Das Internet der Dinge (IoT) treibt branchenübergreifend die Nachfrage nach drahtloser Konnektivität voran. Unternehmen in Branchen von der Lieferkette bis zur Infrastruktur möchten entfernte Anlagen drahtlos überwachen, Sendungen verfolgen, Geräte digitalisieren, und mehr. Aber viele drahtlose Technologien wie WLAN und Bluetooth allein reichen für diese Anwendungsfälle mit großer Reichweite nicht aus. Da kommt LoRa ins Spiel – ein aufstrebender drahtloser Standard, der Bluetooth auf Steroiden ähnelt. Aufgrund seiner großen Reichweite und seines geringen Stromverbrauchs scheint es für groß angelegte IoT-Netzwerkbereitstellungen gut geeignet zu sein. In diesem Blog, Ich gebe einen Überblick darüber, was LoRa ist, wie es funktioniert, seine wichtigsten Vorteile, Anwendungen, und Tipps zum Selbstausprobieren.
Die Definition der LoRa-Technologie
LoRa steht für Long Range Radio und ist vor allem für das Internet der Dinge gedacht (IoT) und M2M-Netzwerke. Dabei handelt es sich um eine Art neuen drahtlosen Modulationsansatz, der speziell für die Konnektivität über große Entfernungen und die Kommunikation mit geringem Stromverbrauch entwickelt wurde. Mit dieser Technologie können mandantenfähige oder öffentliche Netzwerke eine Reihe von Anwendungen verbinden, die im selben Netzwerk ausgeführt werden.
Das LoRa-Protokoll umfasst eine Reihe verschiedener Schichten, einschließlich Anwendungs- und Geräteebene für eine sichere Kommunikation, Verschlüsselung im Netzwerk. Jedes einzelne LoRa-Gateway kann bis zu Millionen von Knoten verarbeiten. Die Signale können sich über eine erhebliche Entfernung erstrecken, Dies bedeutet, dass weniger Struktur erforderlich ist, Der Aufbau eines Netzwerks wird schneller und die Implementierung viel billiger.
Es wurde ursprünglich von Cycleo aus Grenoble entwickelt, Frankreich, das von Semtech übernommen wurde 2012. Später, eine gemeinnützige Allianz standardisierte LoRaWAN – ein Kommunikationsprotokoll, das auf der LoRa-Modulation aufbaut. LoRaWAN definiert die Systemarchitektur, während LoRa physische Konnektivität über große Entfernungen bietet.
LoRa-Netzwerkarchitektur
Die LoRaWAN-Architektur besteht aus Endknoten, Gateways, dem Netzwerkserver und dem Anwendungsserver. In Bezug auf die authentische Architektur für das LoRa-Netzwerk, Die Knoten befinden sich normalerweise in einer Stern-von-Stern-Topologie, wobei Gateways eine durchsichtige Brücke bilden. Diese Weiterleitungsnachrichten zwischen dem zentralen Netzwerkserver und den Endgeräten im Backend. Die Kommunikation zu Endpunktknoten erfolgt normalerweise bidirektional, Es ist jedoch auch möglich, den Multicast-Betrieb zu unterstützen, Dies ist nützlich für Funktionen wie dergleichen oder andere Massenverteilungsnachrichten oder Software-Upgrades.
- LoRa-Sensor: Die Endpunkte sind die Elemente des LoRa-Netzwerks, in denen die Steuerung oder Erfassung erfolgt. Sie befinden sich normalerweise entfernt.
