1. Einführung in die drahtlose LoRa-Technologie
LoRa ist eine drahtlose Fernübertragungstechnologie, die auf der Spread-Spectrum-Technologie basiert. Es handelt sich tatsächlich um eine von vielen LPWAN-Kommunikationstechnologien. Es wurde zuerst von der amerikanischen Firma Semtech übernommen und gefördert. Diese Lösung bietet Benutzern eine einfache Möglichkeit, drahtlose Kommunikation über große Entfernungen und mit geringem Stromverbrauch zu erreichen. Derzeit arbeitet die drahtlose LoRa-Technologie hauptsächlich im ISM-Frequenzband, das hauptsächlich 433, 868, 915 MHz usw. umfasst.
LoRa ist eine physikalische Schicht oder drahtlose Modulation, die zum Aufbau von Kommunikationsverbindungen über große Entfernungen verwendet wird. Viele ältere drahtlose Systeme verwenden die Frequenzumtastungsmodulation (FSK) als physikalische Schicht, da es sich um eine sehr effiziente Modulation handelt, die einen geringen Stromverbrauch erzielt. LoRa basiert auf der Spread-Spectrum-Modulation mit linearer Frequenzmodulation, die die gleichen niedrigen Stromverbrauchseigenschaften wie die FSK-Modulation beibehält, aber die Kommunikationsentfernung deutlich erhöht. Lineares Spreizspektrum wird aufgrund seiner Fähigkeit, große Kommunikationsreichweiten zu erreichen und robust gegenüber Störungen zu sein, seit Jahrzehnten in der Militär- und Weltraumkommunikation eingesetzt. LoRa ist jedoch die erste kostengünstige Implementierung für den kommerziellen Einsatz.
Der Vorteil von LoRa-Modulen ist die Fernfähigkeit der Technologie. Ein einzelnes Gateway oder eine einzelne Basisstation kann eine ganze Stadt oder Hunderte von Quadratkilometern abdecken. An einem bestimmten Standort hängt die Entfernung weitgehend von der Umgebung oder Hindernissen ab, aber LoRa und LoRaWAN verfügen über ein Verbindungsbudget, das jeder anderen standardisierten Kommunikationstechnologie überlegen ist. Das Verbindungsbudget, das normalerweise in Dezibel (dB) ausgedrückt wird, ist der wichtigste Faktor, der die Entfernung in einer bestimmten Umgebung bestimmt.
2. Netzwerkzusammensetzung der LoRa-Funktechnologie
Das LoRa-Netzwerk besteht hauptsächlich aus vier Teilen: Terminal (kann über ein integriertes LoRa-Modul verfügen), Gateway (oder Basisstation), Server und Cloud. Bewerbungsdaten können in beide Richtungen übertragen werden.
LoRa Alliance Die LoRa Alliance ist eine offene, gemeinnützige Organisation, die im März 2015 von Semtech geführt wurde. Zu ihren Gründungsmitgliedern gehören French Actility, Chinese AUGTEK und Royal Dutch Telecom kpn. In weniger als einem Jahr hat die Allianz mehr als 150 Mitgliedsunternehmen hervorgebracht, darunter viele große Hersteller wie IBM, Cisco und Orange of France. In jedem Glied der Industriekette gibt es eine große Anzahl von Unternehmen (Terminal-Hardware-Hersteller, Chip-Hersteller, Modul-Gateway-Hersteller, Software-Hersteller, Systemintegratoren, Netzwerkbetreiber). Die Offenheit dieser Technologie erschwert Wettbewerb und Zusammenarbeit. Die Angemessenheit hat die schnelle Entwicklung und den ökologischen Wohlstand von LoRa gefördert.
3. Architektur und Prinzipien des Lora-Netzwerks
In einem Mesh-Netzwerk leiten einzelne Endknoten Informationen von anderen Knoten weiter, um die Kommunikationsentfernung des Netzwerks und die Größe des Netzwerkbereichs zu erhöhen. Dies erhöht zwar die Reichweite, erhöht aber auch die Komplexität, verringert die Netzwerkkapazität und verkürzt die Batterielebensdauer, da Knoten Informationen von anderen Knoten akzeptieren und weiterleiten, die für sie möglicherweise nicht relevant sind. Bei der Implementierung von Fernverbindungen ist die Langstrecken-Sternarchitektur am sinnvollsten, um die Batterielebensdauer zu schonen.
