LoRaWAN ™ – Low Power Wide Area Network

LoRaWAN ™ ist ein Media Access Control (MAC), also ein Schicht-Protokoll. Konzipiert für große öffentliche Netze mit einem einzigen Betreiber und basiert auf dem Modulationsschema LoRa von Semtech.

Ist LoRaWAN ™ die Zukunft von IoT?

LoRaWAN ™ kann ein „Teil“ der Zukunft von IoT sein. Es ist jedoch nicht die einzige Zukunft, da andere drahtlose Protokolle besonders zellular bleiben werden.

LoRaWAN ™ ist ein spezifisches Angebot eines Wireless Wide Area Network (z. B. Cellular Datennetze – 3G / LTE etc. oder WiMax). Jedoch gehört es zu einer Klasse von Netzwerken, die eine geringe Leistung im Vergleich erfordern. Die „Lo“ -Standards Low Power. LoRa, vor allem die Technologie eines Halbleiterunternehmens Semtech. Sie machen das Radio hinter LoRa.

Ein anderes Unternehmen, die Netzwerke ähnlich wie LoRa (zumindest in Konzept / Wirtschaft nicht unbedingt die Funktechnik) ausrollen, ist SigFox.

Technologien von SigFox und LoRa zielen auf einen bestimmten Bereich des IoT-Marktes ab: das einfache Gerät, gewähren dabei eine sehr lange Batterielebensdauer und erfordern nur eine begrenzte Bandbreite“.

Wird LoRa nur eine Nische bleiben?

Hier streiten sich wie immer die Experten. Die einen sind sich sicher, das WLAN, Bluetooth und LTE im Markt der weit voneinander verstreuten Dinge bald Geschichte sein werden und durch LoRaWAN ™ abgelöst werden. Smarte Endgeräte sollen über die LoRaWAN-Technik effizienter und genauer in Verbindung bleiben. Jedoch sind auch weitere Player im Markt wie SigFox oder NWAVE.

Stephanie Doßke – CEO und Founder von www.proseedure.de ist sich jedoch sicher:

„LoRaWAN ™-Technology wird den bestehenden Markt stark revolutionieren und das Internet der Dinge für alle endlich greifbar machen.“

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Was ist LoRa?

LoRaWAN ™ ist eine Low Power Wide Area Network (LPWAN oder auf dt.Niedrigenergieweitverkehrnetzwerk) Spezifikation für drahtlose batteriebetriebene Systeme in einem regionalen, nationalen oder auch globalen Netzwerk. LoRaWAN ™ zielt dabei auf die wichtigsten Anforderungen des IoT -Internet of things (Internet der Dinge) – wie sichere bidirektionale Kommunikation, Lokalisierung und Mobilität von Dienstleistungen. Die LoRaWAN-Spezifikation bietet eine nahtlose Zusammenarbeit von verschiedenen Systemen und Techniken unter smart Things ohne die Notwendigkeit von starren, lokalen komplexen Installationen und gibt die Freiheit für den Benutzer, Entwickler, Unternehmen wieder zurück, die das ausrollen im Internet der Dinge ermöglichen .

Die Netzwerkarchitektur des LoRaWAN ist typischerweise in einer Stern-der-Sterne-Topologie aufgebaut, bei der die Gateways als transparente Brücke fungieren, welche die Nachrichten zwischen einem zentralen Netzwerkserver Endgeräten und im Backend weiterleiten. Die Gateways werden über eine Standard-IP-Verbindung mit dem entsprechenden Netzwerkserver verbunden, während die Endgeräte die Single-Hop Wireless-Kommunikation zu einem oder auch mehreren Gateways verwenden. Die Endpunkt-Kommunikation ist in der Regel bidirektional. Sie unterstützt auch den Betrieb von z.B. Multicast-Enabling Software-Upgrade über die Luft oder andere Möglichkeiten zur Massenverteilung von Nachrichten, um über die Luft-Kommunikation die Übermittlungsdauer zu reduzieren.

