Was ist LoRaWAN? [Technische Aufschlüsselung]

Denken Sie darüber nach, LoRaWAN für die Bereitstellung Ihrer IoT-Lösung zu verwenden? In letzter Zeit hat dieses Protokoll einiges an Dynamik gewonnen (Beispiel:machineQ), das gut für einfache Anwendungen funktioniert, die in öffentlichen Netzwerken bereitgestellt werden. Wenn Sie jedoch eine private Netzwerklösung für Industrie- oder Unternehmenszwecke entwickeln, müssen Sie sich einiger Einschränkungen dieser Technologie bewusst sein (und alternativer Protokolle, die Ihnen in vielen Fällen besser dienen).

Siehe Beispiel LoRaWAN Gateway für Entwickler.

In diesem Artikel werfen wir einen detaillierten Blick auf:

• Der Unterschied zwischen LoRa und LoRaWAN
• So funktioniert LoRaWAN
• LoRaWAN-Klassen A, B und C
• Chirp-Rate, Verarbeitungsverstärkung und Orthogonalität
• Hindernisse beim Aufbau privater Netzwerke mit LoRaWAN
• Eine alternative Lösung:Symphony Link
  
  

Der Unterschied zwischen LoRa und LoRaWAN

Manchmal denken die Leute die Begriffe LoRa und LoRaWAN bedeuten dasselbe, aber sie sind unterschiedlich.

LoRa ist ein Verfahren zum Übertragen von Funksignalen, das ein gechirptes Multisymbolformat verwendet, um Informationen zu kodieren. Es ist ein proprietäres System des Chipherstellers Semtech; seine LoRa IP ist auch an andere Chiphersteller lizenziert. Im Wesentlichen sind diese Chips Standard-ISM-Band-Funkchips, die LoRa (oder andere Modulationsarten wie FSK) verwenden können, um Funkfrequenzen in Bits umzuwandeln, ohne dass Code geschrieben werden muss, um das Funksystem zu implementieren. LoRa ist eine untergeordnete Physical-Layer-Technologie, die in allen möglichen Anwendungen außerhalb des weiten Bereichs verwendet werden kann.

LoRaWAN ist ein Punkt-zu-Mehrpunkt-Netzwerkprotokoll, das das LoRa-Modulationsschema von Semtech verwendet. Es geht nicht nur um die Radiowellen; Es geht darum, wie die Funkwellen mit LoRaWAN-Gateways kommunizieren, um Dinge wie Verschlüsselung und Identifizierung zu tun. Es enthält auch eine Cloud-Komponente, mit der sich mehrere Gateways verbinden. LoRaWAN wird aufgrund seiner Einschränkungen selten für industrielle (private Netzwerk-)Anwendungen verwendet.

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So funktioniert LoRaWAN

Auf der grundlegendsten Ebene sind Funkprotokolle wie LoRaWAN ziemlich einfach. Die Art und Weise, wie sich Sternnetzwerke unterhalten, ist ähnlich wie bei einem Professor und Studenten in einer Vorlesung. Das Gateway (der Professor) spricht mit Endknoten (der Klasse) und umgekehrt. Dies ist eine asymmetrische Beziehung in Bezug auf die Kommunikation. Jeder in der Klasse könnte gleichzeitig versuchen, mit dem Professor zu kommunizieren, aber der Professor wäre nicht in der Lage, sie alle gleichzeitig zu hören oder zu verstehen. Wenn auch stark vereinfacht, gehen viele Elemente von Sterntopologien auf diese Analogie zurück.

Siehe Beispiel LoRaWAN Gateway für Entwickler.

In der Praxis sieht das so aus:Nehmen wir zum Beispiel an, Sie haben vier Gateways und einen Knoten. Der Knoten sendet blind in das Funkspektrum, und jedes Gateway, das das Glück hat, die Übertragung zu hören, kann sie aufnehmen und in die Cloud senden. Es ist möglich, dass alle vier Gateways diese Nachricht hören und senden. (Einziger Vorteil:Nachrichten können trotz sehr schwacher Links immer noch übertragen werden. Wenn ein Knoten fünf Nachrichten überträgt und nur eine es schafft, ist Ihre Nachricht noch durchgegangen.)

Nachdem eine Nachricht zugestellt wurde, erfolgt keine Empfangsbestätigung. Knoten in LoRaWAN können jedoch Bestätigungen anfordern. Wenn eine Bestätigung angefordert wird und alle vier Gateways dieselbe Nachricht empfangen, wählt die Cloud ein Gateway aus, das zu einem festgelegten Zeitpunkt, normalerweise ein paar Sekunden später, antwortet. Das Problem ist dann folgendes:Wenn dieses Gateway zurück zum Knoten sendet, hört es auf, alles andere abzuhören. Wenn Ihre Anwendung also viele Bestätigungen benötigt, wird sie sehr wahrscheinlich mehr Zeit damit verbringen, Bestätigungen zu übertragen als zuzuhören, was schließlich zu einem Netzwerkzusammenbruch führt.

