NeoMesh on LoRa PHY
Neue drahtlose Mesh-Netzwerktechnologie
NeoMesh, ein Mesh-Netzwerkprotokoll der 2. Generation, bietet gegenüber herkömmlichen Mesh-Netzwerken Vorteile. Um die Reichweite zwischen den Mesh-Knoten zu verlängern und die Störfestigkeit zu verbessern, lässt es sich mit LoRa-Modulation kombinieren. Die dafür nötigen Komponenten stehen bereit.
Die Diskussion über drahtlose Mesh-Netzwerktechnologien konzentriert sich häufig auf die höheren Ebenen des Protokollstacks. Dabei erfahren Routing-Fähigkeiten, Sicherheit, Zuverlässigkeit und der Application Layer große Aufmerksamkeit, während der Physical Layer (PHY) oft übersehen wird: Wer erinnert sich schon auf Anhieb, welcher PHY in BLE, ZigBee, Z-Wave oder Thread verwendet wird? Dabei ist der PHY grundlegend für einen Großteil der Leistungsfähigkeit der Kommunikationsverbindung.
Der PHY ist für die Übertragung und den Empfang von Daten über Funk zuständig. Sein Modulationsschema bestimmt, wie die Rohdatenbits als elektromagnetische Signale übertragen und beim Empfang wieder in Basisbandsignale umgewandelt werden. Die Reichweite einer Funkverbindung hängt von der Sendeleistung, der Empfindlichkeit des Empfängers und der Kommunikationsfrequenz ab. Die Empfängerempfindlichkeit wird durch die Empfängerbandbreite (B), die Rauschzahl des Empfängers (NF) und das minimale Signal-Rausch-Verhältnis (SNR, Signal-to-Noise Ratio) des Demodulators bestimmt – das wiederum vom Modulationsschema abhängt.
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Das Frequenzband lässt sich nicht frei wählen, weil die Nutzung von den Behörden in der Region geregelt wird, in der das System betrieben wird. Allerdings bieten Sub-GHz-Frequenzbänder meist eine größere Reichweite als 2,4 GHz. Die Sendeleistung wird ebenfalls durch regionale Vorschriften geregelt, sodass die Empfängerempfindlichkeit und das Modulationsschema die beiden wichtigsten Faktoren sind, die technisch beeinflussbar sind. Normalerweise besteht ein Kompromiss zwischen Datenrate und Empfindlichkeit, wobei eine größere Kommunikationsreichweite auf Kosten der Datenrate geht. Zu beachten ist, dass erhöhte Empfindlichkeit auch zu einer verbesserten Störfestigkeit führen kann.
Modulation und Demodulation
Digitale Modulationsverfahren in Geräten mit geringem Stromverbrauch weisen tendenziell eine geringe Komplexität und einen geringen Stromverbrauch auf. Deshalb wurden OOK, FSK und Varianten von FSK, wie MSK und GMSK, in der Vergangenheit in Funkkommunikationsnetzen mit Maschentopologie verwendet [1].
Beim On-Off-Keying (OOK) werden Informationsbits auf rudimentäre Weise auf einer HF-Trägerwelle codiert: Der Binärwert »1« steht für eine eingeschaltete Trägerwelle, der Binärwert »0« für eine ausgeschaltete Trägerwelle. Diese Modulation ist einfach zu erzeugen und leicht zu empfangen, allerdings auch sehr anfällig für Störungen und andere Probleme. Zudem erfordert sie ein Empfänger-SNR von etwa +16 dB für eine Bit Error Rate (BER) von 1 % [2].
Beim Frequency Shift Keying (FSK) werden die digitalen Informationen auf die Frequenzmodulation des Trägersignals abgebildet. Dazu wird zwischen zwei Frequenzen (f1, f2) umgeschaltet, die ein Bit »1« und ein Bit »0« darstellen. FSK ist einfach zu empfangen und weist eine bessere Störfestigkeit auf, erfordert aber ein Demodulator-SNR im Bereich von +9 dB für eine BER von 1 Prozent [3].
