahtlose Übertragung über extrem große Entfernungen, die auf der Spread-Spectrum-Technologie basiert und vom amerikanischen Unternehmen Semtech eingeführt und gefördert wird. Diese Übertragungslösung hebt den bisherigen Kompromiss zwischen Übertragungsreichweite und Stromverbrauch auf und bietet ein einfaches System, das große Entfernungen, lange Batterielaufzeiten und hohe Kapazitäten ermöglicht und damit das Sensornetzwerk erweitert. Derzeit wird LoRa weltweit hauptsächlich in freien Frequenzbändern betrieben, darunter 433, 868 und 915 MHz.
2. Was sind die Vorteile und Merkmale von LoRa?
1. Verbesserte Empfangsempfindlichkeit und geringerer Stromverbrauch.
Das Link-Budget von bis zu 157 dB ermöglicht eine Kommunikationsreichweite von bis zu 15 Kilometern (abhängig von den Umgebungsbedingungen). Der Empfangsstrom beträgt lediglich 10 mA und der Ruhestrom 200 nA, was die Batterielebensdauer erheblich verlängert.
2. Das auf dieser Technologie basierende Gateway/der Konzentrator unterstützt die parallele Verarbeitung mehrerer Kanäle und verschiedener Datenraten und verfügt über eine hohe Systemkapazität.
Das Gateway bildet die Brücke zwischen dem Knoten und dem IP-Netzwerk (über 2G/3G/4G oder Ethernet). Jedes Gateway kann täglich 5 Millionen Kommunikationsvorgänge zwischen Knoten verarbeiten (unter der Annahme, dass jeweils 10 Byte gesendet werden und die Netzwerkauslastung 10% beträgt). Wird das Gateway am Standort einer bestehenden Mobilfunkbasisstation mit einer Sendeleistung von 20 dBm (100 mW) installiert, beträgt die Reichweite in einer dicht bebauten städtischen Umgebung etwa 2 Kilometer; in Vororten mit geringerer Bebauungsdichte kann die Reichweite bis zu 10 Kilometer betragen.
3. Systeme, die auf Endgeräten und Konzentratoren/Gateways basieren, können Entfernungsmessung und Ortung unterstützen.
Die Entfernungsmessung bei LoRa basiert auf der Übertragungszeit des Signals durch die Luft und nicht auf dem herkömmlichen RSSI (Received Signal Strength Indication), während die Positionsbestimmung auf der Messung der Differenz der Übertragungszeiten zwischen mehreren Punkten (Gateways) und einem Punkt (Knoten) beruht. Die Ortungsgenauigkeit kann bis zu 5 m betragen (bei einer Reichweite von 10 km).
3. Wie sieht die Netzwerkarchitektur von LoRa aus?
Das LoRa-Netzwerk besteht hauptsächlich aus Endgeräten (die über integrierte LoRa-Module verfügen können), Gateways (oder Basisstationen), Netzwerkservern und Anwendungsservern. Seine Netzwerkarchitektur weist eine typische Sterntopologie auf. In dieser Netzwerkarchitektur fungiert das LoRa-Gateway als transparenter Übertragungsrelais, der das Endgerät mit dem zentralen Backend-Server verbindet. Endgeräte kommunizieren über einen einzigen Hop mit einem oder mehreren Gateways. Zwischen allen Knoten und dem Gateway besteht eine bidirektionale Kommunikation.
Bei den Endknoten von LoRa kann es sich um verschiedene Geräte handeln, wie beispielsweise Wasser- und Gaszähler, Rauchmelder, Haustier-Tracker usw. Diese Knoten werden zunächst über die LoRa-Funkverbindung mit dem LoRa-Gateway verbunden und anschließend über das 3G-Netz oder ein Ethernet-Netzwerk mit dem Netzwerkserver verbunden. Das Gateway und der Netzwerkserver kommunizieren über das TCP/IP-Protokoll.