Das obige Diagramm zeigt, wie LoRaWAN funktioniert. Die obere Leiste zeigt an, ob das Gateway sendet oder nicht. (Wenn es orange ist, sendet es, wenn es blau ist, nicht.) Der Balken unten zeigt die Empfängerkanäle an. Fast alle LPWAN-Systeme, einschließlich LoRaWAN, haben mehrere Empfangskanäle, und die meisten LoRaWAN-Systeme können acht Nachrichten gleichzeitig über eine beliebige Anzahl von Frequenzkanälen empfangen.

LoRaWAN-Klassen A, B und C

LoRaWAN hat drei Klassen, die gleichzeitig arbeiten. Klasse A ist rein asynchron, was wir ein reines ALOHA-System nennen. Das heißt, die Endknoten warten nicht eine bestimmte Zeit, um mit dem Gateway zu sprechen – sie senden einfach, wann immer sie es brauchen und liegen bis dahin inaktiv. Wenn Sie ein perfekt aufeinander abgestimmtes System über acht Kanäle haben, könnten Sie jedes Zeitfenster mit einer Nachricht füllen. Sobald ein Knoten seine Übertragung abgeschlossen hat, startet sofort ein anderer. Ohne Kommunikationslücken beträgt die theoretische maximale Kapazität eines reinen Aloha-Netzwerks etwa 18,4 % dieses Maximums. Dies ist hauptsächlich auf Kollisionen zurückzuführen, denn wenn ein Knoten sendet und ein anderer aufwacht und beschließt, auf demselben Frequenzkanal mit denselben Funkeinstellungen zu senden, kollidieren sie.

Klasse B ermöglicht das Senden von Nachrichten an batteriebetriebene Knoten. Alle 128 Sekunden sendet das Gateway ein Beacon. (Siehe die Zeitschlitze oben im Diagramm.) Alle LoRaWAN-Basisstationen senden Beacon-Nachrichten exakt zur gleichen Zeit, da sie einem Impuls pro Sekunde (1PPS) untergeordnet sind. Das bedeutet, dass jeder GPS-Satellit im Orbit zu Beginn jeder Sekunde eine Nachricht aussendet, wodurch die Zeit weltweit synchronisiert werden kann. Allen Klasse-B-Knoten wird ein Zeitschlitz innerhalb des 128-Sekunden-Zyklus zugewiesen und ihnen wird gesagt, wann sie zuhören sollen. Sie können beispielsweise einen Knoten anweisen, jeden zehnten Zeitschlitz abzuhören, und wenn dieser auftritt, kann eine Downlink-Nachricht übertragen werden (siehe obiges Diagramm).

Klasse C ermöglicht es Knoten, ständig zuzuhören und eine Downlink-Nachricht kann jederzeit gesendet werden. Dies wird hauptsächlich für wechselstrombetriebene Anwendungen verwendet, da es viel Energie kostet, einen Knoten ständig aktiv wach zu halten und den Empfänger zu betreiben.

Chirp-Rate, Verarbeitungsverstärkung und Orthogonalität

Hinweis:In LoRaWAN bezieht sich Spreading Factor (SF) auf die Chirp-Rate. Dieses Diagramm zeigt die LoRa-Chirp-Modulation im Zeitverlauf. Verschiedene SFs können gleichzeitig im selben Frequenzkanal dekodiert werden.

LoRa funktioniert, indem es einen HF-Ton auf sehr lineare Weise über die Zeit bewegt. Dieses Diagramm zeigt das Zirpen in einem umgekehrten Wasserfall – die neuesten Daten befinden sich oben, was als "Aufwärts-Zirps" bezeichnet wird. Sie können sehen, wie diese Frequenz des Tons im Laufe der Zeit zunimmt. LoRa-Übertragungen funktionieren, indem sie zwitschern, die Chips an verschiedenen Stellen in Bezug auf Zeit und Häufigkeit zerbrechen, um ein Symbol zu kodieren. Die Tatsache, dass LoRa-Übertragungen zu einem bestimmten Zeitpunkt von einem Ort zum anderen springen, kann bedeuten, dass eine Bitfolge gegen eine andere ist. Es ist nicht einfach nur binär – es enthält viele Informationen, die Sie vermitteln können (hohe Symboltiefe).