LoRa-Modulation
Zur Verdeutlichung des Unterschieds zwischen LoRa und LoRaWAN: LoRa ist die Modulation der PHY-Schicht, und LoRaWAN ist eine Layer-2-LPWAN-Netzwerkarchitektur, die auf dem LoRA-Modulationsverfahren beruht. Die LoRa-Modulation nutzt Chirp Spread Spectrum (CSS) in Kombination mit Forward Error Correction, um die zu codierenden Informationen als Frequenzchirp (eine rampenförmige Frequenzänderung über die Zeit) zu übertragen. Deshalb ist sie weniger empfindlich gegenüber Rauschen, Schmalbandstörungen und hochfrequenten Burst-Störungen.
Während bei der OOK- und FSK-Modulation einzelne Bitsymbole (»1« oder »0«) codiert werden, ist dies bei der LoRa-Modulation nicht der Fall. Stattdessen werden LoRa-Symbole, die mehrere Bits darstellen, in einem einzigen Chirp codiert. Beispielsweise repräsentiert ein einzelnes Symbol bei einem Spreizfaktor SF von 7 die Werte 27 = 128 (7 Bit pro Symbol). Jedes Symbol wird durch eine unterschiedliche Platzierung der Start- und Endfrequenzen innerhalb des Chirps dargestellt.
Signal-Rausch-Verhältnis
Um ein moduliertes Signal zu decodieren, muss ein HF-Empfänger in der Lage sein, das gewünschte Signal vom Rauschen zu unterscheiden. Wie wir bereits im vorherigen Abschnitt gesehen haben, erfordern OOK und FSK deutlich stärkere Signale als das Grundrauschen des Empfängers von 10 bis 15 dB bzw. 6 bis 10 dB: Es ist ein positives SNR erforderlich. Mit der LoRa-Modulation ermöglicht die Fähigkeit des Empfängers, den empfangenen Spread-Spectrum-Chirp unterhalb des Rauschpegels zu korrelieren, allerdings den Empfang von Signalen mit negativem SNR unterhalb des Rauschpegels des Transceivers.
Darüber hinaus bietet der Empfang mit negativem SNR bei gleicher Übertragungszeit (Datenrate) einen Empfindlichkeitsvorteil von 8 bis 9 dB gegenüber FSK. Das Ausmaß, in dem LoRa unterhalb der Rauschgrenze empfangen kann, wird durch den Spreizfaktor (SF) bestimmt (Tabelle 1).
Modulationen eine größere Reichweite haben. Diese Funktion bildet die Grundlage der LoRaWAN-LPWAN-Technologie, bei der Netzwerke in Sternkonfigurationen um ein Gateway herum aufgebaut werden. Die hohe Empfindlichkeit ermöglicht eine mobilfunkähnliche Reichweite bei geringer Sendeleistung, wodurch eine Netzwerkkommunikation über viele Kilometer hinweg möglich wird.
NeoMesh – ein Mesh-Netzwerk der zweiten Generation
Das 2014 erstmals auf den Markt gebrachte NeoMesh ist ein Mesh-Netzwerkprotokoll der zweiten Generation, das sich von herkömmlichen Mesh-Netzwerken wie etwa ZigBee, BLE Mesh, Thread oder Z-Wave dadurch unterscheidet, dass es hoch skalierbar und vollständig dezentralisiert ist und einen sehr geringen Stromverbrauch für alle Geräte im Netzwerk aufweist.
Herkömmliche Mesh-Netzwerke beruhen auf Geräten, die unterschiedliche Rollen im Netzwerk haben.
Einige davon sind zwar stromsparend und haben einen eingeschränkten Funktionsumfang, können jedoch nur dann effektiv arbeiten, wenn sie sich in Reichweite anderer Geräte mit vollem Funktionsumfang befinden (die nicht stromsparend sind). Nur netzbetriebene Geräte können als Router fungieren, die für die Erweiterung des Netzwerks notwendig sind. Schließlich benötigen herkömmliche Mesh-Netzwerke einen zentralen »Master«, der das Netzwerk verwaltet.
