LoRa für Steuerung – Beleuchtung, Sperren und Demand Response

Einschränkungen bei der Verwendung von LoRaWAN – Auswirkungen auf Sicherheit, Kosten und Zuverlässigkeit.

Viele Kunden von Link Labs verwenden LoRa für die drahtlose Konnektivität in ihren steuerungszentrierten Projekten. LoRa ist eine gute Wahl für solche Anwendungen, da LoRa aufgrund der großen Reichweite und des hohen Verbindungsbudgets eine große Fläche, wie ein ganzes Gebäude, ein Campus oder mehrere Stadtblöcke, mit einem einzigen Gateway abdecken kann.

Die meisten Kunden haben versucht, das standardmäßige LoRaWAN-Protokoll für ihre Anwendung zu verwenden, bevor sie sich für Symphony Link entschieden haben, unser alternatives privates Netzwerkprotokoll, das ebenfalls mit LoRa erstellt wurde, für industrielle Sensorik und Steuerung optimiert und sehr anpassbar ist. Hier sind die Gründe, warum sie sich für Symphony Link entschieden haben:

Sicherheit:Multicast.

Multicast ist erforderlich, um mehrere Punkte gleichzeitig zu steuern. Sie können sich vorstellen, dass für viele steuerungsbasierte Anwendungen die gleichzeitige Steuerung mehrerer Geräte wichtig ist. Im Notfall kann es erforderlich sein, alle Straßenlaternen in einem Block einzuschalten oder jede Tür in einem Flur zu verriegeln. Demand-Response-Anwendungen erfordern außerdem fast immer auch eine Multicast-Steuerung.

Dies liegt daran, wie Verschlüsselung, Authentifizierung und Bereitstellung in LoRaWAN gehandhabt werden. Für jeden Endpunkt wird ein eindeutiger Satz von Schlüsseln/IDs vorkonfiguriert und dann auf dem LoRaWAN-Server gespeichert. Die einzige Möglichkeit, mit LoRaWAN mehrere Knoten gleichzeitig anzusprechen, besteht darin, dass die Knotenidentität und der Schlüsselsatz von mehreren Knoten gemeinsam genutzt werden. In diesem Fall denkt das LoRaWAN-Netzwerk, dass es eine Downlink-Nachricht an einen einzelnen Knoten überträgt, aber in Wirklichkeit können mehrere Knoten sie entschlüsseln. Dies ist problematisch, da es gegen die Sicherheitsarchitektur von LoRaWAN verstößt, ordnungsgemäße Layer-2-Funktionen (wie Nachrichtenbestätigungen) verhindert und vom Kunden die Adressierung und andere Funktionen auf der Anwendungsebene erfordert. (Siehe Seite 11 – In diesem LoRaWAN-Sicherheitsartikel)

In Symphony Link werden für jeden Knoten mehrere Sitzungsschlüssel, ein Unicast-Schlüssel und ein oder mehrere Multicast-Schlüssel erstellt. Damit können Knoten einzeln, in Gruppen oder im gesamten Netzwerk angesprochen werden. Diese leistungsstarke Innovation hat Symphony Link zu einem großartigen Tool für Kunden mit steuerungszentrierten Anwendungsfällen gemacht. Dadurch kann Symphony Link auch Over-the-Air-Firmware-Upgrades von Endpunktgeräten unterstützen.

Installationskosten:Repeater

Repeater sind Geräte, die Signale zwischen Endknoten und Gateways weiterleiten, wenn eine direkte Verbindung nicht möglich ist.

Obwohl behauptet wird, dass Repeater nicht notwendig sind, weil die Reichweite von LoRa so groß ist (siehe Nr. 11 in diesem Artikel), sind wir anderer Meinung. Eine tiefe Gebäudedurchdringung mit einem komfortablen Signalspielraum würde in vielen Fällen mehrere LoRaWAN-Gateways erfordern.

Symphony Link-Repeater funktionieren, indem sie Frame-Header, Downlink, Uplink und Relay-Frame unter Verwendung eines höheren Spread-Faktors in einen Symphony Link-Frame einfügen. Dies verringert das Link-Budget eines Repeaters um 3 dB, hat jedoch keinen Einfluss auf die Latenz.

Für Anwendungen wie Straßenbeleuchtungssteuerung oder Demand Response ist es eine sehr kosteneffiziente Architektur, ein zentrales Gateway mit einem Repeater pro Nachbarschaft verbunden zu haben. Diese Repeater benötigen nur Strom (sogar Solarstrom) und keine Datenverbindung. Einige unserer Kunden kombinieren einen Repeater zu einem Endknoten, sodass sie sowohl als Controller als auch als Repeater fungieren können.

