LoRaWAN erklären

Anfang der 1990er Jahre begann die Verbindung zum Internet als einfacher direkter Weg. Heutzutage sind die Dinge fortgeschrittener und komplexer, aber auch leistungsfähiger geworden. Anstelle einer einzigen Ethernet-Verbindung zum Internet können Mikrocontroller und andere Geräte über eine lange Liste von Protokollen eine Verbindung herstellen: Bluetooth, WiFi, BLE, ZigBee, 3G, 4G, 5G, NFC, RFID, SigFox, DigiMesh, Thread und 6LoWPAN Nennen Sie einige. Jede dieser Verbindungen spielt eine wertvolle Rolle für die Geräteverbindung und Datenübertragung, aber ein aufstrebendes Protokoll, das wir hervorheben möchten, ist LoRaWan .

Wie die oben aufgeführten LoRaWAN ein drahtloses Verbindungsnetzwerk für die Datenkommunikation mit dem Internet. IoT -Anwendungen (Internet der Dinge) zugeschnitten ist eine weitreichende und stromsparende Verbindung zum Internet ohne WLAN erfordern. LoRaWan ist eine großartige Antwort für batteriebetriebene Fernsensoren oder Geräte, die über große Entfernungen oder an abgelegenen Orten kommunizieren. LoRaWan sagte einfach, dass Datenpakete bei Bedarf über große Entfernungen an das nächstgelegene, am besten verfügbare gateway , das die Datenpakete zur Speicherung, Berechnung oder Visualisierung an den Server weiterleitet.

Um mit LoRaWAN besser vertraut zu werden, gehen wir zurück ins Jahr 2009, als der Vorläufer von LoRaWAN namens LPWAN in Frankreich seinen Anfang nahm:

• LPWAN ist ein drahtloses Telekommunikations-Weitverkehrsnetzwerk, das die Kommunikation über große Entfernungen mit einer niedrigen Bitrate für Dinge (verbundene Objekte) ermöglicht, beispielsweise batteriebetriebene Sensoren mit geringem Strombedarf.
• LPWAN ermöglicht die Konnektivität für Netzwerke von Geräten, die weniger Bandbreite benötigen, als die Standard-Heimgeräte bieten
• LPWAN- Netzwerke unterstützen außerdem mehr Geräte in einem größeren Abdeckungsbereich als mobile Verbrauchertechnologien und verfügen über bessere Bidirektionalitätsfähigkeiten
• Netzwerke wie WLAN und Bluetooth eignen sich besser für IoT auf Verbraucherebene , LPWAN kommt jedoch häufiger in industriellen IoT , zivilen und kommerziellen Anwendungen

LPWAN ist das kumulative Netzwerk, das umfasst . Daher handelt es sich nicht um Synonyme, sondern um zwei getrennte Netzwerke. LPWAN kam zuerst und übernahm dann mehrere Netzwerke, von denen jedes seinen eigenen historischen Ursprung hatte. Zu diesen übernommenen Netzwerken gehören AlarmNet (das später von Honeywell übernommen wurde), das 2G-Netzwerk und LoRaWAN, das 2014 von einer Gruppe namens LoRa Alliance gegründet wurde und zu den führenden und beliebtesten Protokollen für vernetzte Geräte zählt.

So funktioniert LoRaWAN:

HINWEIS : Am Ende dieses Beitrags finden Sie eine Liste gebräuchlicher Begriffe und Definitionen als Glossar.

, , Endgeräte bezeichnet . Immer wenn der Sensor einen Messwert erfasst, sendet das Gerät bedingt ein Signal (Datenpaket), dass das gateway die Daten erfassen soll . Die Daten am gateway verwenden nun FSK ( Frequency Shift Keying Chirp Spread Spectrum so effizient wie möglich an den Server zu übertragen . Wenn das Datenpaket vom Endgerät in die Schaltkreise des gateway , erfolgt es in Form von „Chirps“ oder Symbolen, die digitale Informationen darstellen (wie unten). Der Chirp wird dann bis in den Frequenzbereich zerlegt und daraus ein moduliertes Signal für einen effizienten Datentransport.

Nachdem die LoRa-Hardware das Eingangssignal in den Frequenzbereich umgewandelt hat, sucht sie innerhalb des Frequenzbands nach anderen, besseren Frequenzkanälen , die das Signal übertragen können. Sobald das gateway einen findet, moduliert dieser gesamte Prozess die Frequenz des Eingangssignals, um es energieeffizienter zu machen, und „verschiebt“ (daher das „S“ in FSK) das Signal dann auf diesen Kanal, um eine schnelle Datenübertragung zu ermöglichen.