NeoMesh verwendet ausschließlich Geräte mit voller Funktionalität, sodass jedes Gerät als Router fungieren kann und durch die Weiterleitung von Daten für die anderen Geräte zur Erweiterung der Reichweite des Netzwerks beiträgt. Alle NeoMesh-Geräte arbeiten im synchronisierten Modus, sie können also auf effiziente Weise in den Ruhezustand wechseln, wenn keine Aktivität erforderlich ist. Dadurch lassen sich alle Geräte im Netzwerk viele Jahre lang mit Batterien betreiben.
Das Routing in NeoMesh erfolgt über das patentierte SpeedRouting-Protokoll, das für große Mesh-Netzwerke optimiert ist und auch in Netzwerken mit nicht statischen Topologien, wie etwa mobilen Knoten, ein Routing ermöglicht. Darüber hinaus unterliegt SpeedRouting keiner Begrenzung der Hop-Anzahl und eignet sich daher ideal für große Netzwerke.
Das NeoMesh-Protokoll ist nicht speziell an einen bestimmten Physical Layer gebunden. Bei seiner Einführung im Jahr 2014 arbeitete NeoMesh im 2,4-GHz-Band mit FSK-Modulation bei 500 kbit/s. Später, im Jahr 2015, kamen die Sub-GHz-Bänder 868 MHz (EU) und 915 MHz (USA) hinzu, die weiterhin die FSK-Modulation verwenden, allerdings mit 250 kbit/s.
Obwohl die 2,4-GHz-Version es den NeoMesh-Nutzern ermöglicht, Produkte zu entwickeln, die weltweit eingesetzt werden können, ist ihre Leistungsfähigkeit hinsichtlich Reichweite und Störfestigkeit nicht beeindruckend. Die Sub-GHz-Varianten ermöglichen eine deutlich bessere Reichweite, besonders in Innenräumen oder unterirdisch.
Auch wenn die 2,4-GHz- und Sub-GHz-FSK-basierten Varianten von NeoMesh es den NeoMesh-Anwendern ermöglicht haben, viele innovative Lösungen in den Bereichen Smart Buildings, Smart Agriculture, Industrie, Transport und anderen Bereichen zu entwickeln, gibt es bestimmte Anwendungen, die entweder eine größere Reichweite zwischen den Mesh-Knoten oder eine bessere Leistung in verrauschten Umgebungen erfordern.
NeoMesh und LoRa – das Beste aus beiden Welten
Die Kombination von NeoMesh und LoRa ermöglicht eine größere Reichweite zwischen den Mesh-Knoten und eine verbesserte Störfestigkeit. Das Zusammenbringen dieser beiden innovativen Technologien ist jedoch keine einfache Plug-and-Play-Aufgabe.
Zwar bietet LoRa die erforderliche verbesserte Verbindungsleistung, allerdings mit Einschränkungen hinsichtlich der Bitrate auf der HF-Ebene. Wie bereits erwähnt, arbeitet NeoMesh üblicherweise mit einer Mindestdatenrate von 250 kbit/s. Der Grund für diese hohe Bitrate liegt nicht in der Übertragung großer Datenmengen, sondern in der Übertragung kleiner Datenpakete in kürzester Zeit, was den extrem niedrigen Stromverbrauch von NeoMesh ermöglicht. Die kurze Sendezeit hilft NeoMesh außerdem dabei, die strengen EU-Vorschriften für die Duty-Cycle-Begrenzung im 868-MHz-Band einzuhalten.
Je nach Frequenzband und verwendeter Transceiver-Version ist die LoRa-Bitrate auf maximal 203 kbit/s begrenzt (2,4 GHz, SF=5, BW=1625 kHz). Obwohl diese Konfiguration des LoRa-Transceivers weder die größte Reichweite noch die beste SNR-Leistung bietet, ist sie dennoch besser als beispielsweise FSK bei gleicher Sendeleistung.