Die Kommunikation zwischen Gateways und Endgeräten verteilt sich auf unterschiedliche Datenraten und Frequenzkanäle. Die Auswahl der Datenrate ist ein Kompromiss zwischen Nachrichtendauer und Kommunikationsbereich. Durch die Spread-Spectrum-Technologie wird die Kommunikation mit verschiedenen Datenraten nicht gegenseitig gestört und schafft eine Reihe von „virtuellen“ Kanälen, welche die Kapazität der jeweiligen Gateways erhöhen. LoRaWAN-Datenraten reichen von 0,3 kbps bis hin zu 50 kbps. Zur Maximierung der Batterielebensdauer der der gesamten Netzwerkkapazität und Endgeräte verwaltet der LoRaWAN-Netzwerkserver die HF-Ausgabe und die Datenrate für alle Endgeräte individuell mit unter Zuhilfenahme eines adaptiven Datenraten-Schemas.

Nationale Netzwerke, die auf das Internet der Dinge, wie kritischer Infrastruktur, persönlichen vertraulichen Daten oder sehr kritischen Funktionen für die Allgemeinheit abzielen, haben einen exklusiven Bedarf an sicherer Kommunikation.

Dies wurde durch mehrere Schichten der Verschlüsselung gelöst:

  • Sicherheit auf Netzwerkebene und eindeutiger Netzwerkschlüssel (EUI64)
  • Ein einzigartiger Application Key (EUI64) sorgt für die Sicherheit auf der Applikationsebene
  • Gerätespezifische Taste (EUI128)

LoRaWAN ™ Technologoy verfügt über unterschiedliche Klassen von Endgeräten, die den unterschiedlichen Bedürfnissen der verschiedensten Anwendungen gerecht werden:

Bidirektionale Endgeräte (Klasse A):

Endgeräte der Klasse A gestatten bidirektionale Kommunikation, wobei die Uplink-Datenübertragung der Endgeräte von 2 kurzen Downlink-Übertragungsfenstern gefolgt wird.

Der vom Endgerät geplante Übertragungsfenster basiert auf seinen eigenen Kommunikationsbedürfnissen mit einer minimalen Anpassung basierend auf einer Zufallszeitbasis (der sogenannte ALOHA-Protokolltyp). Diese Klasse-A-Operation ist das niedrigste Leistungsendgerät für Anwendungen, die nur eine Downlink-Kommunikation vom Server benötigen, kurz nachdem das Endgerät eine Uplink-Übertragung versendet hat. Downlink-Kommunikation von einem Server zu einem anderen Zeitpunkt müssen daher bis zum nachfolgend geplanten Uplink warten.

Bidirektionale Endgeräte mit vorhergesehenen Übertragungsfenster (Klasse B): Ergänzend zu den zufälligen Übertragungsfenstern der Klasse A öffnen Class B-Geräte zu definierten Zeiten weitere zusätzliche Übertragungsfenster. Um das Endgerät sein Übertragungsfenster zum geplanten Zeitpunkt öffnen zu können, erhält es ein zeitlich synchronisiertes Beacon vom Gateway. Dadurch kann der empfangende Server wissen, wann das Endgerät hörbar ist.

Bidirektionale Endgeräte mit max. Übertragungsfenster (Klasse C): Endgeräte der Klasse C haben nahezu ständig offene Übertragungsfenster, welche nur beim Senden geschlossen sind.

Was ist die LoRa-Alliance?

Was bietet LoRaWAN ™ für Entwickler?

LoRaWAN ™ ist ein Low-Power-Wide Area Network mit grandiosen Funktionen, die Low-Cost-Unterstützung, mobile und sichere bidirektionale Kommunikation für Internet der Dinge (IoT), Machine-to-Machine (M2M) und smart city und industrielle Anwendungen. LoRaWAN ™ für niedrigen Energieverbrauch optimiert und ausgelegt ist, große Netzwerke mit Millionen von Geräten zu unterstützen. Innovative Features von LoRaWAN gehören die Unterstützung für den redundanten Betrieb, Geolocation, Low-Cost-und Low-Power – Geräte auch auf Energy-Harvesting-Technologien laufen kann, die Mobilität und die einfache Nutzung des Internets der Dinge ermöglicht.

Spezifikation und regionale Parameter

LoRaWAN Spezifikation

Das LoRaWAN ™ Spezifikations-Dokument beschreibt das LoRaWAN ™ Netzwerk-Protokoll einschließlich der MAC-Layer-Befehle, Frame-Inhalte, Sicherheit, flexible Netzwerk-Frequenzmanagement, Geräte EIRP und die TX-Verweilzeit, Leistungssteuerung, Relaisschutz und vieles mehr.