In einem LoRaWAN-Netzwerk sind Knoten keinen dedizierten Gateways zugeordnet. Im Gegensatz dazu werden von einem Knoten gesendete Daten normalerweise von mehreren Gateways empfangen. Jedes Gateway leitet vom Endknoten empfangene Pakete über einen Backhaul (Mobilfunk, Ethernet usw.) an einen Cloud-basierten Netzwerkserver weiter. Die Intelligenz und Komplexität wird auf dem Server platziert, der das Netzwerk verwaltet und eingehende Daten auf Redundanz filtert, Sicherheitsüberprüfungen durchführt, eine Planungsvalidierung über optimale Gateways durchführt und adaptive Datenraten durchführt usw.
4. Einführung in das LoRaWAN-Protokoll
LoRaWAN ist ein Low-Power-Wide-Area-Netzwerk-Kommunikationsprotokoll, das auf dem von der LoRa Alliance veröffentlichten Open-Source-MAC-Layer-Protokoll basiert. Es stellt hauptsächlich lokale, nationale oder globale Netzwerkkommunikationsprotokolle für batteriebetriebene drahtlose Geräte bereit.
LoRaWAN definiert das Kommunikationsprotokoll und die Systemarchitektur des Netzwerks, und die physikalische LoRa-Schicht ermöglicht Kommunikationsverbindungen über große Entfernungen. LoRaWAN wurde von Grund auf entwickelt und optimiert LPWAN (Low Power Wide Area Network) hinsichtlich Batterielebensdauer, Kapazität, Entfernung und Kosten. Es wird ein Überblick über die LoRaWAN-Spezifikationen für verschiedene Regionen sowie ein allgemeiner Vergleich der verschiedenen im LPWAN-Bereich konkurrierenden Technologien gegeben.
5. LoRaWAN-Netzwerktopologie 
Das LoRaWAN-Netzwerk ist eine typische Mesh-Netzwerktopologie. In dieser Netzwerkarchitektur ist das LoRa-Gateway für die Datenaggregation und die Verbindung von Endgeräten und Back-End-Cloud-Datenservern verantwortlich. Gateway und Server sind über ein TCP/IP-Netzwerk verbunden. Es besteht eine bidirektionale Kommunikation zwischen allen Knoten und dem Gateway. In Anbetracht der batteriebetriebenen Situation schläft der Endknoten normalerweise. Wenn Daten gesendet werden müssen, wacht es auf und sendet dann die Daten.
Daher sind wir mit der LoRa-Technologie in der Lage, längere Übertragungsentfernungen bei geringer Sendeleistung zu erreichen. Diese stromsparende Weitverkehrstechnologie ist für den groß angelegten Einsatz drahtloser Sensornetzwerke erforderlich.
6. Vor- und Nachteile der LoRa-Technologie
Im Allgemeinen sind Übertragungsrate, Betriebsfrequenzband und Netzwerktopologie die drei Hauptparameter, die die Eigenschaften von Sensornetzwerken beeinflussen. Die Wahl der Übertragungsrate wirkt sich auf die Übertragungsentfernung und die Batterielebensdauer des Systems aus; Die Wahl des Betriebsfrequenzbands muss die Ziele des Frequenzbands und des Systemdesigns beeinträchtigen. und im FSK-System wird die Wahl der Netzwerktopologie durch die Anforderungen an die Übertragungsentfernung und die vom System benötigten Knoten bestimmt. Bestimmt durch Anzahl. LoRa kombiniert digitales Spreizspektrum, digitale Signalverarbeitung und Vorwärtsfehlerkorrektur-Codierungstechnologie, um eine beispiellose Leistung zu erzielen. Früher wurden diese Technologien nur in der industriellen Funkkommunikation auf hohem Niveau integriert, doch mit der Einführung von LoRa hat sich die Situation im Bereich der eingebetteten drahtlosen Kommunikation völlig verändert.
Die Vorwärtsfehlerkorrektur-Codierungstechnologie fügt der zu übertragenden Datensequenz einige redundante Informationen hinzu, sodass die während des Datenübertragungsprozesses eingefügten Fehlersymbole am Empfangsende rechtzeitig korrigiert werden. Diese Technik reduziert die Notwendigkeit, „selbstheilende“ Pakete für die erneute Übertragung zu erstellen und eignet sich gut zur Lösung von Burst-Fehlern, die durch Multipath-Fading verursacht werden. Sobald Paketgruppen gebildet sind und zur Gewährleistung der Zuverlässigkeit eine Vorwärtsfehlerkorrekturcodierung eingefügt wurde, werden die Pakete einem digitalen Spreizspektrumsmodulator zugeführt. Dieser Modulator speist jedes Bit im Paket in einen „Spreader“ ein, der die Zeit jedes Bits in mehrere Chips aufteilt.
