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Low-Power-Wide-Area-Netzwerke

LoRa eignet sich für LPWAN

20. Juli 2016, 9:14 Uhr | Ralf Higgelke

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Aufgaben des LoRa-Servers

Neben den Endgeräten und den Gateways besteht ein LoRaWAN-Netz auch aus einem Netzwerkserver und mindestens einem Anwendungsserver. Innerhalb des Netzwerkes kommunizieren die Endgeräte über Gateways mit dem LoRa-Server und umgekehrt. Die Kommunikation kann somit bidirektional erfolgen (Bild 3).

Grundsätzlich können mehrere Gateways die Pakete eines Endgerätes empfangen. Bevor die Gateways diese Pakete zu dem Netzwerkserver weiterleiten, ergänzen die Gateways die Pakete um einen Empfangszeitstempel mit einer zeitlichen Auflösung von 1 µs und Qualitätsindikatoren der jeweiligen Verbindung. Letztgenannte Indikatoren sind der vom Endgerät verwendete Spreizfaktor sowie der RSSI- (Received Signal Strength Indicator) und der SNR-Wert (Signal to Noise Ratio, Signal-Rausch-Verhältnis), die das Gateway beim Empfang des jeweiligen Paketes ermittelt hat.

Den Empfangszeitstempel passt der Server entsprechend an, denn dieser dient zur Festlegung des Sendezeitpunktes der Rückantwort des jeweiligen Gateways zum Endgerät. Das heißt: Je nachdem, welches der beiden im LoRaWAN-Standard spezifizierten Empfangsfenster für die Rückantwort vom Server (über ein Gateway) zum Endgerät verwendet werden soll, addiert der Server entweder eine oder zwei Sekunden auf den vom Gateway zuvor ermittelten Empfangszeitstempel und übermittelt das Antwortpaket zusammen mit dem so ermittelten Sendezeitstempel zu dem jeweiligen Gateway. Dieses kann nun das Paket zu dem Zeitpunkt des ersten oder zweiten Empfangsfensters aussenden. Sollten mehrere gleiche Pakete über verschiedene Gateways zum Netzwerkserver gelangen, so wird dennoch nur eine Antwort gesendet. Die Auswahl des jeweiligen Gateways, welches das Antwortpaket zum Endgerät senden soll, trifft der Netzwerkserver anhand der zuvor erhaltenden Qualitätsindikatoren der mehrfach empfangenen Pakete.

Darüber hinaus kann der Server mithilfe der Qualitätsindikatoren entscheiden, ob die Datenrate des Endgerätes verändert werden sollte (ADR, Adaptive Data Rate), um die Systemkapazität und den Leistungsverbrauch zu optimieren. Sollten hierbei die Qualitätsindikatoren zu »gut« sein, so kann der Server dem Endgerät ein sogenanntes MAC-Kommando (Medium Access Control) senden, in dem er das Endgerät auffordert, für zukünftige Pakete einen kleineren Spreizfaktor und damit eine höhere Datenrate zu verwenden. Dies optimiert aufgrund der dann kürzeren Kanalbelegungszeiten einerseits die Auslastung der jeweiligen Zelle und zum andererseits die Leistungsaufnahme im jeweiligen Endgerät.

Sollte die Verbindung zwischen Endgerät und Gateway/Server abbrechen, so ist für das Endgerät eine erneute Übertragung (Retransmission Strategy) vorgesehen. Sendet das Endgerät ein »Confirmed«-Datenpaket und erhält innerhalb eines der beiden Empfangsfenster keine Bestätigung von Server, überträgt es das Datenpaket erneut. Dazu wiederholt es das Paket zunächst mit dem gleichen Spreizfaktor (Datenrate) auf einer anderen Frequenz. Bleibt auch dann die Bestätigung des Server aus, wechselt das Endgerät wieder die Frequenz und versendet das Paket mit dem nächsthöheren Spreizfaktor und somit der nächstkleineren Datenrate. Diese Strategie aus Frequenzwechsel und Erhöhung des Spreizfaktors wird mehrfach wiederholt, bis die Verbindung zwischen Endgerät und Server wieder etabliert ist. Danach kann der Server mittels ADR den Spreizfaktor des Endgerätes wieder heruntersetzen. Die konkrete Implementierung der ADR-Metrik ist nicht Gegenstand des LoRaWAN-Standards und liegt in der Verantwortung des Betreibers des Netzwerkservers. Neben der Festlegung der Übertragungsparameter im Endgerät kann der Server auch zum Beispiel die vom Endgerät zu verwendenden Übertragungsfrequenzen bestimmen beziehungsweise die Standardfrequenzen erweitern. Daher übernimmt der Netzwerkserver innerhalb von LoRaWAN-Systemen eine zentrale Rolle.