Wie Long Range Wide Area Networks die IoT-Anbindung erleichtern

Entscheidend für die ordnungsgemäße Funktion des Internet der Dinge (IoT) ist der Datenaustausch – unabhängig davon, wo sich ein Endgerät befindet. Ob im Keller eines städtischen Gebäudes, in einer Rohrleitung neben einer Straße oder Bahntrasse – das Gerät muss seinen Status an Remote-Server melden und Befehle empfangen können. Die Schwierigkeit, Kabel an jeden Standort zu verlegen, macht die Funkkommunikation für IoT-Geräte praktisch zwingend. Kommen nur wenige lokale Gateways für die Datenweiterleitung zum Einsatz, ist eine Funkverbindung unerlässlich.

Chirp-Spread-Spectrum-Technik für Lorawan

Als Funkprotokoll, das neben anderen Systemen bestehen muss, die dieselben nicht lizenzierten Funkbänder nutzen, verwendet Lorawan die Streuspektrum-Technologie – jedoch nicht die direkt sequenzierte Streuspektrum-Modulation (DSSS; Direct-Sequenced Spread-Spectrum) anderer Protokolle. Bei kosten- und platzsparenden Systemen besteht bei DSSS das Problem, dass ein hochgenauer Referenztakt erforderlich ist. Lorawan ersetzt DSSS durch die CSS-Technik (Chirp Spread-Spectrum), die auf einen genauen Taktgeber verzichtet.

Bild 1: Beispiel eines LoRa-Chirp-Signals. Semtech

Das Chirp-Signal variiert in seiner Frequenz über dessen Dauer und hat durch seinen geringen Sendeleistungsbedarf und seine Robustheit gegenüber Kanalverschlechterung, wie etwa Mehrwegeffekte, Fading, Doppler-Verzerrung und Interferenzen, seinen Platz im Bereich der Funkübertragung gefunden. Durch die Streuspektrum-Modulation, bei der Informationsbits über mehrere übertragene Codes hinweg codiert werden, bietet Lorawan einen verbrauchsoptimierten Kompromiss zwischen Empfindlichkeit, Datenrate und Bandbreite, da verschiedene Streu-/Spreizfaktoren zum Einsatz kommen. So sollte ein Sensor, der sich in der Nähe eines Gateways befindet, mit einem niedrigen Spreizfaktor übertragen werden, da nur eine geringe Leistungsübertragungsbilanz (Link Budget) erforderlich ist. Ein Sensor, der sich hingegen 10 km von einem Gateway entfernt befindet, muss jedoch mit einem viel höheren Spreizfaktor übertragen, wodurch sich die Datenmenge verringert, die in einem bestimmten Zeitraum gesendet werden kann. Der Kompromiss stellt sicher, dass Pakete unter einer Vielzahl von Bedingungen eine höhere Wahrscheinlichkeit haben, korrekt empfangen zu werden und ermöglicht eine größere Flexibilität beim Design von HF-Schaltungen und Antennen.

Lorawan Zugriffsklassen

Bei Lorawan erfolgt die gesamte Kommunikation zwischen Endgeräten und einem Gateway. Damit entsteht ein Netzwerk mit einer Sterntopologie, das eine einfache Struktur bietet und Kommunikationsmodi ermöglicht, die ein Batteriemanagement durch eine Auswahl von Zugriffsklassen gewährleisten.

Bild 2: Zeitdiagramm eines Lorawan-Klasse-A-Endgerätes. Semtech

Klasse A wird häufig für batteriebetriebene Endgeräte verwendet, obwohl alle Lorawan-IoT-Endgeräte zumindest diese Betriebsklasse unterstützen müssen. Klasse A basiert auf dem Aloha-Protokoll, das in vielen Funknetzen verwendet wird. Jedes Gerät kann jederzeit eine Uplink-Nachricht an das Gateway senden. Es gibt keinen voreingestellten Zeitplan oder ein zugewiesenes Zeitfenster. Für jede Lorawan-Uplink-Nachricht erwartet das Endgerät eine Downlink-Nachricht als Antwort. Diese kann in einen von zwei Empfangs-Downlink-Zeitfenstern erfolgen. Sobald die Downlink-Nachricht empfangen wurde, kann das Endgerät in den Ruhezustand wechseln, um die Batterie zu schonen. Empfängt das Endgerät im ersten Zeitfenster eine Downlink-Nachricht, muss er nicht auf ein zweites Empfangszeitfenster warten, damit das Gerät seinen Empfänger so schnell wie möglich abschaltet.