- LoRa-Gateway: Das Gateway empfängt die Infrastrukturen von den LoRa-Endpunkten und überträgt sie dann auf das Backhaul-System. Dieser Teil des LoRa-Netzwerks kann zellular sein, Ethernet, oder jede andere drahtlose oder drahtgebundene Telekommunikationsverbindung. Die Gateways sind über typische IP-Verbindungen mit dem Netzwerkserver verbunden. Auf diese Weise, Die Daten verwenden ein typisches Protokoll, können aber mit jedem Telekommunikationsnetz verbunden werden, ob privat oder öffentlich. In Anbetracht der Ähnlichkeit eines LoRa-Netzwerks mit dem eines zellularen Netzwerks, LoRaWAN-Gateways befinden sich häufig zusammen mit einer zellularen Basisstation. Auf diese Weise, Sie können zusätzliche Kapazität im Backhaul-Netzwerk nutzen.
- LoRa-Netzwerkserver: Der LoRa-Netzwerkserver ist im Netzwerk und als Teil seiner Funktion erfolgreich, Es dient dazu, doppelte Pakete zu entfernen, Passt die Datenraten an, und plant Bestätigung. Die Beurteilung der Art und Weise, wie es bereitgestellt und verbunden werden kann, macht die Bereitstellung eines LoRa-Netzwerks sehr einfach.
- Anwendungsserver: Dann, Ein Remote-Computer kann die Aktionen der Endpunkte steuern oder Daten von den Endpunkten sammeln – das LoRa-Netzwerk ist nahezu durchsichtig.
Wie funktioniert die LoRa-Technologie?
LoRa Wireless nutzt Spread-Spectrum-Modulation, Dadurch wird ein Schmalbandsignal über eine größere Kanalbandbreite verteilt. Seine kabellose Magie mit großer Reichweite beruht auf einigen cleveren Optimierungen:
Chirp Spread Spectrum (CSS)
Dies ist die Modulationstechnik der physikalischen Schicht, die von LoRa-Radio verwendet wird. CSS funktioniert, indem es ein Sinussignal nimmt und seine Frequenz linear über die Zeit ändert, Erzeugen eines Chirp-Signals. Dieses Signal wird dann auf eine Trägerfrequenz moduliert.
Durch Chirpen des Signals über eine größere Bandbreite, LoRa verteilt die Energie über einen größeren Frequenzbereich. Dies erhöht die Stör- und Störfestigkeit, und verbessert gleichzeitig den Signalempfang am Gateway.
Adaptive Datenrate (ADR)
Dies ist die Methode von LoRa zur dynamischen Optimierung der Datenraten zwischen den Endknotengeräten und Gateways. Verwendung von ADR, Knoten können auf schnellere Datenraten umsteigen, wenn die Interferenz gering ist, und auf robustere Datenraten umsteigen, wenn die Interferenz zunimmt.
Diese Optimierung gewährleistet die besten Datenraten unter wechselnden Kanalbedingungen, Maximierung sowohl der Batterielebensdauer der Knoten als auch der gesamten Netzwerkkapazität.
Zusammen verleihen CSS und ADR LoRa seine beeindruckende Reichweite und Widerstandsfähigkeit bei minimalem Stromverbrauch. Für andere Systeme erscheinen die Signale rauschartig, Verbesserung der Sicherheit.
Hauptmerkmale und Vorteile der LoRa-Technologie
Werfen wir einen genaueren Blick auf einige der herausragenden Vorteile der LoRa-Funktechnologie:
- Konnektivität mit großer Reichweite– Ermöglicht Bereiche von 15+ km in ländlichen Gebieten und 5+ km in städtischen Gebieten. Ermöglicht eine Abdeckung im Stadtmaßstab, und eine gute Durchdringung von Gebäuden wird erreicht.
- Geringer Strom– Zwischen 10 mA und 100 nA im Schlafmodus. Abhängig von der Anwendung, Die Akkulaufzeit beträgt 2 zu 15 Jahre. Reduziert die Wartungskosten drastisch.
- Sichere Übertragungen– Die AES-128-Bit-Verschlüsselung sichert Daten und verhindert Manipulationen.
- Genaue Geolokalisierung– Signale können den Standort ohne GPS auf mehrere zehn Meter genau bestimmen. Hilfreich für die Vermögensverfolgung.