Denken Sie für einen Moment an reine Frequenzumtastung (FSK). Wenn ein Ton für einige Zeit stationär war und dann für eine Weile an eine andere Stelle sprang, würden Sie verschiedene Linien oder Töne sehen. Dies wird 2-ärer FSK genannt, was zwei Frequenzsymbole bezeichnet. M-ary FSK hat mehrere Frequenztöne, die noch mehr Symbole darstellen können. LoRa hat dieses Konzept übernommen, aber es macht alles auf einem Zwitschern. Es erhält also einen Verarbeitungsgewinn. Da er ein sehr ausgeprägtes Muster hat, kann der LoRa-Empfänger leisere Chirps erkennen, d. h. unterhalb des Grundrauschens. Wenn auf demselben Kanal eine andere Übertragung mit einer anderen Chirp-Rate stattfindet, ist sie orthogonal, d. h. sie könnte gleichzeitig erkannt werden. Alles in allem gibt es viel Kapazität auf der Empfängerseite.

Hindernisse beim Aufbau privater Netzwerke mit LoRaWAN

LoRaWAN funktioniert für einige Anwendungen gut, ist jedoch nicht die beste Lösung für vom Kunden bereitgestellte (auch als privates Netzwerk bezeichnete) Lösungen. Die Hauptgründe dafür sind:

• Die Koexistenz mehrerer Gateways ermöglicht Interferenzen. Bei LoRaWAN sind alle Gateways – egal wer sie besitzt oder betreibt – auf die gleichen Frequenzen eingestellt. Das bedeutet, dass Ihr LoRaWAN-Netzwerk meinen gesamten Datenverkehr sieht und umgekehrt. Es ist besser, nur ein Netzwerk in einem einzigen Bereich zu betreiben, um Kollisionsprobleme zu vermeiden.

  Es ist jedoch möglich, über die LoRa Alliance zu arbeiten, um bestimmte Kanäle für bestimmte Zwecke bereitzustellen. Es ist für Netzwerkbetreiber auch möglich, die Downlink-Menge in ihren Netzwerken von der Serverseite aus zu begrenzen, um sicherzustellen, dass Endpunkte mit niedriger Priorität das Netzwerk nicht mit Downlink-Verkehr "verstopfen".

• Es garantiert keinen Nachrichtenempfang. LoRaWAN ist ein asynchrones, ALOHA-basiertes Protokoll, bei dem Paketfehlerraten (PER) von mehr als 50 Prozent üblich sind. Dies ist für einige Zählerablesungsanwendungen in Ordnung, aber für industrielle oder Unternehmenssensornetzwerke oder Steuerungssysteme ist 0 Prozent PER eine Anforderung. Die „Spray-and-Pray“-Methode der Nachrichtenübermittlung ist für die meisten industriellen Anwendungsfälle nicht geeignet, weshalb LoRaWAN am besten für Uplink-fokussierte Netzwerke geeignet ist.
• Es erfordert einiges an Entwicklungsarbeit. Eine weitere Herausforderung für unsere Kunden besteht darin, dass LoRaWAN in erster Linie eine Datenverbindungsschicht (MAC) (OSI Layer 2) ist, mit nur einigen Elementen einer Netzwerkschicht (OSI Layer 3). Bis heute bietet kein Anbieter eine End-to-End-LoRaWAN-Lösung an. Stattdessen müssen Sie mit mehreren Anbietern zusammenarbeiten, um Knoten, Gateways, einen Back-End-Server und jeden anderen Teil des Ökosystems separat zu erwerben. Dies ermöglicht zwar viel Flexibilität in den Anwendungen, lässt jedoch Anwendungsentwicklern viel Arbeit, um ein vollständiges Produktangebot zu erstellen. Dazu gehören Paketierung, Downlink-Steuerung, Multicast usw.
• Es gibt Einschränkungen bezüglich des Arbeitszyklus. Bei 868-MHz-Bändern in öffentlichen Netzen gibt es einige Einschränkungen. In Europa ist die Haupteinschränkung (in den meisten Fällen) der Arbeitszyklus von einem Prozent. Das heißt, wenn Sie die durchschnittliche Sendezeit des Gateways im Zeitverlauf messen, darf diese ein Prozent nicht überschreiten. Aus diesem Grund ist das Gateway in seiner Übertragungsfähigkeit ziemlich eingeschränkt. In den USA haben die FCC-Bestimmungen für das ISM-Band keine solche Einschränkung.

• Es hat eine variable maximale Übertragungseinheit (MTU) Nutzlastgröße. Eine weitere große Einschränkung von LoRaWAN besteht darin, dass die MTU-Nutzlastgröße basierend auf dem Spreizfaktor, den das Netzwerk dem Knoten zuweist, variabel ist. Mit anderen Worten – wenn Sie weit vom Gateway entfernt sind, ist die Anzahl der Bytes, die Sie übertragen können, gering, aber wenn Sie sich in der Nähe befinden, ist sie viel größer; das kann man einfach nicht vorher wissen. Daher muss die Node-Firmware oder -Anwendung in der Lage sein, Änderungen auf der Nutzlastseite auf der Anwendungsebene zu berücksichtigen, was bei der Entwicklung von Firmware eine große Herausforderung darstellt.

