Die LoRa-Technologie (Long Range) ist eine drahtlose Kommunikationstechnologie mit geringem Stromverbrauch und großer Reichweite, die bei geringem Stromverbrauch Kommunikationsentfernungen von mehreren Kilometern erreichen kann. Sein Prinzip basiert auf einer Methode namens Spread-Spectrum-Technologie. Durch den Einsatz der Spread-Spectrum-Modulationstechnologie auf der Sende- und Empfangsseite wird der langsame Datenstrom in ein Hochgeschwindigkeits-Breitbandsignal umgewandelt und durch die entsprechende Entspreizungstechnologie auf der Empfangsseite wiederhergestellt. . Diese Methode ermöglicht die Übertragung von Signalen mit geringerer Leistung und ist resistent gegen Interferenzen und Mehrwegeeffekte, wodurch eine Kommunikation über große Entfernungen ermöglicht wird.
Insbesondere verwendet die physikalische Schicht der LoRa-Technologie eine Spread-Spectrum-Modulationstechnologie namens CSS (Chirp Spread Spectrum), die den ursprünglichen Datenstrom mit einem Basisbandsignal namens Chirp faltet, um ein Breitbandsignal mit geringer Leistung zu bilden. Auf der Sendeseite wird der ursprüngliche Datenstrom in ein Chirp-Signal umgewandelt, das vom Hochfrequenz-Frontend moduliert und leistungsverstärkt und in die Luft gesendet wird. Auf der Empfangsseite wird das empfangene Signal vom Hochfrequenz-Frontend demoduliert und gefiltert und dann zur Entspreizung an ein Modul namens Spread-Spectrum-Entspreizer gesendet. Während des Entspreizungsprozesses wandelt der Entspreizer auf der Empfangsseite das Breitbandsignal in einen schmalbandigen Originaldatenstrom um, indem er den auf der Sendeseite verwendeten Spreizcode anpasst. Diese Methode kann die Signalübertragungsentfernung und die Anti-Interferenz-Fähigkeit effektiv verbessern und gleichzeitig den Stromverbrauch und die Komplexität reduzieren.
Die MAC-Schicht der LoRa-Technologie verwendet ein konfliktfreies Protokoll namens ALOHA, das Datenpakete in verschiedenen Zeitintervallen auf zufällige Weise sendet, um Konflikte zwischen Absendern zu vermeiden. Um die Zuverlässigkeit und Flexibilität des Netzwerks weiter zu verbessern, führt die LoRa-Technologie gleichzeitig auch ein Kommunikationsprotokoll namens LoRaWAN ein.
Fernkommunikation: Mit der LoRa-Technologie kann eine Fernkommunikation bei geringerem Stromverbrauch erreicht werden. Die Kommunikationsentfernung kann mehrere Kilometer betragen. Es verfügt über eine große Fläche und eine tiefe Durchdringung und kann eine umfassende Abdeckung im Innen- und Außenbereich erreichen.
Geringer Stromverbrauch: Aufgrund der Verwendung der Spread-Spectrum-Technologie und des ALOHA-Protokolls hat die LoRa-Technologie einen geringen Stromverbrauch und kann einen Langzeitbetrieb erreichen, sodass sie für batteriebetriebene Geräte geeignet ist. Bei der LoRaWAN-Technologie schläft das Gerät die meiste Zeit und wacht nur dann auf, wenn eine Datenübertragung stattfindet, wodurch ein geringer Stromverbrauch erreicht wird.
Anti-Interferenz: Die LoRa-Technologie nutzt die Spread-Spectrum-Technologie, um das Signal resistent gegen Interferenzen und Mehrwegeeffekte zu machen und so die Zuverlässigkeit der Kommunikation zu verbessern.
Große Kapazität: Die LoRa-Technologie kann Daten von mehreren Knoten gleichzeitig verarbeiten und bietet den Vorteil einer großen Kapazität.
Sicherheit: Die LoRa-Technologie verwendet den AES-128-Verschlüsselungsalgorithmus, um die Datensicherheit zu gewährleisten.
Prinzip der LoRaWAN-Technologie
Die LoRaWAN-Technologie ist ein Netzwerkprotokoll, das auf der LoRa-Technologie basiert. Es bietet einen standardisierten IoT-Protokollstapel, der eine große Anzahl von LoRa-Geräten verbinden und verwalten kann. Die LoRaWAN-Technologie nutzt Stern- und Mesh-Topologien, wobei ein oder mehrere Gateways mit dem Internet verbunden sind, um Daten von LoRa-Geräten zu empfangen und zu senden. Es wird hauptsächlich für die Kommunikation von IoT-Geräten über große Entfernungen, mit geringem Stromverbrauch und niedriger Datenrate verwendet.
Der Kern der LoRaWAN-Technologie ist das MAC-Layer-Protokoll, das einen vollständigen Protokollstapel basierend auf der physischen LoRa-Schicht hinzufügt, einschließlich der physischen Schicht, der MAC-Schicht, der Netzwerkschicht und der Anwendungsschicht.
physikalische Schicht
Die physikalische Schicht von LoRaWAN basiert auf der LoRa-Technologie, die Frequenzumtastung (FSK) und Spread-Spectrum-Technologie verwendet. Bei der Datenübertragung werden die Daten zunächst gespreizt, dann mit FSK moduliert und schließlich ausgesendet. Diese Methode kann die Entstörungsfähigkeit des Signals verbessern und die Datenübertragungsentfernung verlängern.