- Globale Spektrumbänder – 868 MHz (863–870 MHz, in mehrere Teilbänder unterteilt) in Europa und 915 MHz in den USA. Die Kanalnutzungsdauer ist in vielen Ländern durch Vorschriften begrenzt (Auslastungsgrad).
- Bidirektionale Kommunikation– Daten nach oben senden und Konfiguration nach unten verschieben. LoRa-Kommunikationsgeräte ermöglichen die Fernbedienung.
- Hohe Kapazität– Ein einziges LoRa-Gateway kann täglich Millionen von Nachrichten von Tausenden von Geräten verarbeiten.
- Offener Standard– LoRaWAN ist eine offene Spezifikation, die von der gemeinnützigen LoRa Alliance überwacht wird. Fördert Akzeptanz und Interoperabilität.
Grundlagen der LoRa-Technologie
Es gibt mehrere Schlüsselelemente der LoRa-Technologie. Einige der Hauptmerkmale umfassen Folgendes:
- Bis zu Millionen von Knoten
- Lange Akkulaufzeit; in zehn Jahren
- Langstrecken; 15-20 km.
Es gibt verschiedene Elemente der LoRa-Technologie, die allgemeine Konnektivität und Funktionalität bereitstellen.
LoRa-Protokollstapel: Die LoRa Alliance hat auch einen offenen Protokollstapel definiert. Die Schaffung dieses Open-Source-Stacks hat es dem Konzept von LoRa ermöglicht, bei allen verschiedenen Arten von Unternehmen, die an der LoRa-Entwicklung beteiligt sind, an Bedeutung zu gewinnen, Einsatz, und use konnten zusammenkommen, um eine kostengünstige und benutzerfreundliche Lösung für die Konnektivität mit allen Arten vernetzter IoT-Geräte zu schaffen.
LoRa-Netzwerkdesign: Neben den HF-Elementen des LoRa-Funksystems, Es gibt einige andere Elemente der Netzwerkarchitektur, einschließlich des Vorhandenseins einer Gesamtsystemarchitektur, Server, Backhaul, und Anwendungsrechner. Die Gesamtarchitektur wird häufig als LoRaWAN bezeichnet.
LoRa PHY / RF-Schnittstelle: Die physikalische LoRa-Schicht oder PHY ist der Schlüssel zum Betrieb des Systems. Es regelt die Aspekte des HF-Signals, das zwischen den Knoten oder Endpunkten übertragen wird, d.h.. Im LoRa-Gateway und in den Sensoren werden Signale empfangen. Die physikalische Schicht oder Funkschnittstelle regelt Aspekte des Signals einschließlich des Modulationsformats, Leistungsstufen, Frequenzen, Signalisierung zwischen Sende- und Empfangselement, und andere verwandte Themen.
LoRa-Modulation
LoRa-Technologie ist die drahtlose Modulation oder physikalische (PHY) Siliziumschicht, Wird zur Herstellung der Fernkommunikationsverbindung verwendet.
Die physikalische LoRa-Schicht verwendet eine Form der Spreizspektrummodulation. Das LoRa-Modulationssystem verwendet lineare frequenzgesteuerte Breitbandimpulse. Der Pegel der Frequenzzunahme oder -abnahme im Laufe der Zeit wird verwendet, um die zu übertragenden Daten zu codieren, sowie; eine Form der Chirp-Modulation.
Diese Art der Modulation ermöglicht es LoRa-Funksystemen, Signale zu demodulieren, die 20 dB unter dem Grundrauschen liegen, wenn die Demodulation mit einer Weiterleitungsfehlerkorrektur kombiniert wird, FEC. Im Vergleich zu einem herkömmlichen FSK-System; Das Verbindungsbudget für ein LoRa-System kann eine Verbesserung von mehr als 25 dB liefern.
