LoRa vs. LoRaWAN: Die Entwicklung der LoRa-Technologie
Die LoRa Alliance® wurde 2015 gegründet, um die weltweite Einführung des LoRaWAN-Standards zu unterstützen. Der Begriff LoRaWAN bezieht sich auf ein Weitverkehrsnetz mit geringer Leistung, das steuert, wie das LoRa-Signal von Sensoren über das Netz kommuniziert. LoRa steht für "Long Range" (große Reichweite) und verwendet die Spread-Spectrum-Funkmodulationstechnik. Die LoRa-Modulation wurde erstmals 2010 von dem französischen Unternehmen Cycleo zur Verschlüsselung von Daten in Funkwellen entwickelt und später von Semtech übernommen.
Was ist LoRa?
LoRa Erklärt
Ursprünglich wurde das LoRa-Protokoll entwickelt, um drahtlose Kommunikationsfunktionen für die Zählerindustrie hinzuzufügen. Es arbeitet in einem nicht lizenzierten Funkspektrum mit Datenraten von bis zu 253 kB/s und wird für seine Fähigkeit geschätzt, winzige Datenmengen über große Entfernungen zu senden und dabei außerordentlich wenig Strom zu benötigen.
Was ist LoRaWAN?
Die LoRaWAN-Technologie besteht aus einem stromsparenden Weitverkehrsnetzprotokoll, das auf der LoRa-Modulation aufbaut und zur Sicherung einer zuverlässigen bidirektionalen IoT Kommunikation dient. Das LoRaWAN-Protokoll bietet eine Ende-zu-Ende-Verschlüsselung, um fortschrittliche Sicherheitsfunktionen in großem Umfang zu ermöglichen. Mit LoRaWAN-Reichweiten von bis zu zehn Meilen bietet diese Technologie eine wirtschaftlichere Wahl im Vergleich zu Mobilfunk Technologien in abgelegenen Gebieten.
Wie funktionieren LoRa und LoRaWAN in IoT
Bei der LoRa-Modulation breitet ein Chirp-Signal das Signalspektrum aus. Durch die Erhöhung der Chirp-Rate breitet sich das Signal über einen Frequenzbereich aus, so dass es sich fehlerfrei weiter ausbreiten kann. Dadurch ist das LoRa-Kommunikationsprotokoll unempfindlich gegenüber Signalstörungen. Dies macht LoRa besonders nützlich für städtische und vorstädtische Gebiete, in denen Signalstörungen häufig auftreten.
LoRaWAN® Architektur
Wie funktioniert LoRa?
LoRa verwendet eine proprietäre Spreizspektrummodulationstechnik, die auf der Chirp-Spread-Spectrum-Technologie basiert. So verwenden beispielsweise IoT Geräte, die sich in der Nähe eines Gateways befinden, eine Übertragungsrate mit niedrigem Spreizfaktor, während Geräte, die mehrere Kilometer entfernt sind, einen höheren Spreizfaktor verwenden. Diese orthogonalen Spreizfaktoren, die zur gleichen Zeit und auf der gleichen Frequenz übertragen werden, stören sich nicht gegenseitig und passen sich den Leistungs- und Datenratenanforderungen der Endgeräte an.
Wie funktioniert LoRaWAN?
LoRaWAN-Netzwerke nutzen die Vorteile der LoRa-Eigenschaften durch eine Sterntopologie, bei der Gateways bidirektionale Nachrichten zwischen Sensoren und einem Server weiterleiten. LoRaWAN-Netzwerke benötigen nur minimale Energie, um extrem kleine Datenpakete zu senden, da die Daten nicht kontinuierlich, sondern nur in regelmäßigen Abständen übertragen werden. Noch besser ist, dass in LoRaWAN-Netzen ein Gateway bis zu 10 000 Geräte unterstützen kann, so dass skalierbare Netze so einfach sind wie das Hinzufügen zusätzlicher Gateways, während die Investitions- und Betriebskosten niedrig bleiben.
