Funknetzwerk für Sensoren
Minimale Stromaufnahme bei hoher Reichweite
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Hohe Reichweite dank hoher Empfindlichkeit
Die Empfindlichkeit eines LoRa-Empfängers liegt bei –127 dBm und –138 dBm unterhalb des Rauschpegels (Bild 2). Das ist ein ganz wichtiger Punkt. Eine hohe Reichweite erzielt LoRa durch die hohe Empfindlichkeit und genau das macht die LoRa-Modulation zur optimalen Technik für Funksensoren. Die Modulation mit Frequenzspreizung ist auch weniger empfindlich gegen Störungen durch andere Funksignale, sodass LoRa-Signale auch in Gegenwart von anderen Funksignalen noch empfangen werden können.
Das Herzstück des Funknetzwerks (Bild 3) ist der LoRaWAN-Netzwerkserver (LNS). Alle Netzwerkfunktionen gehen vom LNS aus. Das Anmelden eines Sensors oder eines Gateways geschieht im LNS. Aus diesem Grund ist die Installation von LoRaWAN-Funksensoren so einfach. Da die gesamte Steuerung der Funksensoren und der Gateways vom LoRaWAN-Netzwerkserver ausgesteuert wird.
Betriebsarten für Funksensoren
Im LoRaWAN-Standard sind wesentliche Funktionen für Sensoren definiert. Zum einen gib es die Sensorklassen:
- Sensorklasse A für Sensoren, die für den Batteriebetrieb optimiert sind. Der Funksensor und die ihn steuernde Applikation – sie läuft auf einem im Sensor integrierten Mikrocontroller – bestimmt wann und wie oft der Funksensor sendet. Auch, wie viele Daten übertragen werden, bestimmt der Funksensor. Damit der LNS und der Application Server (AS) mit einem Funksensor der Klasse A kommunizieren können, wechselt der Transceiver, nachdem er ein Datenpaket gesendet hat, auf Empfangsbetrieb und öffnet ein Empfangsfenster. Die voreingestellte Verzögerungszeit ist 1 s. Sollte in dem für den Empfang vorgesehenen Zeitraum keine Nachricht empfangen werden, wird ein zweiter Versuch gestartet und ein weiteres Empfangsfenster nach einer Wartezeit von 1 s geöffnet. Die Wartezeit kann auch der Netzwerkverzögerung angepasst werden. In batteriebetriebenen Funksensoren kann auf den Empfang von Quittungen verzichtet werden, aber das Empfangsfenster wird immer geöffnet, damit der LNS den Funksensor erreichen kann.
- Sensorklasse B für zeitkritische Applikationen, wenn Funksensoren in regelmäßigen Abständen erreicht werden müssen. Für Klasse-B-Sensoren ist ein Zeitrahmen definiert und jeder Funksensor bekommt ein Zeitfenster, in dem er auf Empfang geht und für den LNS bzw. AS erreichbar ist.
- Sensorklasse C ermöglicht Anwendungen, die eine unmittelbare Reaktion des Funksensors benötigen. In dieser Betriebsart ist der Funksensor immer auf Empfang – mit Ausnahme, wenn er sendet.
Erfordert die Anwendung, dass Funksensoren zeitweise die Betriebsart und damit ihre Klasse wechseln, so kann die Sensorklasse auch im Betrieb umgeschaltet werden.
Selbstoptimierendes Funknetzwerk
Die adaptive Datenrate ist eine Funktion, die ideal für Funksensornetzwerke ist. Natürlich wird ein Funksensor bei der Installation optimal auf die Gegebenheiten am Einbauort eingestellt, im Wesentlichen die Datenrate und die Reichweite. Ändert sich später etwas im Umfeld des Funksensors, das die Datenübertragung einschränkt, dann schaltet der Funksensor auf die kleinste Datenrate mit der höchsten Reichweite, um so eine Verbindung zum LNS wiederherzustellen.
Der LNS erhält vom RoRaWAN-Gateway mit jedem Datenpaket eines Funksensors auch die jeweiligen Metadaten. Bei LoRaWAN wird mit jedem empfangenen Datenpaket die Empfangsempfindlichkeit und der Signal-Rauschabstand gemessen. Zeigen diese Messwerte eine gute Empfangsqualität, kann der LNS den Spreizfaktor (SF) heruntersetzen und damit die Datenrate erhöhen sowie die Übertragungszeit kürzen. Damit bietet LoRaWAN einen Mechanismus, der die Übertragungs-eigenschaften den örtlichen Veränderungen im Netzwerk anpasst, und ermöglicht ein sich selbstständig anpassendes Funksensornetzwerk.
Sicherheit und Datenschutz
Eine Funktion, die viele Anwender und Entwickler fordern, ist das Aktualisieren der Firmware in den Sensorknoten – Firmware Update Over the Air (FUOTA). Zwar gibt es bereits Techniken, die FUOTA ermöglichen, in der LoRa-Alliance wird aber noch an der Standardisierung gearbeitet.
Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Verschlüsselung der im Netzwerk übertragenen Informationen. Der LoRaWAN-Standard trennt die Verschlüsselung der Nutzdaten von der Netzwerkfunktion. Das bedeutet, Dienstleister, die LoRaWAN- Netzwerke betreiben und Datendienste anbieten, haben keinen Zugang zu den im Netzwerk übertragenen Nutzdaten.
Literatur
[1] SX1301 Digital Baseband Chip for outdoor LoRaWAN macro gateways. Semtech, Datenblatt, Juni 20ß17, https://semtech.my.salesforce.com/sfc/p/#E0000000JelG/a/44000000MDnR/ Et1KWLCuNDI6MDagfSPAvqqp.Y869Flgs1LleWyfjDY.
[2] SX1255 Low Power Digital I and Q RF Multi-PHY Mode Analog Front End 400-510 MHz, Semtech, Datenblatt, März 2018, https://semtech.my.salesforce.com/sfc/p/#E0000000JelG/a/44000000MDmE/Qs9oRoa8Sbb6mkImE9mtMh47H5LFx6KMbGcpb8L28SE.
[3] SX1257 Low Power Digital I and Q RF Multi-PHY Mode Analog Front End 860-1000 MHz, Semtech, Datenblatt, März 2018, https://semtech.my.salesforce.com/sfc/p/#E0000000JelG/a/44000000MDmO/OfVC_rbxi4JjkT4hLzU1kq4gOXb4POLNRprWlqxRIZs.
[4] Lora network packet forwarder project. Lora-net / packet_forwarder, https://github.com/Lora-net/packet_forwarder.
Der Autor
Michael Fink
arbeitet als Applikationsingenieur seit 19 Jahren im europäischen Team von Semtech. Er hat digitale Kommunikationstechnik an der Fachhochschule Dieburg studiert und sein Studium 1984 mit dem Diplom abgeschlossen. Nach dem Studium startete Fink seine berufliche Laufbahn als Applikationsingenieur bei National Semiconductor und wechselte 2001 zu Semtech.
mfink@semtech.com
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