Zuverlässigkeit:Multi-Netzwerk-Interferenzen und Bestätigungen

LoRaWAN wurde als Protokoll für ein großes Netzwerk eines einzelnen Betreibers entwickelt. Da es stattdessen von mehreren Parteien auf unterschiedliche Weise verwendet wird:

Da alle LoRaWAN-Kanäle geteilt werden, wird jedes LoRaWAN-Paket von allen Gateways in Reichweite gesehen und demoduliert, egal wem es gehört. Wenn ein von einem Carrier betriebenes LoRaWAN-Netzwerk und mehrere private LoRaWAN-Netzwerke in einem Gebiet betrieben werden, leidet die Leistung aller Netzwerke aufgrund von Kollisionen. Für Steuerungsanwendungen ist dies besonders problematisch, da Zuverlässigkeit ein wichtiger Aspekt ist.

Symphony Link verwendet ein anderes Modulationsschema als LoRaWAN, und daher stört der LoRaWAN-Datenverkehr Symphony Link nicht. Darüber hinaus verwalten Symphony Link-Netzwerke automatisch Kanalzuweisungen, um Gleichkanalinterferenzen zwischen Netzwerken zu verhindern. Symphony Link kann 96 gleichzeitige Netzwerke im 900-MHz-Band ohne Downlink-Interferenzen betreiben.

Da alle Symphony Link-Transaktionen bestätigt werden, sowohl Uplink als auch Downlink, werden alle verpassten Nachrichten wiederholt, bis sie empfangen werden.

Einige Überlegungen

Latenz. Der Class-C-Downlink in LoRaWAN ist vollständig asynchron, und wenn die Eins-zu-Eins-Steuerung eine funktionierende Architektur ist, ist die Latenz geringer als bei Symphony Link. Dies funktioniert für wechselstrombetriebene Anwendungen, da der Empfänger für LoRaWAN der Klasse C kontinuierlich läuft und ~10 mA verbraucht. Symphony Link verwendet ein Frame-Intervall von 1 oder 2 Sekunden, sodass die Latenz für eine Steuernachricht bis zu 2 Sekunden betragen kann. Durch die Verwendung von Wakeup-Kanälen in Symphony Link sind jedoch batteriebetriebene Controller möglich. Dies ist eine Schlüsselfunktion für Schlösser und andere batteriebetriebene Steuerungen.

Andere Symphony Link-Funktionen.

Obwohl dies für die Steuerung von Anwendungen nicht unbedingt so wichtig ist, ist es erwähnenswert, dass einige Kunden auch diese einzigartigen Funktionen von Symphony Link benötigen:

-Zeitsynchronisation - Die netzwerkweite Zeitübertragung ermöglicht die Ausführung von Zeitstempeln und zeitbasierten Anwendungen am Endpunkt. Dies kann auch in Steuerungsanwendungen wichtig sein. Auf diese Weise können Lichter so programmiert werden, dass sie sich zu bestimmten Zeiten ein- und ausschalten, anstatt jedes Mal befohlen zu werden.

-Firmware-Upgrades drahtlos - Anwendungsfirmware nach der Bereitstellung ändern.

-Automatische Bereitstellung und Verschlüsselung - keine gerätespezifische Schlüsselverwaltung in der Produktion.

-Echtzeitsteuerung von Leistung und Datenrate - Ermöglicht, dass Knoten verbunden bleiben, wenn sich die HF-Bedingungen schnell ändern, und löst das LoRa-Nah-Fern-Problem, bei dem nahe Knoten verhindern, dass entfernte Knoten gehört werden.

-Servicequalität - Ermöglicht, dass wichtige Nachrichten in überlasteten Netzwerken Vorrang vor Nachrichten mit niedrigerer Priorität erhalten.

Fazit:Wir verstehen den Reiz, das kostenlose LoRaWAN-System für IoT-Anwendungen zu nutzen. Bei Steuerungsanwendungen werden die meisten Kunden die Architektur als limitierend empfinden, da sie nicht für diesen Zweck konzipiert wurde. Symphony Link wurde mit Kontrolle als primärem Anwendungsfall entwickelt. Wenn Sie mehr über Symphony Link erfahren möchten, setzen Sie sich bitte mit uns in Verbindung.