Vorteile von LoRaWAN in IoT
Für viele Anwendungen von IoT bieten LoRaWAN-Netzwerke mehrere deutliche Vorteile gegenüber konkurrierenden drahtlosen Kommunikationstechnologien. Vergleicht man LoRa mit Wi-Fi, Mobilfunk und Bluetooth® Low Energy Netzwerken, so bieten diese anderen Lösungen entweder eine hohe Bandbreite oder eine hohe Leistung, können aber nicht effektiv in tiefen Innenräumen arbeiten. LoRa in IoT Netzwerken verwaltet flexibel Bandbreite, Leistung, Reichweite, Sicherheit und Skalierbarkeit, so dass sie gut mit IoT Anforderungen funktionieren. Nach Schätzungen von ABI Research wird LoRaWAN bis 2026 die Führung als die am häufigsten eingesetzte Technologie für Weitverkehrsnetze mit geringer Leistung übernehmen, die nichtMobilfunk ist.
Vorteile von LoRaWAN®-Netzwerken
- Skalierbarkeit: Unterstützt Millionen von Nachrichten pro Gateway, wodurch die Skalierbarkeit so einfach ist wie das Hinzufügen weiterer Gateways
- Sicherheit: Eingebettete AES-128 Ende-zu-Ende-Verschlüsselung und fortschrittliche Authentifizierung sorgen für eine sichere Datenübertragung über jede Massenimplementierung IoT
- Batterieeffizienz: Durch die Übertragung von winzigen Datenpaketen einige Male am Tag statt kontinuierlich können die Gerätebatterien viele Jahre lang ohne Ersatz auskommen
- Große Reichweite: LoRaWAN bietet eine tiefe Abdeckung in Innenräumen, einschließlich mehrerer Stockwerke und eines sternförmigen Netzwerkdesigns, um die Übertragungsreichweite zu maximieren, die viele Branchen benötigen
- Niedrige Kosten: Kostengünstige Endknoten, minimale Infrastruktur und Open-Source-Software tragen dazu bei, dass LoRaWAN eine kostengünstige Lösung ist
Allgemeine Anwendungen für Kommunikation über große Entfernungen
Die LoRa-Technologie bietet eine einzigartige Kombination von Eigenschaften, die für eine Vielzahl von Branchen und Sektoren von Nutzen und Wert sind. Von der Landwirtschaft und Fertigung bis hin zur Umweltüberwachung und Logistik bietet die Kombination aus sicheren, skalierbaren und kostengünstigen Netzwerken bidirektionale Kommunikation in vielen verschiedenen Umgebungen.
- Intelligente Landwirtschaft: Dank der Daten von Sensoren, die an Feldern und Tieren angebracht sind, können Landwirte schnell handeln, um Schädlinge und Krankheiten zu erkennen und zu bekämpfen
- Intelligente Gebäude: Intelligente Zähler in Gebäuden helfen Verwaltern, das Beleuchtungs- und Temperaturmanagement zu optimieren und den Energieverbrauch zu senken
- Industrial IoT: Die Überwachung von Maschinen, Sicherheitswarnungen und die Verfolgung von Vermögenswerten ermöglichen es den Betreibern, schneller auf einen Vorfall zu reagieren oder ihm sogar zuvorzukommen.
- Fertigung: Hersteller schätzen die LoRa-Technologie für ihre Fähigkeit, vorausschauende Wartung in vielen Fabriken zu ermöglichen
- Logistik: LoRaWAN bietet das perfekte Gleichgewicht zwischen zahlreichen Sensorkommunikationen an Orten wie Lagerhäusern und Ausrüstungshöfen ohne Probleme mit Funkfrequenzstörungen
- Umweltüberwachung: In Kombination mit der Satellitenkommunikation ermöglicht LoRaWAN die Überwachung von Sensoren für alles, von der Raucherkennung in abgelegenen Wäldern bis hin zu Meerestemperaturen auf Bojen
- Öl und Gas: Öl- und Gasunternehmen nutzen die LoRaWAN-Technologie zur Überwachung von Emissionen aus dem Bohrbetrieb, um gesetzliche Auflagen zu erfüllen
Hauptmerkmale des LoRaWAN-Protokolls
Aufgrund seines adaptiven Energiebedarfs, seiner Reichweite und seiner Sicherheit gehört LoRaWAN zu den am weitesten verbreiteten Protokollen für Weitverkehrsnetze mit geringem Energieverbrauch. LoRaWAN-Netzwerke sind so konzipiert, dass sie bidirektionale Kommunikation über große Entfernungen ermöglichen und gleichzeitig Strom sparen, da sich die Endgeräte nur dann einschalten, wenn sie mit dem Gateway kommunizieren. Im Vergleich zu LTE Mobilfunk Lösungen bietet LoRaWAN die gleiche oder eine größere Reichweite zu einem niedrigeren Preis. Da die LoRaWAN-Software auf Open-Source-Lizenzen basiert, können Unternehmen ihre eigenen LoRaWAN-Lösungen lizenzfrei entwickeln oder sich an einen vertrauenswürdigen Partner wenden, der ihr Netzwerk individuell aufbauen kann.