Bei Klasse A gibt es kein Verfahren, mit dem ein Lorawan-Gateway das Endgerät aktiviert. Daher ist Klasse A eine gute Wahl für Sensoren, die vor Ort durch Timer oder Änderungen auf den I/O-Leitungen aktiviert werden – nicht jedoch für Aktoren wie Bewässerungsventile oder Türschlösser, die schnell auf Fernbefehle reagieren müssen. Für diese Szenarien wurden Endgeräte der Klassen B und C definiert.

Bild 3: Zeitdiagramm eines Lorawan-Klasse-B-Endgerätes (gezeigt sind nur die RX-Zeitschlitze). Semtech

Bei Klasse B, die häufig für batteriebetriebene Endgeräte mit Stellgliedfunktion bevorzugt wird, erhält jedes Gerät ein Zeitfenster, das auf einem vom Gateway gelieferten periodischen Beacon-Signal basiert. Der Vorteil eines zugewiesenen Zeitfensters besteht darin, dass das Endgerät zwischen diesen Zeiträumen in den Sleep-Modus übergehen kann. Bei einer intelligenten HF-Schnittstelle muss dann nur noch dieses Subsystem aktiviert werden, um die Dauer des Zeitfensters zu überwachen, während der Core-Prozessor in einem ruhigen, stromsparenden Zustand verbleibt. Nur wenn eine Nachricht empfangen wird, wird der Prozessor aktiviert, um sie zu verarbeiten. Eine Echtzeituhr kann die erforderliche Serie von Interrupts liefern, um sicherzustellen, dass der Empfänger für jedes Zeitfenster aktiviert ist. Uplink-Nachrichten können gesendet werden, wenn das Gerät nicht auf eine Downlink-Nachricht wartet. Dies geschieht, wenn ein lokaler Interrupt signalisiert, dass ein Sensoreingang empfangen wurde, und die Prozessorsoftware feststellt, dass dieser wichtig genug ist, um an einen Server weitergeleitet zu werden. Eine gängige Anwendung für Klasse B sind Bewässerungsventile, bei denen die Anwendung eine bestimmte Zeit vom Befehl bis zur Aktivierung des Ventils von bis zu mehreren Minuten tolerieren kann.

Klasse C wird meist für netzbetriebene Endgeräte wie Straßenlaternen verwendet, die so schnell wie möglich auf Netzwerkmeldungen reagieren müssen. Diese Geräte warten ständig auf eine Downlink-Nachricht vom Gateway. Die einzige Ausnahme ist, wenn der Endknoten eine Uplink-Nachricht überträgt. Infolgedessen verhalten sich Geräte der Klasse C am ehesten wie Geräte, die in Netzwerken arbeiten, die nicht über die Stromverbrauchsoptimierung von Lorawan verfügen.

Entwicklung von Lorawan-Endgeräten

Bei den meisten Geräten ist der Betriebszyklus und dessen Interaktion mit Interrupt-Quellen ein wichtiger Aspekt bei der Entwicklung von Endgeräten. Die meisten MCU-Plattformen verfügen jedoch bereits über die erforderlichen Funktionen: Stromsparende Sensoren werden mit Sicherheit Sleep-Modi verwenden. Solange sich das Gerät rechtzeitig mit Netzwerkmeldungen aktivieren lässt (durch die Aktionen einer Echtzeituhr), kann es die Anforderungen von Lorawan unterstützen, um die Energieeffizienz zu erhöhen. Der Entwickler muss dabei die Funktionsweise des Geräts analysieren, denn die zusätzliche Funkkommunikation beeinflusst die Lebensdauer der Batterie.