Die Endgeräte und gateway interagieren kontinuierlich miteinander, sodass die Datenübertragung auf andere Frequenzkanäle „springen“ kann, die am besten zu Leistung, Geschwindigkeit, Arbeitszyklus und Reichweitenbeschränkungen des Systems passen.

Während dieser Frequenzmodulation führen andere integrierte Schaltkreise innerhalb des LoRa- gateway andere „Verbesserungs“-Modulationen durch, z. B. das Herausfiltern von Rauschen oder der Unschärfe, die Sie in einem Signal sehen.

Ein weiterer Grund, warum LoRaWAN ein Netzwerk mit geringem Stromverbrauch und großer Reichweite ist, ist einem Prozess namens ADR ( Adaptive Data Rate ) zu verdanken. Genauso wie der FSK-Prozess die Frequenz des Eingangssignals „verschiebt“, um die Effizienz zu steigern, „kommuniziert“ ADR mit dem LoRaWAN-Netzwerkserver, um die Datenrate . So läuft das „Gespräch“ zwischen Gerät und Server ab:

1. Die Endgeräte (Knoten) senden ständig Uplink- Nachrichten an den Netzwerkserver von LoRaWAN. Diese Uplink-Nachrichten bestehen aus zahlreichen Informationen über die letzten 20 Signale des Knotens
2. Der Netzwerkserver analysiert den aktuellen Verlauf des Knotens und führt Vergleiche durch, um festzustellen, wie viel „Spielraum“ für Änderungen vorhanden ist
3. Das Netzwerk stellt möglicherweise fest, dass es einen „Spielraum“ gibt, die Reichweite für etwas Nützlicheres zu opfern, beispielsweise eine schnellere Datenrate. (Beachten Sie im Diagramm, dass der Papierkorb seine Daten an mehr gateway sendet als jedes andere Gerät.)
4. Anstatt langsamere Nachrichten an weit entfernte gateway zu senden, möchte der Server lieber, dass das Endgerät eine schnelle Nachricht an ein gateway in der Nähe sendet.
5. ADR- somit Möglichkeiten zur Steigerung der Datenrate. Wenn die erbrachten Opfer dazu beitragen, dass das System effizienter arbeitet, werden diese Opfer mithilfe von ADR erbracht.

Nachdem das gateway mithilfe der LoRa-Technologie ein Datenpaket empfangen und interpretiert hat, leitet das gateway die Daten über Standard-IP-Verbindungen wie Ethernet oder 3G an den Netzwerkserver weiter. Wenn der Netzwerkserver dasselbe Datenpaket von mehreren gateway empfängt, verarbeitet er nur eines davon und ignoriert die Kopien. Wenn der Server also drei gleiche Datenpakete empfängt, weil der Papierkorb in unserer Abbildung mit drei gateway verbunden ist, wird nur eines dieser Datenpakete verarbeitet, was zu einer äußerst genauen und sehr effizienten Datenübertragung führt.

Kompromisse

Wie bei jeder technischen Anwendung gibt es auch in der Welt von LoRaWAN Kompromisse, wenn es um Leistung, Geschwindigkeit und Reichweite geht. Das folgende einfache Diagramm zeigt die zu berücksichtigenden Punkte.

Zeit des Datenbits erhöhen ——-> Reduziert die Datenrate ——-> Geringere Geschwindigkeit
Verkürzung der Zeit des Datenbits ——-> Erhöht die Datenrate ——-> Höhere Geschwindigkeit
Vergrößerung der Reichweite und Reduzierung der Leistung ——-> Geringere Geschwindigkeit
Erhöhung der Reichweite und Erhöhung der Geschwindigkeit ——–> erfordert höhere Leistung.
Erhöhung der Geschwindigkeit und Reduzierung der Leistung ——-> kürzere Reichweite

Frequenzbänder

LoRaWAN nutzt niedrigere Funkfrequenzen mit größerer Reichweite und die Frequenzbänder unterscheiden sich von Land zu Land.