LoRa-Endgeräte
Bei den Endknoten von LoRa kann es sich um verschiedene Geräte handeln, wie beispielsweise Wasser- und Gaszähler, Rauchmelder, Haustier-Tracker usw. Diese Knoten werden zunächst über die LoRa-Funkverbindung mit dem LoRa-Gateway verbunden und anschließend über das 3G-Netz oder ein Ethernet-Netzwerk mit dem Netzwerkserver verbunden. Das Gateway und der Netzwerkserver kommunizieren über das TCP/IP-Protokoll.
Das LoRa-Netzwerk unterteilt Endgeräte in drei Kategorien: A/B/C:
Klasse A: Endgeräte für die bidirektionale Kommunikation. Diese Art von Endgeräten ermöglicht eine bidirektionale Kommunikation, wobei jede Upstream-Übertragung eines Endgeräts von zwei Downstream-Empfangsfenstern begleitet wird. Der Übertragungszeitschlitz des Endgeräts richtet sich nach dessen eigenen Kommunikationsanforderungen, und die Feinabstimmung erfolgt auf Basis des ALOHA-Protokolls.
Geräte der Klasse A weisen den geringsten Stromverbrauch auf, und die Downlink-Kommunikation der Basisstation kann erst nach der Uplink-Kommunikation des Endgeräts stattfinden.
Klasse B: Endgeräte für die bidirektionale Kommunikation mit voreingestellten Empfangszeitfenstern. Diese Art von Endgeräten öffnet während des voreingestellten Zeitraums redundante Empfangsfenster. Zu diesem Zweck empfängt das Endgerät synchron ein Beacon vom Gateway und synchronisiert über dieses Beacon die Zeit der Basisstation und des Moduls.
Endgeräte der Klasse B können der Basisstation mitteilen, dass das Endgerät Daten empfängt
Klasse C: Endgeräte für die bidirektionale Kommunikation mit maximalem Empfangsfenster. Endgeräte dieser Art halten das Empfangsfenster offen und schließen es nur während der Übertragung.
Geräte der Klasse C haben das längste Empfangsfenster und verbrauchen am meisten Strom
4. Anwendungsszenarien für LoRa
Auf LoRaWAN basierende Netzwerke ermöglichen eine sichere bidirektionale Kommunikation über große Entfernungen und decken städtische Gebiete mit minimalem Netzausbau ab. LoRa wird in verschiedenen Anwendungsbereichen wie der intelligenten Landwirtschaft, intelligenten Gebäuden und der intelligenten Logistik breite Anwendung finden.
1. Intelligente Landwirtschaft
In der Landwirtschaft besteht ein dringender Bedarf an Sensoren mit geringem Stromverbrauch und niedrigen Kosten. Der Einsatz von Sensoren zur Messung von Temperatur und Luftfeuchtigkeit, Kohlendioxid und Salzgehalt ist für die Landwirtschaft von großer Bedeutung, um den Ertrag zu steigern und den Wasserverbrauch zu senken. Diese Datenindikatoren ändern sich jedoch innerhalb kurzer Zeit nicht wesentlich, das Datenvolumen ist gering und es besteht kein hoher Echtzeitbedarf. Daher ist LoRa zweifellos die beste Wahl.
2. Intelligente Gebäude
Bei der Sanierung von Gebäuden werden Sensoren zur Überwachung von Temperatur und Luftfeuchtigkeit, zur Sicherheit, zur Erkennung schädlicher Gase sowie zur Durchflussmessung installiert, und die Überwachungsdaten werden regelmäßig hochgeladen. Dies erleichtert die Kontrolle durch die Verwalter und bietet den Nutzern mehr Komfort. Im Allgemeinen muss die Kommunikation dieser Sensoren weder besonders häufig erfolgen noch eine besonders hohe Dienstqualität gewährleisten. Gleichzeitig kann ein tragbares Heim-Gateway die Anforderungen erfüllen, sodass LoRa in diesem Szenario die geeignetere Wahl ist.
