Was ist LoRa? Eine technische Aufschlüsselung

"Was ist LoRa?" Wenn mir jemand diese Frage stellt, kann ich nicht genau antworten, ohne zu wissen, warum sie fragen. Das liegt daran, dass sich LoRa auf mehr als eine Sache beziehen kann:

• Technisch gesehen handelt es sich um ein Funkmodulationsschema – eine Möglichkeit, eine Funkwelle zu manipulieren, um Informationen mithilfe eines gechirpten Multisymbolformats zu kodieren.
• LoRa bezieht sich auch auf die Systeme, die die Modulation unterstützen, einschließlich LoRa-Chips und Gateways.
• Manchmal bezieht es sich auf das LoRa-Kommunikationsnetzwerk für IoT-Anwendungen.

LoRa ist im Wesentlichen ein cleverer Weg, um mit kostengünstigen Chips eine sehr gute Empfängerempfindlichkeit und eine niedrige Bitfehlerrate (BER) zu erzielen. Das bedeutet, dass Anwendungen mit niedriger Datenrate mit LoRa eine viel größere Reichweite erzielen können, anstatt andere vergleichbare Funktechnologien zu verwenden.

Manchmal sagen die Leute auch LoRa wenn sie LoRaWAN meinen .

Aber LoRaWAN ist anders. Es ist ein Protokoll der Media Access Control (MAC)-Schicht, das auf LoRa basiert und mit dem LoRa-Modulationsschema von Semtech erstellt wurde. LoRaWAN wird jedoch selten für industrielle (private Netzwerk-) Anwendungen verwendet. Es eignet sich besser für öffentliche Weitverkehrsnetze, da alle Kanäle auf die gleichen Frequenzen eingestellt sind; für die Verwendung in einem Bereich ist es besser, nur ein Netzwerk zu betreiben, um Kollisionsprobleme zu vermeiden.

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Da alle Gateways in einem Netzwerk an denselben Server gebunden sind, ist es die Aufgabe des Servers zu entscheiden, welches Gateway auf eine Übertragung antworten soll. In einem großen Netzwerk wird jede gegebene Übertragung typischerweise von mehreren Empfängern gehört; der Server weist dann ein Gateway an, zu antworten und die anderen, die Übertragung zu ignorieren. Dieser Prozess hilft, Downlink- und Uplink-Kollisionen zu vermeiden, da ein einzelnes Gateway überträgt und die Gateways, die sich überlappen, einfach auf andere Übertragungen lauschen können. (Sie können hier mehr über LoRaWAN lesen.)

Was viele Leute nicht wissen, ist, dass es eine Möglichkeit gibt, die zugrunde liegende Technologie von LoRaWAN – also LoRa – ohne . zu nutzen mit LoRaWAN. Symphony Link von Link Labs beispielsweise verwendet eine proprietäre MAC-Schicht auf den Chips von Semtech und verfügt über zusätzliche Funktionen, die es besser für Unternehmen und Industriekunden geeignet machen, die eine Möglichkeit benötigen, ihre IoT-Geräte sicher mit der Cloud zu verbinden. Es gibt viele Unternehmen, die LoRa-Chips für andere Protokolle verwenden. Alles was du tun musst, ist sie aufzusuchen.

Die technische Antwort auf „Was ist LoRa?“

Aus technischer Sicht ist LoRa ein einzigartiges (und großartiges) Modulationsformat. Dieses Video ist das beste LoRa-Intro, das ich gefunden habe. (Vorbehalt:Es ist sehr technisch.)

Das von Semtech LoRa IOT-Teilen generierte Modulationsformat, einschließlich der Transceiver-Chips SX1272 und SX1276, lässt sich am besten als „frequenzmoduliertes (FM) Chirp“ beschreiben. Die Kern-IP, die LoRa ermöglicht, ist die Fähigkeit, einen stabilen Chirp unter Verwendung einer Frac-N-Phasenregelschleife (PLL) zu erzeugen. Hier können Sie das Kernpatent von LoRa lesen. Andere Modulationsformate umfassen Frequenzumtastung (FSK), Phasenumtastung (PSK) usw. Es ist wichtig, sich bei der Frage „Was ist LoRa?“ daran zu erinnern. dass LoRa selbst keine Systemfunktionalität über der physikalischen (RF-Medium) Schicht beschreibt.

Das LoRa IoT-Protokoll

EINE PHYSIKALISCHE SCHICHT (PHYOSI-SCHICHT 1) DRAHTLOSE KOMPONENTE

Semtech erwarb die LoRa-Funktechnologie durch die Übernahme von Cycleo SAS aus Grenoble, Frankreich im Jahr 2012 für 5 Millionen US-Dollar. Ein Schnäppchen!

Bei der Verarbeitung einer LoRa-Nachricht wird aufgrund der Fähigkeit des Modems, das konstante Rampen-Chirp-Signal zu filtern, ein zusätzlicher Verarbeitungsgewinn erzielt. So wird eine hohe Sensibilität erreicht. Um eine „Verriegelung“ mit dem LoRa-Signal zu erreichen, wird eine lange „Konstant-Chirp“-Präambel übertragen. (Siehe Abbildung 1.) Das ist wirklich die Stärke von LoRa – dass ein billiger Chip mit einem billigen Kristall eine sehr hohe Empfindlichkeit erreichen kann.