• Europa : 863-870-MHz- und 433-MHz-Bänder (868 MHz wird von The Things Network verwendet). Drei gemeinsame 125-kHz-Kanäle für das 868-MHz-Band (868,10, 868,30 und 868,50 MHz) müssen von allen Geräten und Netzwerken unterstützt werden.
• USA : 902-928-MHz-Band, unterteilt in 8 Teilbänder. Jedes dieser Teilbänder verfügt über acht 125-kHz-Uplink-Kanäle, einen 500-kHz-Uplink-Kanal und einen 500-kHz-Downlink-Kanal. Im Gegensatz zu den Frequenzkanälen Europas werden die Frequenzkanäle der USA in Uplink- und Downlink-Kanäle unterteilt
• Australien : 915-928-MHz-Band. Die Uplink-Frequenzen in Australien liegen auf höheren Frequenzen als im US-Band. Allerdings sind die Downlink-Frequenzen die gleichen wie im US-Band.
• China : 779-787-MHz-Band mit drei gemeinsamen 125-kHz-Kanälen (779,5, 779,7 und 779,9 MHz), außerdem gibt es ein 470-510-MHz-Band mit 96 Uplink-Kanälen und 48 Downlink-Kanälen

Klassen

LoRaWAN kategorisiert seine Endgeräte in drei verschiedene Klassen, um den unterschiedlichen Anforderungen gerecht zu werden, die sich in der breiten Palette von Anwendungen widerspiegeln.

Klasse A:

• Diese Geräte unterstützen die bidirektionale Kommunikation zwischen einem Gerät und einem gateway
• niedrigste Leistungskategorie
• Geräte der Klasse A funktionieren nur in Anwendungen, bei denen sie eine Uplink-Übertragung senden und kurz darauf auf die Downlink-Kommunikation vom Server warten
• Uplink-Nachrichten können jederzeit gesendet werden
• Nach dem Senden einer Uplink-Nachricht öffnen Geräte der Klasse A zu bestimmten Zeiten zwei Empfangsfenster
• Der Server kann in beiden Fenstern antworten
• Der vom Endgerät für jedes Fenster geplante Übertragungsschlitz (Zeitschlitz) basiert auf seinen eigenen Kommunikationsanforderungen
• Wenn der Server in keinem dieser beiden Empfangsfenster antwortet, erfolgt die nächste Gelegenheit nach der nächsten Uplink-Übertragung

Die erste Zeile im Diagramm ist der chronologische Ablauf des Uplink-/Downlink-Prozesses des Klasse-A-Endgeräts. Zuerst wird ein Uplink-Signal gesendet, gewartet und dann das erste Empfangsfenster geöffnet. wartet erneut und öffnet dann ein zweites Empfangsfenster. Die nächsten beiden Zeilen zeigen den erfolgreichen Empfang eines Downlink -Signals, nachdem die Downlink-Signale vom Empfangsfenster erfasst wurden. Die letzte Zeile zeigt den erfolglosen Empfang eines Downlink-Signals, da es vom Endgerät in keinem Empfangsfenster erfasst wird.

Klasse B:

• Endgeräte der Klasse B sind bidirektional mit geplanten Empfangsslots, wie Klasse A
• Der Unterschied: Geräte der Klasse B öffnen zusätzliche Empfangsfenster
• Im Gegensatz zu Geräten der Klasse A, die ihre Empfangsfenster entsprechend ihren eigenen Kommunikationsanforderungen öffnen, empfangen Geräte der Klasse B einen zeitsynchronisierten Beacon vom gateway , sodass der Server weiß, wann das Endgerät „lauscht“.

Klasse C:

• Geräte der Klasse C sind bidirektional mit maximalen Empfangsslots
• Diese Geräte verfügen über nahezu ständig geöffnete Empfangsfenster, die nur beim Senden geschlossen werden
• Dies ermöglicht eine Kommunikation mit geringer Latenz , verbraucht jedoch um ein Vielfaches mehr Energie als Geräte dieser Klasse

Over-The-Air-Aktivierung (OTAA)

Um an einem LoRaWAN-Netzwerk teilnehmen zu können, muss jedes Endgerät personalisiert und aktiviert . Die Funktionalität dieses Prozesses lässt sich in den folgenden Schritten zusammenfassen:

1. Für die Over-the-Air-Aktivierung müssen Endgeräte ein Join-Verfahren , bevor sie am Datenaustausch mit dem Netzwerkserver teilnehmen können.
2. Für die Beitrittsprozedur muss das Endgerät vor Beginn der Beitrittsprozedur mit den folgenden Informationen personalisiert werden: einer global eindeutigen Endgerätekennung ( DevEUI ), der Anwendungskennung ( AppEUI ) und einem AES-128-Schlüssel ( AppKey ).
3. Die Beitrittsprozedur besteht aus zwei MAC-Nachrichten (Media Access Control), die mit dem Server ausgetauscht werden, nämlich einer Beitrittsanfrage und einer Beitrittsakzeptanz .
4. Das Endgerät sendet die Beitrittsanforderungsnachricht, bestehend aus AppEUI und DevEUI des Endgeräts, gefolgt von DevNonce.
5. Die Beitrittsanforderungsnachricht kann mit jeder Datenrate und einer effizienten Frequenzsprungsequenz über die angegebenen Beitrittskanäle übertragen werden.
6. Der Netzwerkserver antwortet auf die Beitrittsanfragenachricht mit einer Beitrittsakzeptanznachricht, wenn das Endgerät einem Netzwerk beitreten darf.
7. Nach der Aktivierung werden die folgenden Informationen im Endgerät gespeichert: eine Geräteadresse ( DevAddr ), eine Anwendungskennung ( AppEUI ), ein Netzwerksitzungsschlüssel ( NwkSKey ) und ein Anwendungssitzungsschlüssel ( AppSKey ).