MAC-Schicht
Das MAC-Layer-Protokoll von LoRaWAN umfasst hauptsächlich die folgenden Teile:
Zufälliger Zugriff: LoRaWAN-Geräte können jederzeit ohne vorher festgelegte Aushandlung mit dem Gateway auf das Netzwerk zugreifen. Diese Methode ermöglicht dem Gerät einen schnellen Zugriff auf das Netzwerk.
Adaptive Datenrate: LoRaWAN-Geräte können die Übertragungsrate adaptiv an die aktuelle Netzwerkumgebung anpassen, um Übertragungszuverlässigkeit und -stabilität zu gewährleisten.
Bestätigungsmechanismus: LoRaWAN-Geräte können wählen, ob sie einen Bestätigungsrahmen empfangen möchten, um zu bestätigen, ob die Daten erfolgreich gesendet wurden.
Datenverschlüsselung: LoRaWAN verwendet den AES-128-Bit-Verschlüsselungsalgorithmus zur Verschlüsselung von Daten, um die Sicherheit der Datenübertragung zu gewährleisten.
Netzwerkschicht
Das Netzwerkschichtprotokoll von LoRaWAN verwendet ein IPv6-basiertes Protokoll, das es LoRaWAN-Geräten ermöglicht, über IPv6-Adressen zu adressieren und zu kommunizieren. Darüber hinaus unterstützt das Netzwerkschichtprotokoll von LoRaWAN auch die Erkennung von Netzwerkdiensten, den Sicherheitsschutz, die Knotenverwaltung und andere Funktionen.
Anwendungsschicht
Das Anwendungsschichtprotokoll von LoRaWAN ist für verschiedene Anwendungsszenarien konzipiert. Es unterstützt eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungsprotokolle wie COAP, MQTT usw. und erleichtert so die Anwendungsentwicklung.
LoRaWAN ist ein drahtloses Kommunikationsprotokoll mit geringem Stromverbrauch und großer Entfernung, das zuverlässige, sichere und kostengünstige Kommunikationslösungen für IoT-Anwendungen bietet. Die Hauptmerkmale der LoRaWAN-Technologie sind wie folgt:
Fernkommunikation: Die LoRaWAN-Technologie nutzt die LoRa-Modulationstechnologie, um Fernkommunikation in komplexen Umgebungen wie Städten und ländlichen Gebieten mit einer Reichweite von mehreren Kilometern bis Dutzenden Kilometern zu ermöglichen.
Geringer Stromverbrauch: LoRaWAN-Geräte sind in der Regel batteriebetrieben, daher ist die Kontrolle des Stromverbrauchs sehr wichtig. Die LoRaWAN-Technologie verfügt über ein stromsparendes Design, das die Batterielebensdauer des Geräts erheblich verlängert, oft um Jahre oder sogar Jahrzehnte.
Große Kapazität: Die LoRaWAN-Technologie zeichnet sich durch eine große Kapazität aus und kann eine große Anzahl von Geräten gleichzeitig verbinden, um eine Viele-zu-Viele-Kommunikation zu erreichen.
Sicherheit: Die LoRaWAN-Technologie bietet mehrstufige Sicherheit, einschließlich Verschlüsselung auf physikalischer Ebene, Verschlüsselung auf MAC-Ebene und Verschlüsselung auf Anwendungsebene usw., um die Vertraulichkeit und Integrität der Daten sicherzustellen.
Flexibilität: Die LoRaWAN-Technologie ist äußerst flexibel und kann je nach Anwendungsszenario angepasst werden. Gleichzeitig weist es eine gute Interoperabilität auf und lässt sich nahtlos in andere Kommunikationstechnologien integrieren.
Geringe Kosten: Da die LoRaWAN-Technologie eine einfache Hardwarestruktur und ein offenes Kommunikationsprotokoll verwendet, sind die Kosten relativ niedrig. Gleichzeitig können durch das Design mit geringem Stromverbrauch auch Gerätewartungskosten eingespart werden.
Generell liegen die Vorteile der LoRaWAN-Technologie in der Fernkommunikation, dem geringen Stromverbrauch, der großen Kapazität, der Sicherheit, der Flexibilität und den geringen Kosten, was sie zu einer der sehr wichtigen Kommunikationstechnologien in IoT-Anwendungen macht.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass LoRa und LoRaWAN zwar zwei unterschiedliche Technologien sind, beide jedoch die Vorteile einer Übertragung über große Entfernungen und eines geringen Stromverbrauchs bieten und daher im Bereich des Internets der Dinge weit verbreitet sind. Wenn Entwickler und Anwendungshersteller die Prinzipien und Eigenschaften von LoRa und LoRaWAN verstehen, können sie die für ihre eigenen Anwendungsszenarien geeignete Technologie besser auswählen und effiziente und stabile drahtlose Kommunikationsgeräte entwerfen.