Infolge des Punktes, dass die Übertragung in einer pseudozufälligen Weise verteilt wird, Es kann für Nicht-LoRa-Benutzer schwierig zu erkennen sein und erscheint wie Rauschen. Dies kann die Sicherheit des Systems unterstützen.
Ein weiterer Vorteil des Systems ist die Chirp-Modulation und das System, allgemein, sind tolerant gegenüber Frequenzversätzen und infolgedessen, Es ist möglich, einen einfachen Kristalloszillator mit a zu verwenden 20-30 ppm-Akzeptanz statt eines temperaturabhängigen Oszillators, TCXO. Dies kann zu guten Kosteneinsparungen innerhalb der elektronischen Schaltkreise des Knotens führen.
LoRa-Netzwerksicherheit
Das Thema Netzwerksicherheit wird allmählich wichtiger. Daher erfordern LoRa-Netzwerke ein hohes Maß an Sicherheit, um die Probleme von Systemen zu vermeiden.
Um das erforderliche Sicherheitsniveau für LoRa-Netzwerke zu erreichen, Es wurden mehrere Verschlüsselungsebenen verwendet:
Gerätespezifischer Schlüssel (EUI128).
Der eindeutige Netzwerkschlüssel (EUI64) garantiert Sicherheit auf Netzwerkebene.
Eindeutiger Anwendungsschlüssel (EUI64) End-to-End-Sicherheit zertifizieren.
Durch die Verwendung dieser Verschlüsselungsebenen wird sichergestellt, dass das LoRa-Netzwerk angemessen sicher bleibt.
Anwendungen der LoRa-Technologie
Die drahtlose LoRa-Technologie wird vorzugsweise für die Verwendung in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Aufgrund der großen Reichweite und des geringen Stromverbrauchs können Endpunkte an den unterschiedlichsten Orten eingesetzt werden, außerhalb und innerhalb von Gebäuden und haben immer noch die Fähigkeit, mit dem Gateway zu kommunizieren. Da das System einfach bereitzustellen ist und für eine große Anzahl von IoT verwendet werden kann, Internet-Dinge, und Maschine-zu-Maschine, Anwendungen, M2M. Hier sind einige gängige LoRa-Anwendungen:
Intelligente Städte – Intelligente Messung, Umweltüberwachung, Intelligentes Parken, Straßenbeleuchtung, Abfallmanagement und mehr.
Lieferkettenlogistik – Asset-Verfolgung und -Überwachung, Überwachung der Kühlkette, Flottenmanagement.
Landwirtschaft – Bodenüberwachung, Bewässerungskontrolle, Viehverfolgung.
Industrielles IoT – Geräteüberwachung, vorausschauende Wartung, Automatisierung.
Überwachung der Infrastruktur – Überwachen Sie Bahngleise, Brücken, Tunnel für etwaige physikalische Veränderungen.
Dienstprogramme – Intelligentes Netz, Gas-/Wassermessung, Leckerkennung, dezentrale Stromerzeugung.
Gebäudeautomation – HVAC- und Lichtsteuerung, Energiemanagement, Überwachung der Raumbelegung.
Gesundheitswesen – Nachverfolgung von Gütern, Sensoren für medizinische Geräte, Patientenüberwachung.
Verkauf – Bestandsverwaltung in Lagerhäusern, Geomarketing über Beacons.
LoRa vs. LoRaWAN – Was ist der Unterschied?
LoRa beschreibt die untere physikalische Schicht, Die oberen Netzwerkschichten fehlten. LoRaWAN ist eines der zahlreichen Protokolle, die zur Beschreibung der oberen Schichten des Netzwerks entwickelt wurden. LoRaWAN ist eine Cloud-basierte Medienzugriffskontrolle (MAC) Schichtprotokoll, fungiert jedoch hauptsächlich als Netzwerkschichtprotokoll zur Verwaltung der Kommunikation zwischen Endknotengeräten und LPWAN-Gateways, als Lenkungsprotokoll, gepflegt von der LoRa Alliance. LoRaWAN-Spezifikationsversion 1.0 wurde im Juni veröffentlicht 2015.