Wenn Schritt 7 erfolgreich ist, ist OTAA abgeschlossen.

Aktivierung durch Personalisierung (ABP)

Unter bestimmten Umständen können Endgeräte durch Personalisierung freigeschaltet werden. Durch die Aktivierung durch Personalisierung wird ein Endgerät direkt an ein bestimmtes Netzwerk gebunden, wobei das Verfahren „Beitrittsanfrage – Beitritt akzeptieren“ umgangen wird. Im Gegensatz zu OTAA werden DevAddr und die beiden Sitzungsschlüssel NwkSKey und AppSKey anstelle von DevEUI, AppEUI und AppKey direkt im Endgerät gespeichert. Einfach ausgedrückt ist das Endgerät beim Start bereits mit den erforderlichen Informationen für die Teilnahme an einem bestimmten LoRa-Netzwerk ausgestattet.

Der Vorteil von ABP besteht darin, dass die Verbindung zum Netzwerk einfach ist, da das Gerät in kurzer Zeit betriebsbereit gemacht werden kann, was für bestimmte Anwendungen sehr gut geeignet ist. Der Nachteil besteht darin, dass die Verschlüsselungsschlüssel, die die Kommunikation mit dem Netzwerk ermöglichen, im Gerät vorkonfiguriert sind, was die Sicherheit schwächt.

Abschluss

Zusammenfassend die wichtigsten Punkte von LoRaWan :

• LoRaWAN deckt große Entfernungen ab und eignet sich daher sowohl für städtische als auch ländliche Lösungen
• LoRaWAN verbraucht weniger Strom, was die Technologie ideal für batteriebetriebene Geräte macht
• LoRaWAN bietet Kommunikation mit geringer Bandbreite und ist damit die ideale Lösung für praktische IoT Implementierungen, die weniger Daten erfordern
• Relativ niedrige Bereitstellungskosten im Vergleich zu Mobilgeräten oder WLAN aufgrund der geringeren Anzahl erforderlicher Gateway Geräte
• LoRaWAN unterstützt bidirektionale Kommunikation
• Ein einzelnes LoRaWAN Gateway kann Tausende von Geräten oder Knoten aufnehmen, mehrere Gateway sorgen für Ausfallsicherheit bei intelligenten Lösungen

Glossar der Begriffe

In diesem Abschnitt finden Sie Definitionen technischer Begriffe, die Ihnen beim Verständnis von LoRaWAN helfen. Der Einfachheit halber werden diese Wörter im Tutorial fett hervorgehoben, wenn sie verwendet werden.

Adaptive Datenrate (ADR) : Mechanismus zur Optimierung von Datenraten, Sendezeit und Energieverbrauch im Netzwerk

AppEUI : ist eine globale Anwendungs-ID, die den Speicherplatz anspricht und den Anwendungsanbieter (Eigentümer) des Endgeräts eindeutig identifiziert.

AppKey : ein für das Endgerät spezifischer AES-128-Anwendungsschlüssel, der vom Anwendungseigentümer zugewiesen wird. für dieses Endgerät spezifischen Sitzungsschlüssel NwkSKey und AppSKey

AppSKey : wird sowohl vom Netzwerkserver als auch vom Endgerät verwendet, um das Nutzlastfeld anwendungsspezifischer Datennachrichten zu verschlüsseln und zu entschlüsseln

Band : ein Frequenzbereich mit einer bestimmten kleinsten und größten Frequenz

Bandbreite : misst, wie viele Daten in einer bestimmten Zeit über eine bestimmte Verbindung gesendet werden können (gleichbedeutend mit der Datenrate).

Chirp Spread Spectrum : eine Art Modulationstechnologie, die für die Zuverlässigkeit der Übertragung sowie einen geringen Stromverbrauch verantwortlich ist

Cloud : eine Plattform zum Speichern und Verarbeiten IoT Daten. Die Plattform ist darauf ausgelegt, riesige Datenmengen zu verarbeiten, die von Geräten, Sensoren, Websites, Anwendungen, Kunden und Partnern generiert werden, und Maßnahmen für Echtzeitreaktionen einzuleiten.