Selbst wenn es laut ist, kommt das LoRa-Modul ruhig damit zurecht. Das LoRa-Modem ist für die Aufteilung in einen Bereich von 64–4096 Chips/Bit konfiguriert, wobei der höchste Spreizfaktor (12) von 4096 Chips/Bit verwendet werden kann. Relativ gesehen kann ZigBee den Bereich nur in 10-12 Chips/Bit aufteilen.
Durch die Verwendung eines hohen Spreizfaktors kann die LoRa-Technologie Daten mit geringer Kapazität über einen weiten Bereich des Funkspektrums übertragen. Wenn man sie mit einem Spektrumanalysator misst, sehen die Daten tatsächlich wie Rauschen aus, aber der Unterschied besteht darin, dass das Rauschen nicht korreliert und die Daten korreliert sind und auf dieser Grundlage die Daten tatsächlich aus dem Rauschen extrahiert werden können. Je höher der Spreizfaktor, desto mehr Daten können aus dem Rauschen extrahiert werden. In einem gut funktionierenden GFSK-Empfänger ist ein minimales Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) von 8 dB erforderlich, um das Signal zuverlässig zu demodulieren. Durch die Konfiguration von AngelBlocks kann LoRa ein Signal mit einem Signal-Rausch-Verhältnis von -20 dB demodulieren. Die GFSK-Methode stimmt damit überein. Der resultierende Unterschied beträgt 28 dB, was einer viel größeren Reichweite und Entfernung entspricht. In einer Außenumgebung kann eine 6-dB-Lücke das Doppelte der ursprünglichen Übertragungsentfernung erreichen.
Dank des extrem starken Linkbudgets können Signale weiter fliegen. Um die Leistung der Übertragungsreichweite zwischen verschiedenen Technologien effektiv vergleichen zu können, verwenden wir einen quantitativen Indikator namens „Link-Budget“. Das Link-Budget umfasst alle Variablen, die die Signalstärke auf der Empfangsseite beeinflussen, was in vereinfachter Form die Sendeleistung plus die Empfängerempfindlichkeit umfasst. Die Sendeleistung von AngelBlocks beträgt 100 mW (20 dBm), die Empfängerempfindlichkeit beträgt -129 dBm und das gesamte Verbindungsbudget beträgt 149 dB. Im Vergleich dazu benötigt die GFSK-Funktechnologie mit einer Empfindlichkeit von -110 dBm (ein ausgezeichneter Wert) 5 W Leistung (37 dBm), um den gleichen Link-Budget-Wert zu erreichen. In der Praxis kann die Empfängerempfindlichkeit der meisten GFSK-Funktechnologien -103 dBm erreichen. In diesem Fall muss die Sendefrequenz des Senders 46 dBm oder etwa 36 W betragen, um einen Link-Budget-Wert ähnlich wie bei LoRa zu erreichen. Daher können wir mit der LoRa-Technologie eine größere Übertragungsreichweite und -entfernung bei geringer Übertragungsleistung erreichen. Diese Low-Power-Wide-Area-Technologie ist genau das, was wir brauchen.
7. Über LPWAN-Technologie
Das Low Power Wide Area Network (LPWAN) ist ein unverzichtbarer Bestandteil des Internets der Dinge. Es zeichnet sich durch geringen Stromverbrauch, große Reichweite und starke Durchdringung aus. Es eignet sich zum Senden und Empfangen einer kleinen Datenmenge alle paar Minuten. Datenanwendungen wie die Positionierung des Wassertransports, die Überwachung von Straßenlaternen, die Überwachung von Parkplätzen usw. Die LPWAN-bezogene Organisation LoRa Alliance hat derzeit 145 Mitglieder auf der ganzen Welt und ihr üppiges Ökosystem ermöglicht Geräten, die dem LoRaWAN-Protokoll folgen, eine starke Interoperabilität. Ein Kommunikations-Gateway, das vollständig dem LoRaWAN-Standard entspricht, kann auf Zehntausende drahtlose Sensorknoten im Umkreis von 5 bis 10 Kilometern zugreifen. Seine Effizienz ist viel höher als beim herkömmlichen Punkt-zu-Punkt-Polling-Kommunikationsmodus und kann auch den Stromverbrauch der Knotenkommunikation erheblich reduzieren. 