  Die meisten Entwickler lösen dieses Problem, indem sie die kleinste verfügbare MTU mit dem höchsten Spreizfaktor auswählen, den das Netzwerk zuweisen kann, der in den meisten Fällen sehr klein ist, oft weniger als 12 Byte. LoRaWAN-Knoten, die größere Datenmengen senden müssen, beispielsweise 300 Byte, müssten diese also in 30 10-Byte-Nachrichten senden, da ihnen möglicherweise eine Situation zugewiesen wird, in der ihnen eine kleine MTU zugewiesen wird. Infolgedessen übertragen diese Knoten aufgrund der komplexen Softwareänderungen, die erforderlich wären, um diese sich ändernden MTU-Werte zu verarbeiten, viel mehr als nötig.

LoRaWAN ist in Ordnung, wenn Sie auf betreibereigenen und betriebenen öffentlichen Netzwerken aufbauen möchten. Es gibt viele Anbieter von Hardware und Netzwerkservern, die in diesem Bereich konkurrieren, daher gibt es eine große Auswahl. Und für einfache Anwendungen, bei denen Sie nicht viele Knoten haben und nicht viel Bestätigung benötigen, funktioniert LoRaWAN. Aber wenn Ihre Anforderungen komplexer sind, werden Sie unweigerlich auf ernsthafte Hindernisse stoßen. Viele LoRaWAN-Benutzer haben diese Hindernisse noch nicht erlebt, einfach weil ihre Netzwerke noch ziemlich klein sind. Versuchen Sie, LoRaWAN zu verwenden, um ein öffentliches Netzwerk mit Tausenden von Benutzern zu betreiben, die verschiedene Dinge tun, und die Schwierigkeiten werden mit Sicherheit in die Höhe schnellen.

Auch die Entwicklung und Bereitstellung eines Systems rund um LoRaWAN ist ein komplexer Prozess. Einer der Gründe, warum wir diesen Artikel geschrieben haben, ist, dass Kunden auf uns zukommen, die den Eindruck haben, dass LoRaWAN „out of the box“ funktioniert, wie es einige WLAN- oder Mobilfunkmodems tun könnten. Sie sollten sicherstellen, dass Sie die gesamte Architektur verstehen und ein gutes Verständnis für die Funktionsweise des Systems haben, bevor Sie entscheiden, dass dies die beste Route für Sie ist.

Eine alternative Lösung:Symphony Link

Symphony Link ist ein alternativer LoRa-Protokollstack, der von Link Labs entwickelt wurde. Um die Einschränkungen von LoRaWAN zu umgehen und die fortschrittlichen Funktionen bereitzustellen, die die meisten Unternehmen für die erfolgreiche Bereitstellung von IoT-Lösungen benötigen, haben wir unsere eigene Software auf den Chips von Semtech aufgebaut. Einige seiner erweiterten Funktionen umfassen:

• Ein bidirektionaler Link für 100 Prozent garantierten Nachrichtenempfang. Knoten und Gateways können sowohl nach oben als auch nach unten zuverlässig kommunizieren.
• Es verwendet eine dynamische Kanalmaske, die vom Gateway gesteuert wird und die Koexistenz mehrerer Gateways ermöglicht mit möglichst wenigen Kollisionen. Bis zu 48 Gateways können nebeneinander existieren, ohne die Leistung zu beeinträchtigen.
• Es gibt keine Einschaltdauerbegrenzung , weil Symphony Link in Europa das 900-MhZ-Band verwendet.
• Symphony Link hat eine höhere Kapazität als LoRaWAN , mit einer festen MTU von 256 Byte. Es verarbeitet die gesamte Unterpaketisierung und versucht bei Bedarf das Senden von Nachrichten erneut, um die Zustellung sicherzustellen.
• Symphony Link ist eine komplette End-to-End-IoT-Lösung das funktioniert direkt aus der box. Sie können Ihre Anwendung schneller zum Laufen bringen als mit LoRaWAN.

Es gibt viele andere Gründe, warum Unternehmen Symphony Link wählen; Sie können mehr darüber auf unserer Website lesen. Oder vereinbaren Sie noch heute eine kostenlose Demo der Technologie, wenn Sie sehen möchten, wie Symphony Link für Ihren speziellen Anwendungsfall funktionieren könnte. Wir zeigen Ihnen, wie es für Ihre LPWA funktioniert; wie man ein Gateway und ein Entwicklungskit in Symphony Conductor einrichtet; und überprüfen Sie Integrationsschritte, Leistungsbudgets und Reichweite. Oder bei Fragen zur Technik einfach melden.