LoRaWAN ™ Regional Parameter V1.0

Das LoRaWAN-Regional-Parameter-Dokument enthält die Kanalfrequenzpläne für verschiedene Weltregionen. Diese Angaben sind getrennt von der LoRaWAN ™ Spezifikation verwaltet die Allianz zu ermöglichen, schnell regionalen regulatorischen Support-Anforderungen adressieren.

Zertifizierung
Die LoRa Alliance ™ zum Beispiel hat sich verpflichtet, die Interoperabilität, Qualität des Netzes sowie den Endpunkten zu gewähren. Die Produkte der LoRa Alliance ™  stehen den Mitgliedern im gesamten Öko-System zur Verfügung. Das LoRa Alliance Certified ™ Programm nutzt dabei das Know-how von Branchen und Zertifizierungsgruppen auf der ganzen Welt die um die Vision der LoRa Alliance zu verfolgen. Es gibt mittlerweile auch weitere LoRa-Zertifizierungsprogramme, wo ich später noch drüber schreiben werden.

Vorteile für die Mitglieder des LoRa Alliance Certified ™ Programm:

  • Zertifiziertes Produkt
  • Interoperabilitätstests
  • Die Nutzung des Lora Alliance Certified ™ Logo
  • Themenbereich auf der Alliance Website
  • Produktförderung in Alliance Sicherheiten
  • Die Aufnahme in Alliance Produktvorführungen

Arten der Zertifizierung

LoRa Alliance Certified ™ sorgt für das Produktprogramm, damit die Produkte nationale Frequenzregelungen einhalten, sowie die LoRaWAN ™ Funktionen weiterentwickelt werden, um sicherzustellen, Interoperabilität und Konformität erfüllen.

Das LoRa Alliance Certified ™ Produkt-Programm stellt auch sicher, das LoRaWAN ™ die Interoperabilität und Netzinfrastruktur, Komponenten und Angebote gemäß den nationalen Frequenzregelungen und der Allianz-Spezifikation einhalten

Autorisierter Test Service Provider und Zertifizierungsprozess

Nur autorisierte LoRa Alliance ™ Testhäuser können Tests für die LoRa Alliance Certified ™ Produkt-Programm durchführen. Anwendbare Berichte und Anmeldungen für die nationale Konformitätsprüfung werden zusammen mit dem LoRa Alliance ™ Konformitätsbericht der Alliance Zertifizierungsstelle geliefert, bevor sie das Recht als zertifiziertes Produkt oder zertifizierte Plattform erhalten.

Welche LoRA-Entwickler-KITs gibt es?

Das auf LoRa-basierte Entwicklungs-Kit ermöglicht schnelles Prototyping

Die LoRa Alliance-Mitglieder, Libelium und Loriot, haben ein LoRaWAN ™ verbundenes Entwicklungs-Kit angekündigt, welches die Entwicklung und das Testen von IoT-Anwendungen deutlich beschleunigen soll.

„Die Entwicklung von IoT-Anwendungen umfasst typischerweise das Einrichten eines Netzwerks und Testen der verschiedenen Hardware-Komponenten und Software, um sicherzustellen, alles korrekt funktioniert“, betonte Javier Martínez, Libelium VP of Business Development und Vertrieb. „Mit unserem Kit müssen Kunden keine Zeit aufwenden für die Konfiguration und ein neues Netzwerk zu testen, weil wir es bereits mit einer LoRaWAN-Netzwerkverbindung zur Verfügung stellen, die bereits mit den Kit-Komponenten getestet und eingerichtet wurde, um die Software laufen zu lassen.“

Bestehend aus einem Gateway und zehn Sensorvorrichtungen, Anwendungssoftware und einer Verbindung zu Loriots Cloud-basiertem LoRaWAN Netzwerk ist das Kit perfekt geeignet für all diejenigen, die gerne eine Lösung auf der Loriot.io Plattform programmieren möchten. Testen Sie es mit realen Sensoren.

Das Development Kit ist geeignet für Anwendungen wie:

  • Smart City
  • Smart Security
  • intelligente Umgebung
  • intelligente Landwirtschaft

Das Kit steht sowohl für Nordamerika (915MHz) und auch europäische (868MHz) Frequenzen zur Verfügung.

Was ist der Unterschied zwischen Lora und LoRaWAN ™?