Bei Konfigurationen für größere Reichweiten wie SF=12, BW=125 kHz und Betrieb im 868-MHz-Band reduziert sich die Bitrate auf 292 bit/s (nicht Kilobit, sondern Bit). Es versteht sich von selbst, dass sich bei einer so niedrigen Bitrate die Sendezeit für eine bestimmte Datenmenge verlängert und auch der durchschnittliche Stromverbrauch ansteigt, wodurch es schwieriger wird, die EU-Vorgaben zur Duty-Cycle-Begrenzung einzuhalten.
Natürlich erfordern nicht alle Anwendungen einen geringen Stromverbrauch, man denke beispielsweise an Stromzähler oder Steuerungen für die Straßenbeleuchtung. Einige Anwendungen benötigen keine große Reichweite, würden jedoch von einer besseren Störfestigkeit profitieren, etwa Smart-Building-Lösungen oder die Überwachung von Schiffscontainern. Sie wären aufgrund ihrer weltweiten Implementierung ideal geeignet für den Einsatz im 2,4-GHz-Band. Diese Anwendungen würden zudem von der verbesserten Störfestigkeit profitieren, weil das Band häufig für andere Anwendungen wie WLAN und Bluetooth stark genutzt wird.
Die Kombination von NeoMesh mit LoRa-Modulation verbessert nicht nur Reichweite und Leistung einer Standard-NeoMesh-Verbindung, sondern bietet dank der Multi-Hop-Netzwerktopologie im Vergleich zu LPWAN auch eine bessere Abdeckung in Innenräumen, tiefer liegenden Innenbereichen und unterirdisch. Darüber hinaus bietet NeoMesh bessere Möglichkeiten für bidirektionale Kommunikation und End-to-End-Bestätigung. NeoMesh verfügt zudem über Funktionen zur Bereitstellung von Firmware-Updates für alle Geräte im Netzwerk über seine Dateiübertragungsfunktion.
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Quellen |
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[1] Beispiele für Netze, die FSK und OOK verwenden: https://en.wikipedia.org/wiki/Z-Wave [2] https://www.researchgate.net/publication/324564954_Impact_of_Error_Control_Code_on_Characteristic_Distance_in_Wireless_Underground_Sensor_Networks [3] https://ietresearch.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1049/iet-cds.2018.5458 |
NeoMesh on LoRa – jetzt verfügbar
Im November 2023 hat NeoCortec zum ersten Mal NeoMesh mit LoRa-Modulation vorgeführt. Die Präsentation erfolgte auf dem Wireless Congress in München. Ein Jahr später stellten NeoCortec und Embit (italienischer Hersteller von Funkmodulen) auf der Fachmesse Electronica in München das erste NeoMesh-System-on-Module auf LoRa-Basis vor. Das auf dem LoRa-Connect-Transceiver SX1281 von Semtech beruhende Modul war für das 2,4-GHz-Frequenzband ausgelegt. Etwa vier Monate später, im März auf der Fachmesse embedded world in Nürnberg, brachten NeoCortec und Embit ein auf dem Semtech-Transceiver LR1121 fußendes Modul auf den Markt. Dieses Modul bietet NeoMesh-Mesh-Netzwerkfunktionen in einer Vielzahl von Konfigurationen. Zum einen handelt es sich um ein Multiband-Modul, das die Sub-GHz-ISM-Frequenzbänder 2,4 GHz, 868 MHz und 915 MHz unterstützt. Darüber hinaus lässt sich das Modul für eine Reihe von LoRa-Modulationseinstellungen konfigurieren, sodass Benutzer die Möglichkeit haben, Reichweite und Leistung zu optimieren. Zu guter Letzt lässt sich das Modul auch für die Verwendung der (G)FSK-Modulation konfigurieren, wenn die von LoRa gebotene Reichweite und Störfestigkeit nicht erforderlich sind.
Als Ergänzung zu den Modulen bietet NeoCortec zudem den NeoMesh-Protokollstack auf Lizenzbasis an. Diese Option ist attraktiv für Anwendungen mit besonderen Anforderungen oder hohem Datenvolumen.
NeoCortec auf der embedded world 2026: Halle 2, Stand 230
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