3. Automatisierte Fertigung
In der automatisierten industriellen Fertigungsumgebung kommen zahlreiche intelligente Technologien zum Einsatz, und im Netzwerk werden vielfältige Informationsdaten ausgetauscht. Daher stehen die Eigenschaften des gewählten Netzwerks in direktem Zusammenhang mit der Ausführungsqualität des Produktionsplans. In manchen Szenarien sind kostengünstige Sensoren mit geringem Stromverbrauch und langlebigen Batterien erforderlich, um Anlagen zu orten und deren Status zu überwachen. In diesem Fall ist LoRa eine sinnvolle Wahl.
4. Intelligente Logistik
Die Logistikbranche Da das Netzwerk ein sehr großes geografisches Gebiet abdeckt, stehen bei der Auswahl eines Netzwerks vor allem geringe Investitionskosten und eine lange Lebensdauer im Vordergrund. Um Paletten nachverfolgen und den Standort sowie den Status von Waren ermitteln zu können, müssen für Speditionen alle am gesamten Logistikprozess beteiligten Einrichtungen vom Netzwerk abgedeckt sein.
Dies erfordert nicht nur, dass die Netzwerkknoten kostengünstig genug sind, um einen großflächigen Einsatz zu ermöglichen, sondern auch, dass sie mobil sind, damit sie als mobiles Gateway auf Transportfahrzeugen installiert werden können. Auf diese Weise kann die NB-IoT-Technologie, die auf einem 4G-Basisstationsnetz basiert, diese Anforderung offensichtlich nicht erfüllen. Die niedrigen Kosten, die lange Akkulaufzeit, die hohe Mobilität und die Kommunikationsstabilität bei hohen Geschwindigkeiten machen LoRa im Bereich der intelligenten Logistik einzigartig. Es ist wegweisend.
Im Zuge der neuen Entwicklungswelle des Internets der Dinge, im Bereich der Low-Power-Wide-Area-Netzwerke und vor dem Hintergrund des großflächigen Ausbaus und der Anwendung in entwickelten Märkten nutzen auch inländische Akteure offene Konzepte, um den großflächigen Ausbau und die Einführung von LoRa-Netzwerken im Land voranzutreiben. Was die Anwendung betrifft, so bin ich davon überzeugt, dass dieses auf dem Konzept der Sharing Economy basierende LoRa-Netzwerk auf Ebene der inländischen Netzbetreiber mit der Zunahme der industriellen Anwendungen auch zum Kernbereich der globalen LoRa-Strategie werden wird.
Derzeit entwickeln sich die beiden weltweit führenden IoT-Netzwerke, NB-IoT und LoRa, in China rasant. Nach Angaben der zuständigen Behörden wurden in verschiedenen Provinzen Chinas bereits mehr als tausend IoT-Anwendungsprodukte auf den Markt gebracht. Berichten zufolge sind 70% Unternehmen aktiv auf der Suche nach ausgereiften, zuverlässigen und schnell implementierbaren IoT-Produkten. Die meisten Unternehmen beziehen LoRa-IoT-Lösungen von der IOTRouter Technology Co., Ltd. Das Unternehmen entwickelt LoRa-IoT-Produkte im Auftrag Dritter, um das IoT-Geschäft zügig auszubauen und in Städten im ganzen Land eine führende Rolle im IoT-Bereich einzunehmen. Die Situation, in der “China als Wegweiser für die Entwicklung des weltweiten Internets der Dinge gilt”, nimmt allmählich Gestalt an.
Zusammenfassend
Low Power Wide Area Network (LPWAN) ist ein unverzichtbarer Bestandteil des Internets der Dinge. Es zeichnet sich durch Flexibilität und Skalierbarkeit aus und kann sowohl in großem als auch in kleinem Maßstab eingesetzt werden. Dies ist in der Wachstums- und Erkundungsphase der IoT-Branche unerlässlich. Es gilt als die am besten geeignete Technologie für das Internet der Dinge. LoRa ist sicher und zuverlässig und verfügt über Funktionen wie Zwei-Wege-Authentifizierung, End-to-End-Verschlüsselung und Integritätsschutz. In Bezug auf das Sicherheitsdesign ist es umfassend und zukunftsorientiert. Die Sicherheit im Internet der Dinge darf jedoch nicht vernachlässigt werden und erfordert gemeinsame Anstrengungen der Branche, um sie weiter voranzutreiben.