LoRaWAN ™ definiert das Kommunikationsprotokoll und die Systemarchitektur für das Netzwerk, während die LoRa®-Schicht einem die weitreichende Kommunikationsverbindung ermöglicht. Das Protokoll und die Netzwerkarchitektur haben dabei den größten Einfluss bei der Bestimmung der Batterielebensdauer eines Knotens, der Netzwerkkapazität, der Servicequalität, der Sicherheit und der Vielfalt der vom Netzwerk bedienten Anwendungen.

Technisch gesehen kann man einen LoRa Radio / Chipsatz nutzen – um den Vorteil der Technologie zu nutzen, die sie bietet, aber zusätzlich ein anderes High-Level-Protokoll wie die Leute von Link Labs es z.B. getan haben.

LoRa bezieht sich auf eine drahtlose Modulation, die eine Kommunikation mit sehr geringem Stromverbrauch ermöglicht.

LoRaWAN ™ bezieht sich dabei auf ein Netzwerkprotokoll mit LoRa-Chips für die Kommunikation. Es basiert auf der Basisstation, die 8 Frequenzen mit mehreren Spreizfaktoren mit fast 42 Kanälen überwachen kann.

Es ist möglich, die LoRa Modulation als Punkt zu Punkt oder als Star-Netzwerk ohne LoRaWAN verwenden. Es könnte auch möglich sein, LoRaWAN ™ wie ein Netzwerk mit anderen Radio-Link zu betreiben, was aber nicht wirklich praktisch wäre.

Was sind die größten Unterschiede zwischen LoRa, SigFox, Symphony Link, NWAVE, RMPA und Weightless Technologien?

Obwohl es viele LPWAN-Technologien und auc -Standards gibt, sollten wir uns auf SigFox, LoRa, Weightless, Symphony Link und RPMA konzentrieren, da diese Technologien sowohl aktiv entwickelt oder implementiert werden. Obwohl es andere proprietäre Protokolle und Stacks wie das Dash7 Alliance Protokoll u.a. gibt, haben diese nicht annähernd so viel Zugkraft gewonnen und werden in dieser Frage daher auch nicht behandelt.

Die folgenden Abschnitte sollen einen Überblick über jede der aufgeführten LPWAN-Technologien geben. Im weiteren Verlauf dieser Serie widmen wir den einzelnen Optionen individuelle Beiträge, indem wir einen tieferen Einblick in die verschiedenen Vor- und Nachteile eines jeden Unternehmens geben und einen technischen Drill-down auf die zugrunde liegenden Technologie-Stacks durchführen.

LoRa
Die LoRa Alliance ist eine offene, gemeinnützige Organisation, die gegründet wurde, um ein Ökosystem für bestimmte LPWAN-Technologien zu fördern. Zu den Gründungsmitgliedern gehören sowohl IBM, MicroChip, Cisco, Semtech, Bouygues Telecom, Singtel, KPN, Swisscom, Fastnet, als auch Belgacom.

LoRaWAN ist die Open-Standard-Netzwerkschicht der LoRa Alliance. Es ist jedoch nicht wirklich offen, da der zugrunde liegende Chip zur Implementierung eines vollständigen LoRaWAN-Stacks nur über Semtech verfügbar ist. Im Grunde ist LoRa die physikalische Schicht: der Chip. LoRaWAN ist die MAC-Schicht: Die Software, die auf den Chip gelegt wird, um eine Vernetzung zu ermöglichen.

SigFox
SigFox wurde 2009 gegründet und ist ein französisches Unternehmen mit Sitz in Labège, Frankreich. SigFox hat wohl die stärkste Zugkraft im LPWAN-Bereich (oder zumindest ist es am bekanntesten) aufgrund seiner erfolgreichen Marketingkampagnen in Europa. Es verfügt auch über ein großes Ökosystem von Anbietern wie Texas Instruments, Silicon Labs oder Axom.

SigFox verwendet dabei eine proprietäre Technologie, ein Beispiel für die Verwendung einer langsamen Modulationsrate, um eine größere Reichweite zu erzielen. Aufgrund dieser Design-Wahl ist SigFox eine ausgezeichnete Option für Anwendungen, bei denen das System nur kleine, seltene Datenstöße senden muss.

Mögliche Anwendungen sind Parksensoren, Wasserzähler oder intelligente Mülltonnen. Es hat jedoch auch einige Nachteile im Gepäck. Das Senden von Daten an die Sensoren / Geräte (Downlink-Fähigkeit) ist stark eingeschränkt, und Signalstörungen können zu einem Problem werden.