LoRaWAN definiert die Systemarchitektur und das Kommunikationsprotokoll für das Netzwerk, während die physikalische LoRa-Schicht die Fernkommunikationsverbindung ermöglicht.
Also zusammengefasst:
LoRa = Modulation der physikalischen Schicht
LoRaWAN = Kommunikationsprotokoll und -architektur
Zusammen bieten sie die Komplettlösung, einschließlich der Konnektivität über große Entfernungen und der flexiblen Netzwerkkommunikationsarchitektur.
Was ist die LoRa Alliance??
Wie bei vielen anderen Systemen, Zur Entwicklung und anschließenden branchenweiten Förderung des drahtlosen LoRa-Systems wurde ein Branchenverband mit dem Namen „ LoRa-Allianz. Es wurde im März ins Leben gerufen 2015. Wie die Allianz feststellt, Es wurde eingerichtet, um einen offenen globalen Standard für Sicherheit bereitzustellen, IoT-LPWAN-Konnektivität in Carrier-Qualität.
Obwohl LoRa im Wesentlichen von Semtech entwickelt wurde, Durch die Öffnung des Standards konnte er von einer Vielzahl von Unternehmen übernommen werden, Dadurch wird das Ökosystem vergrößert und das Engagement deutlich gesteigert, eine größere Produktvielfalt und insgesamt eine Steigerung der Nutzung und Akzeptanz.
Zu den Gründungsmitgliedern der LoRa Alliance gehört Actility, Cisco, Eolane, IBM, Kerlink, IMST, MultiTech, Sagemcom, Semtech, und Mikrochip-Technologie, sowie führende Telekommunikationsbetreiber: Bouygues Telecom, KPN, SingTel, Proximus, Swisscom, und FastNet (Teil von Telkom Südafrika).
Erste Schritte mit der LoRa-Technologie
Grundsätzlich, Jeder kann seine eigene LoRa-Kommunikation betreiben. Da LoRa im nicht zugewiesenen Frequenzbereich arbeitet, Es sind keine Lizenzkosten für Frequenzen erforderlich. Wenn Sie nur in einem begrenzten Bereich ein LoRaWAN einrichten müssen, Der Betrieb Ihrer eigenen Gateways und Server kann sinnvoll sein. Sie möchten Ihre eigenen LoRa- und LoRaWAN-Lösungen entwickeln? Hier erfahren Sie, wie MOKOSmart Ihnen den Einstieg in die LoRa-Technologie erleichtern kann:
– MOKOSmart bietet eine Vielzahl von LoRaWAN-Sensoren für die Vermögensverfolgung, Umweltüberwachung, Parkerkennung und mehr.
– Unsere LoRaWAN-Gateways verfügen über IP66-Gehäuse und integrierte LoRa- und Bluetooth-Leistung.
– Wir bieten Bluetooth-LoRaWAN-Gateways zur Anbindung von Bluetooth-Geräten an.
– Stellen Sie sicher, dass Sie Pilotversuche mit kleinen Testbereitstellungen durchführen, um die Abdeckung und Leistung in der Praxis zu bewerten.
– Nehmen Sie sich Zeit, die vollständige End-to-End-Systemarchitektur zu entwerfen.
– Treten Sie der LoRa Alliance bei, um zusammenzuarbeiten und auf Ressourcen zuzugreifen.
– Mit unseren Sensoren, Gateways, und LoRa-Module, Sie können schnell weitreichende IoT-Netzwerke aufbauen.
Mit einfach zu integrierenden LoRa IoT-Geräten von MOKOSmart, Sie können schnell drahtlose Verbindungen mit großer Reichweite in Ihre IoT-Anwendungen integrieren. Bitten Sie uns um Hilfe beim Einstieg in die LoRa-Technologie.
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