Viele batteriebetriebene Systeme müssen viele Jahre mit einer einzigen Batterieladung betrieben werden, da es zu teuer ist, regelmäßig Wartungspersonal zu entsenden. Daher muss der Verbrauch inklusive Funkkommunikation richtig abgeschätzt werden. Dazu wird der Stromverbrauch im Ruhezustand und im aktiven Zustand analysiert und anschließend ermittelt, wie lange das Gerät in jedem Zustand verbringen wird. Mithilfe der regulären Downlink-Zeitfenster, die von Geräten der Klasse B verwendet werden, wird festgelegt, wie viel Aktivität der Empfänger über seiner Lebensdauer aushalten muss.

In Bezug auf die Software-Integration nimmt ein einfacher Lorawan-Stack etwa 55 bis 60 Kbit Code-Speicherplatz ein. Da immer mehr Systeme per Funk (Over-the-Air) aktualisiert werden, ist die Menge an nichtflüchtigem Speicher zu berücksichtigen, die zum Puffern neuer Firmware und zum Speichern des vorhandenen Codes erforderlich ist, um Updates zu unterstützen. Durch das Speichern von neuer und alter Software ist es möglich, Updates zurückzusetzen, falls ein Fehler auftritt.

Eine weitere Überlegung hinsichtlich der Prozessorfunktionen ist die Sicherheit. Ein wesentliches Merkmal des Lorawan-Netzwerkprotokolls ist die integrierte Unterstützung für eine sichere, verschlüsselte Kommunikation. Das Basis-Authentifizierungs- und Sicherheits-Framework basiert auf AES-128-Verschlüsselung – mit separaten Schlüsseln zum Schutz von Benutzerdaten und Netzwerk-Metadaten in jedem Paket. Dadurch bietet Lorawan im Vergleich zu Lösungen mit einem einzigen Schlüssel mehr Sicherheit. Der Vorteil der AES-128-Verschlüsselung ist die hohe Sicherheit bei vergleichsweise geringem Overhead. Sie lässt sich vollständig in Software oder – falls mehr Leistungsfähigkeit gefordert ist – in Hardware implementieren. Da Lorawan-Datennutzlasten relativ kurz sind (meist weniger als 12 Byte), ist die Umsetzung in Software praktisch. Es ist wichtig, die symmetrischen Schlüssel zu schützen, die für den eindeutigen Schlüssel des Geräts erforderlich sind. Dies gilt auch für die Sitzungsschlüssel, die von diesem Schlüssel abgeleitet werden. Eine MCU mit speziellem sicherem On-Chip-Flash oder EEPROM ist die beste Wahl. Häufig enthalten Funk-Transceiver für Lorawan die notwendigen Verschlüsselungs- und Schlüsselspeicherfunktionen.

Wahl der Antenne

Ein weiterer entscheidender Faktor ist die Wahl der Antenne: Diese wichtige Komponente gewährleistet, dass Geräte über große Entfernungen mit einem Gateway kommunizieren können. Entwickler von IoT-Geräten können zwischen verschiedenen Antennen wählen. Die Wahlmöglichkeiten umfassen: eine einfache Viertelwellenlängen-Drahtantenne; eine PCB-Antenne, die auf der Leiterplatte aufgedruckt ist; eine chipbasierte Antenne; eine einfache Viertelwellen-Spulenantenne; oder eine externe Viertelwellen-Peitschenantenne. Entwickler, die sich für ein Lorawan-Standardmodul oder ein System-in-Package (SiP) entscheiden, werden feststellen, dass die erforderliche Antenne bereits integriert ist. Dies vereinfacht das Design, obwohl die Antenne möglicherweise weniger flexibel ist als eine für das Endgerät abgestimmte Antenne.

Da sofort einsatzfähige und anpassbare Lösungen für Lorawan zur Verfügung stehen, ist es für Entwickler einfach, Funkkommunikation mit hoher Reichweite und geringem Stromverbrauch in ihre Designs zu integrieren und die Vorteile der IoT-Kompatibilität für ihre Systeme zu nutzen. Wird dabei die System- und Softwarearchitektur berücksichtigt, bietet das resultierende System eine hohe Leistungsfähigkeit und Energieeffizienz.

(jj)