Symphony Link
Link Labs ist Mitglied der LoRa Alliance und verwendet somit den oben genannten LoRa Chip. Anstatt LoRaWAN zu verwenden, hat Link Labs jedoch eine proprietäre MAC-Schicht (Software) auf Semtech-Chips namens Symphony Link aufgebaut.

Link Labs wurde 2013 von ehemaligen Mitgliedern des Applied Physics Laboratory der Johns Hopkins University gegründet und hat seinen Hauptsitz in Annapolis, Maryland.

Symphony Link bietet einige wichtige Konnektivitätsfunktionen im Vergleich zu LoRaWAN, darunter: garantierter Nachrichtenempfang, Firmware-Upgrade über Funk, Beseitigung der Tastgradbegrenzung, Repeater-Fähigkeit und Dynamikbereich.

Nwave
Nwave ist der Funktionalität von SigFox sehr ähnlich, verfügt jedoch über eine bessere Implementierung der MAC-Schicht. Es behauptet, „fortschrittliche Demodulationstechniken“ zu verwenden, um zu ermöglichen, dass sein Netzwerk mit anderen Funktechnologien ohne zusätzliches Rauschen koexistiert. Wie SigFox ist es am besten für sensorbasierte Netzwerke, Temperaturmessungen, Tankfüllstandsüberwachung, Smart Metering und andere Anwendungen.

RMPA
Random-Phase-Multiple-Access (RPMA) ist ein proprietärer LPWAN-Technologie-Stack von Ingenu. Das Unternehmen wurde 2008 von ehemaligen Ingenieuren von Qualcomm in San Diego, Kalifornien, gegründet und war ursprünglich On-Ramp Wireless.

Als Gründungsmitglied der Aufgabengruppe IEEE 802.15.4k (die sich mit der Überwachung von energieintensiven Infrastrukturen befasste) hat Ingenu enorme Anstrengungen bei der Entwicklung von RPMA unternommen, während sich SigFox- und LoRaWAN-Gruppen auf eine schnellere Markteinführung konzentriert haben.

Aufgrund seiner Architektur verfügt RPMA über eine bessere Uplink- und Downlink-Kapazität als andere Modelle. Es behauptet, eine bessere Doppler-, Terminierungs- und Interferenzrobustheit zu haben. Es arbeitet im 2,4 GHz-Spektrum, das weltweit verfügbar ist (für WLAN und Bluetooth). Dies bedeutet, dass es keine Architekturänderungen pro Region wie SigFox und LoRa gibt.

Laut seinen internen Studien hat RPMA ein deutlich höheres Linkbudget (177 vs. 149 und 157 für SigFox bzw. LoRa), was eine bessere Abdeckung bedeutet.

Weightless
Die Weightless SIG (Special Interest Group) wurde 2008 mit dem Ziel gegründet, LPWANs zu standardisieren. Es gibt fünf „Promotor Group Members“, darunter Accenture, ARM, M2COMM, Sony-Europe und Telensa.

Weightless ist der einzige wirklich offene Standard, der im unlizenzierten Spektrum von unter 1 GHz arbeitet. Es gibt drei Versionen von Weightless, die unterschiedlichen Zwecken dienen:

Weightless-W : nutzt Leerraum (ungenutztes lokales Spektrum im lizenzierten TV-Band)
Weightless-N : unlizenziertes Spektrum Schmalband-Protokoll aus NWaves Technologie
Weightless-P : bidirektionales Protokoll aus der Platanus-Technologie von M2COMM

Weightless N und P sind die beliebtesten Optionen, da Weightless-W eine kürzere Batterielaufzeit hat.

Weighless-P

Dieser Standard verwendet eine FDMA + TDMA-Modulation in einem 12,5 kHz-Schmalband (größer als SigFox, aber kleiner als LoRa). Es hat auch eine adaptive Datenrate, ähnlich wie Symphony Link (200 Bps bis 100 kbps). Die Empfindlichkeit ist ziemlich hoch, -134 dBm bei 625 bps und unterstützt sowohl die PSK- als auch die GMSK-Modulation.

Weightless-P ist sinnvoll für private Netzwerke, anspruchsvollere Anwendungsfälle und Fälle, in denen die Steuerung von Uplink-Daten und Downlink-Daten wichtig ist. Entwicklungskits für Weightless-P kommen gerade erst auf den Markt.

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