Weitere wichtige Merkmale sind:
- Geolokalisierung: LoRaWAN bietet ohne GPS eine genaue Geolokalisierung auch in geschlossenen Räumen
- Over-the-Air-Updates: Firmware- und Anwendungs-Updates können Over-the-Air bereitgestellt werden
- Roaming: LoRaWAN ermöglicht die nahtlose Übertragung von einem Netz zum anderen
Hauptmerkmale von LoRaWAN®
Bandbreite
Die LoRa-Bandbreite erreicht eine niedrige Energieeffizienz, indem die Daten in "Chirps" aufgeteilt und mit unterschiedlichen Raten oder Frequenzen übertragen werden. Diese Chirp-Spread-Spectrum-Modulation erhöht die Bandbreite des übertragenen Signals, wodurch ein sich verschlechterndes Signal-Rausch-Verhältnis kompensiert wird, und variiert die Datenrate, um die Abdeckung zu verbessern und den Stromverbrauch auszugleichen. Auf diese Weise werden die Übertragungen widerstandsfähiger gegen Mehrwegeinbrüche, ohne dass der Leistungsbedarf steigt.
Niedrige Leistung
LoRaWAN-Geräte der Klasse A sind eine der besten Optionen für LPWAN. Die am ehesten vergleichbare Technologie ist NB-IoT , die bei ähnlicher Bandbreite und Abdeckung viermal mehr Strom verbraucht als LoRaWAN. LoRaWAN reduziert den Bedarf an großen Batterien und Stromversorgungssystemen, die die Produktkosten erhöhen.
Bereich
Die Reichweite ist nach wie vor eines der bemerkenswertesten Merkmale von LoRa-Netzen. Im Jahr 2023 stellte ein portugiesisches Fischerboot mit einem 830 Meilen entfernten Gateway auf den Kanarischen Inseln einen neuen Reichweitenweltrekord auf. Obwohl dies eine phänomenale Leistung ist, kommunizieren die meisten LoRa-Netzwerke bis zu zehn Meilen weit. Die Reichweite hängt von vielen Faktoren ab, unter anderem vom Standort des Gateways im Innen- oder Außenbereich und von der Art der verwendeten Antenne. In städtischen Gebieten, in denen ein Outdoor-Gateway verwendet wird, kann die Reichweite auf etwa zwei Meilen begrenzt sein. In ländlichen Gebieten kann die Reichweite bis zu zehn Meilen betragen, je nach Hindernissen in der Umgebung, einschließlich Gebäuden.
Frequenz
Die ersten IoT drahtlosen Kommunikationsnetze stützten sich in der Regel auf Mobilfunk Netze im lizenzierten Spektrum, was zusätzliche Lizenzkosten, eine begrenzte Reichweite und Rauschstörungen mit sich brachte. Mit LoRaWAN nutzen IoT Anwendungen das nicht lizenzierte Frequenzspektrum. LoRa-Funkwellen im 400- bis 900-MHz-Bereich unterstützen niedrige Datenraten zwischen 0,3 und 50 kB/s und verbinden entfernte Geräte bis zu einer Reichweite von zehn Meilen für kostengünstige LoRaWAN-Einsätze.