Datenrate : die Menge digitaler Daten, die in einer bestimmten Zeit von einem Ort zum anderen übertragen werden; kann als die Geschwindigkeit angesehen werden, mit der eine bestimmte Datenmenge von einem Ort zum anderen gelangt, basierend auf der Bandbreite

DevAddr : enthält eine Netzwerkkennung (NwkID), um Adressen territorial überlappender Netzwerke verschiedener Netzwerkbetreiber zu trennen und Roaming-Probleme zu beheben. Es enthält auch eine Netzwerkadresse (NwkAddr) des Endgeräts.

DevEUI : ein globaler Endgeräte-ID-Adressraum, der das Endgerät eindeutig identifiziert

DevNonce : ein zufälliger Wert, der einem Endgerät zugeordnet ist. Wenn ein Endgerät versucht, sich mit einem DevNonce-Wert, den es zuvor bereits verwendet hat, mit dem Server zu verbinden, ignoriert der Server die Anfrage und verhindert so eine Systemkatastrophe, die als Replay-Angriffe bezeichnet wird

Downlink : die Verbindung (Verbindung) von einem Satelliten zu einer Bodenstation. Die Frequenz von Downlink-Signalen ist tendenziell breiter, um ein großes Gebiet auf der Erde abzudecken und so viele Dienste wie möglich bereitzustellen

Arbeitszyklus : Der Prozentsatz des Verhältnisses der Impulsdauer oder Impulsbreite (PW) zur Gesamtperiode (T) der Wellenform. Arbeitszyklus = PW/T * 100 %

Hier ist ein Diagramm, das Ihnen hilft, sich besser vorzustellen, was ein Arbeitszyklus ist:

Endgerät/Knoten/Endpunkt : ein internetfähiges Computerhardwaregerät. Der Begriff kann sich auf Desktop-Computer, Laptops, Smartphones, Tablets, Thin Clients, Drucker oder buchstäblich jedes Objekt beziehen, das eine Verbindung zum Internet herstellen kann

Frequenzkanal : Wenn ein Band kanalisiert ist, bedeutet das, dass es bestimmte diskrete Frequenzen gibt, die ein Gerät (z. B. ein Radio) verwendet und auf denen Daten übertragen werden. Anstatt willkürlich Frequenzen innerhalb des Bandes auszuwählen, bleibt ein Gerät oder Netzwerk bei einer bestimmten Schrittgröße, um die Effizienz zu steigern und zu vermeiden, dass Lücken zwischen verschiedenen Frequenzen verschwendet werden. Beispielsweise könnten für ein Band von 28–29 MHz drei verschiedene 100-kHz-Kanäle 28,1 MHz, 28,2 MHz, 28,3 MHz usw. sein

Frontend : Benutzer (wie ein Mensch oder ein Programm) interagieren direkt mit der Anwendung

LoRa : eine proprietäre Chirp-Spread-Spectrum-(CSS)-Funkmodulationstechnologie für LPWAN, die von LoRaWAN verwendet wird. LoRa ist die physikalische Schicht, LoRaWAN ist das Netzwerk

LoRaWAN (Long Range Wide Area Network): ein Protokoll der Media Access Control (MAC)-Schicht zur Verwaltung der Kommunikation zwischen LPWAN- gateway und Endknotengeräten, verwaltet von der LoRa Alliance

LPWAN (Low-Power Wide Area Network): eine drahtlose Weitverkehrsnetzwerktechnologie, die auf die Verbindung von Geräten mit Konnektivität mit geringer Bandbreite spezialisiert ist und sich auf Reichweite und Energieeffizienz konzentriert

NwkSKey : wird sowohl vom Netzwerkserver als auch vom Endgerät verwendet, um den MIC (Message Integrity Code) aller Datennachrichten zu berechnen und zu überprüfen, um die Datenintegrität sicherzustellen.

Durchsatz : ein Maß dafür, wie viele Informationseinheiten ein System in einer bestimmten Zeit verarbeiten kann

Uplink : die Verbindung (Verbindung) von einer Bodenstation bis zu einem Satelliten. Bei IoT Anwendungen müssen Signale die Atmosphäre passieren, wo eine Dämpfung unvermeidlich ist (z. B. durch Regen). Um so viel Dämpfung wie möglich zu vermeiden, verstärken Stationen auf der Erde ihre Uplink-Signale mit mehr Leistung, sodass die Frequenz schmaler ist (damit das Signal durch Hindernisse in der Umgebung „passen“ kann). Daher haben Uplink-Signale im Allgemeinen höhere Frequenzen als Downlink-Signale.