Abbildung 1. Semtech LoRa-Präambel

Diese Präambel kann als variable Anzahl von „Symbolen“ eingestellt werden, die nur die Anzahl der Zirps sind. Wie Sie sich vorstellen können, gibt es keine Selektivität zwischen einer Präambel von einem LoRa-Sender gegenüber einem anderen. Wenn ein konstantes Chirpen mit der richtigen Frequenz und der richtigen Chirprate auftritt, hört ein LoRa-Demodulator darauf, ob es vom vorgesehenen System stammt oder nicht. Verwalten eines LoRa-Empfängersystems, um angesichts regelmäßiger Stromstörungen agil zu sein und LoRa-Interferenzen sind sehr wichtig und ein wichtiger Bestandteil von Symphony Link.

Sobald sich ein LoRa-Modem auf das Präambelsignal „verriegelt“ hat, wird das Ende der Präambel durch den in Abbildung 1 gezeigten „Reverse-Chirp“ signalisiert.

Dann beginnt die Datenübertragung, die eine Reihe von „Symbolen“ enthält, die ähnlich wie M-ARY-FSK-Symbole funktionieren, aber stattdessen auf einem Chirp ablaufen. Siehe Abbildung 2.

Abbildung 2. LoRa-Datenmodulation

Eine weitere leistungsstarke Funktion von LoRa ist die Fähigkeit, mehrere „orthogonale“ oder gleichzeitige Signale mit derselben Frequenz zu demodulieren, vorausgesetzt, sie haben unterschiedliche Chirp-Raten. Im Datenblatt werden LoRa-Chirp-Raten als „Spreading Factors“ bezeichnet, wobei höhere Spreading-Faktoren langsamere Chirps bezeichnen. Diese Funktion wird vom SX1301-Chip von Semtech unterstützt. Alle Gateway-Systeme von Link Labs haben die Fähigkeit, viele gleichzeitige LoRa-Chirps gleichzeitig zu decodieren, was den Aufbau sehr großer Netzwerke ermöglicht.

Siehe Beispiel LoRaWAN Gateway für Entwickler.

Der Aufbau eines solchen LoRa-Netzwerks oder -Systems erfordert einen enormen Entwicklungsaufwand. Der Übergang von LoRa zu einem funktionierenden drahtlosen System ist analog zum Übergang von einem BPSK-Funkchip zu einem WiFi-Netzwerk. Die Funktionen der OSI-Schicht 2 und höher großer Netzwerke, die Gateways, Repeater, Adressierung, adaptive Datenraten, Nachrichtenwiederholungen, Nachrichtenbestätigungen und OFDM-Downlink-Signale mit hoher Kapazität umfassen, sind die Funktion von Systemen wie LoRaWAN und Symphony Link.

» Erfahren Sie mehr über das Symphony Link-System von Link Labs.

LoRa-Allianz

Es gab eine Bewegung zur Standardisierung der MAC-Funktionen für LoRa namens LoRa Alliance, bei der Link Labs ein frühes Mitglied war. Die LoRa Alliance hat das LoRaWAN-Protokoll für die Verwendung durch Mobilfunknetzbetreiber entwickelt, die unlizenziertes Spektrum verwenden möchten, um mit IoT-Geräten in ihrem Netzwerk zu kommunizieren.

Im Gegensatz dazu ist Symphony Link ein standardisiertes Protokoll, das von Link Labs und unseren Kunden entwickelt wurde, die die Reichweite von LoRa lieben, aber ein Leistungsniveau benötigen, das mit LoRaWAN nicht verfügbar ist. Es ist speziell auf die ITU-Region 2 (915 MHz ISM-Band) ausgerichtet. LoRaWAN ist ideal für die ITU-Region 1 geeignet, wo Einschränkungen der Einschaltdauer von ETSI-Sendern die Rolle der Basisstation im Netzwerk stark einschränken.

Einige Details zu LoRaWAN, dem LoRa Alliance-Protokoll für LoRa:

• LoRaWAN ist eine serverseitige Implementierung eines Mehrfachzugriffsprotokolls, das darauf ausgelegt ist, Kollisionen mit einer großen Anzahl von Endpunkten zu minimieren. Es erfordert eine Serveranwendung, um die MAC-Funktionen über eine Netzwerkverbindung auszuführen.
• Die LoRaWAN-Netzwerkarchitektur ist normalerweise in einer Stern-von-Sterne-Topologie ausgelegt, bei der Gateways eine transparente Brücke sind, die Nachrichten zwischen Endgeräten und einem zentralen Netzwerkserver im Backend weiterleitet.
• Kundenlogik ist in den Netzwerkserver integriert
• Es ist in erster Linie für reine Uplink-Anwendungen mit vielen Endpunkten oder Anwendungen konzipiert, bei denen nur wenige Downlink-Nachrichten erforderlich sind (entweder durch die Anwendung oder durch die Anzahl der Endpunkte begrenzt)
• Gateways innerhalb desselben Netzwerks erfordern eine Synchronisierung
• Die Kommunikation zwischen Endgeräten und Gateways wird auf verschiedene Frequenzkanäle und Datenraten verteilt. Die Auswahl der Datenrate ist ein Kompromiss zwischen Kommunikationsreichweite und Nachrichtendauer.
• Verschiedene Datenraten stören sich nicht gegenseitig und schaffen eine Reihe von "virtuellen" Kanälen, die die Kapazität des Gateways erhöhen.
• Der LoRaWAN-Netzwerkserver verwaltet die Datenrate und den HF-Ausgang für jedes Endgerät individuell mithilfe eines adaptiven Datenraten-(ADR)-Schemas, das normalerweise alle 24 Stunden aktualisiert wird
• Mehrere Sicherheits-/Verschlüsselungsebenen (EUI64 auf Netzwerk- und Anwendungsebene und EUI128 gerätespezifischer Schlüssel)
• AES CCM (128-Bit) für Verschlüsselung und Authentifizierung
• Funktioniert innerhalb der Grenzen des ETSI-Tastverhältnisses von 1 % und 10 % bei der Übertragungszeit in den 868-Bändern
• Entwurf der Revision der Klasse B für Downlink-Knoten, die alle 1s bis 128s nach einem Beacon abfragen können (Engineering-Prototypen jetzt mit LMiC von IBM verfügbar) Beacon-Periode beträgt 128s (2^n), wobei n 0 bis 7 ist
• Antennendiversität, da alle Gateways auf dieselben Uplink-Kanäle hören
  
  

LoRa-Konnektivität verwendet

Einige Unternehmen nutzen den gesamten LoRa/LoRaWAN-Technologie-Stack auf interessante Weise, z. B. beim Outdoor-Asset-Tracking. So rüstet Ofo, ein chinesisches Bike-Sharing-Unternehmen, seine Fahrräder mit LoRa-Geräten und drahtloser Hochfrequenztechnologie aus, um den Standort der Fahrräder zu lokalisieren. Das Unternehmen ist derzeit in mehr als 180 Städten in China tätig.

Ein weiteres Beispiel für die LoRa-Netzwerknutzung stammt von der in Santa Rosa, Kalifornien, ansässigen Firma PNI Sensor. PNI verwendet LoRaWAN-basierte drahtlose Konnektivität, um Echtzeit-Parkdaten in der Stadt bereitzustellen, wodurch es Fahrern erleichtert wird, verfügbare Parkplätze für das öffentliche und private Parkmanagement auf der Straße und abseits der Straße zu finden. Das Endziel besteht darin, Verkehrsstaus und CO2-Emissionen zu reduzieren, die dadurch verursacht werden, dass Autofahrer ihre Schritte wiederholt zurückverfolgen, um verfügbare Parkplätze zu finden.

Eine Reihe von Branchen nutzt den offenen LoRaWAN-Standard für IoT-Geräte, darunter Landwirtschaft (für Bewässerungs-/Wasserstandsüberwachung und Schädlingsbekämpfung), Versorgungsunternehmen (für intelligente Stromzähler, Beleuchtungs- und Energiemanagementszenarien) und Hochbau (für Gebäudetüren) und Fenstersensoren und Anwendungen für die Gebäudegesundheit).

Es gibt auch viele Unternehmen, die LoRa-basierte Netzwerke betreiben, die kein LoRaWAN sind.

Bereitstellen Ihres IoT-Geräts mit LoRa

LoRaWAN ist eine gute Wahl für das Protokoll, wenn Sie auf öffentlichen Netzwerken aufbauen möchten, die sich im Besitz eines Carriers befinden und betrieben werden. Es gibt viele Anbieter von Hardware und Netzwerkservern, die in diesem Bereich konkurrieren, daher gibt es eine große Auswahl – was ein großer Vorteil ist. Der Prozess der Entwicklung und Bereitstellung eines Systems rund um LoRaWAN ist jedoch ziemlich komplex und wird eine Herausforderung sein, wenn Sie nicht über viel Fachwissen oder Erfahrung mit Hochfrequenzprotokollen oder drahtlosen Systemen und Planung verfügen. Sie müssen auch darüber nachdenken, ob die Bereitstellung eines LoRaWAN™-Netzwerks Ihren Anforderungen entspricht. In einigen Fällen kann es besser sein, ein benutzerdefiniertes Protokoll zu verwenden, bei dem Sie lediglich Daten an einen bereits geschriebenen Knoten senden müssen, um eine Verbindung zur Cloud herzustellen. Wenn Sie beispielsweise Symphony Link verwenden, haben wir diese Arbeit bereits für Sie erledigt.

Welches Netzwerk auch immer für Ihre Anwendung geeignet ist, Entwicklungskits erleichtern das Testen und Prototyping. Hier sind einige Entwicklungskits, die ich für den Einstieg in die von Ihnen gewählte Technologie empfehle:

Um mit LoRaWAN zu beginnen, Probieren Sie dieses Entwicklungskit von Multi-Tech Systems Inc. aus.

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