Unlizenzierte LoRa-Frequenzbänder:
- 915 MHz für Nordamerika
- 868 MHz für Europa
- 433 MHz für Asien
Verständnis von LoRa-Modulen und -Geräten
Die auf Semtech-Chips basierenden Lora-Module umfassen kleine, integrierte oder eigenständige drahtlose Transceiver-Chips, die für ihren geringen Stromverbrauch und ihre hohe Empfindlichkeit geschätzt werden. Tatsächlich haben diese Module zur LoRa-Entwicklung beigetragen, da sie Millionen von batteriebetriebenen Geräten unterstützen können, die jahrelang direkt mit einem Server kommunizieren, ohne dass die Batterie ausgetauscht werden muss. Wenn zum Beispiel ein LoRa-Gerät Daten überträgt, verwendet es das LoRa-Modul, das die Daten für die drahtlose Übertragung umwandelt. Diese Daten werden dann an ein LoRaWAN-Gateway gesendet. Wenn ein Gerät Daten benötigt, sendet das Gateway diese an das LoRa-Modul, das sie für das Endgerät übersetzt. Um LoRa-Module noch besser nutzen zu können, muss der LoRaWAN-Software-Stack auf dem Modul installiert sein. Dies ermöglicht es den Modulen dann, sich mit LoRaWAN-Gateways, Netzwerkservern und Anwendungen zu verbinden. Denken Sie also daran, dass LoRa für Punkt-zu-Punkt- oder Knoten-zu-Knoten-Kommunikation steht; LoRaWAN optimiert die Fähigkeiten von LoRa, damit sich Tausende von Geräten mit einem einzigen Gateway verbinden können.
LoRaWAN-Netzwerkarchitektur
Der Einsatz eines LoRaWAN-Netzes erfolgt in einer sternförmigen Topologie, die in der Regel aus einigen wenigen Kernelementen besteht. LoRaWAN-Geräte wie Rauchmelder und Wasserzähler werden mit einem Gateway verbunden, das die Nachrichten von zahlreichen Endgeräten verwaltet und die LoRaWAN-Messenger-Daten an einen Netzwerkserver weiterleitet. Die Gateways sind über eine Backhaul-Verbindung wie Mobilfunk, Wi-Fi oder Ethernet mit dem Netzwerkserver verbunden. Die LoRa-Software verwaltet die Modulation und Demodulation auf dem Gateway und dem Gerät. Die LoRaWAN-Software ermöglicht es vielen Geräten, mit einem einzigen Gateway zu kommunizieren und ein Netzwerk zu bilden. Ein Anwendungsserver verarbeitet sicher alle Anwendungsdaten von Geräten, die dann in maschinelles Lernen und künstliche Intelligenz einfließen können, um die vorausschauende Wartung und Prozessoptimierung zu unterstützen. Siehe das Architekturdiagramm in Wie LoRa und LoRaWAN funktionieren unter IoT.
Sicherheit in der LoRa-Kommunikation
Die LoRa-Sicherheitsmaßnahmen erfüllen von vornherein die spezifischen Anforderungen des IoT Netzwerks. Zunächst enthält jedes LoRaWAN-Gerät einen eindeutigen Advanced Encryption Standard (AES)-Schlüssel und eine weltweit eindeutige Kennung als Teil des Geräteauthentifizierungsprozesses. Das LoRaWAN-Protokoll verwendet eine zweistufige Sicherheit, die Anwendungs- und Netzwerkschichten trennt. Die gegenseitige Authentifizierung der Endgeräte stellt sicher, dass nur autorisierte Geräte dem LoRaWAN-Netzwerk beitreten können. Die Datenübertragung wird durch Mechanismen geschützt, die verhindern, dass nicht autorisierte Geräte die Daten verändern.
LoRaWAN-Verschlüsselungsmechanismen
LoRaWAN-Netze verwenden eine Ende-zu-Ende-Verschlüsselung für Anwendungsdaten, die zwischen Endgeräten und Anwendungsservern ausgetauscht werden. Tatsächlich ist LoRaWAN nach wie vor eines der einzigen IoT Netzwerke, das diese Art der Verschlüsselung verwendet. In herkömmlichen Mobilfunk Netzwerken werden die Daten über eine Over-the-Air-Schnittstelle verschlüsselt, aber im Kernnetz als Klartext übertragen. Infolgedessen müssen die Endnutzer des Mobilfunk Netzwerks selbst zusätzliche Sicherheitsschichten einrichten.
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