Erläuterung von LoRa und wichtige Gründe für den Einsatz von LoRa

Was das für die IoT-basierte drahtlose Kommunikation bedeutet

Barcelona, Januar 2020
Die zunehmende Verbreitung von Industrial Internet of Things (IIoT)-Technologien hat die Notwendigkeit verstärkt, besser zu verstehen, wie IoT-Systeme funktionieren, welche Optionen auf dem Markt verfügbar sind und was sie in Bezug auf ihre Leistung unterscheidet. Beim Einsatz von IoT-Technologie zur Überwachung der Risiken kritischer Anlagen oder Infrastrukturen helfen all diese Elemente, einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten. Insbesondere die Netzwerktechnologie LoRa wird oft als die am weitesten verbreitete Industrielösung genannt, um drahtlose Sensoren zu verbinden und Daten zu übertragen.
In diesem Artikel erörtert Albert Zaragoza, CTO beim globalen IoT-Marktführer Worldsensing, die Konnektivitätsoptionen und liefert Details, wie man Netzwerksysteme verständlicher machen kann.

Albert Zaragoza, CTO von Worldsensing

F: Immer mehr Industriesektoren setzen IoT-Technologien ein, um ihre Risikomanagementprogramme zu verbessern, ihre Abläufe zu optimieren und Kosten zu senken. Was sind aus technischer Sicht die aktuellen Herausforderungen für IoT?

Das IoT wird von vielen Branchen und Unternehmen angenommen, aber wir dürfen nicht vergessen, dass das Ökosystem noch jung ist. Viele Anbieter von IoT-Technologien sind noch recht neu in Bezug auf die Herausforderungen, die der Aufbau von Hardware, Kommunikation und Software mit sich bringt.
Die Interoperabilität, d. h. die Fähigkeit, Informationen zwischen allen Knoten und Sensoren verschiedener Anbieter auszutauschen und zu nutzen, ist eine klare Herausforderung. Wir sind noch weit davon entfernt, dass unterschiedliche Plattformen, Datenstrukturen und Schnittstellen effektiv Daten austauschen, um den Endanwendern zu nutzen.
Sicherheit ist eine weitere Herausforderung, die nicht nur das IoT-Ökosystem, sondern jedes Unternehmen weltweit beschäftigen sollte. Es sollten Verschlüsselungsmechanismen eingesetzt werden, um die Datenintegrität zu gewährleisten, und die Endnutzer sollten die volle Kontrolle darüber haben, wer ihre Daten sehen und bedienen kann.
Hinzu kommt, dass IoT-Daten über drahtlose Übertragungsnetzwerke übertragen werden und eine klare Herausforderung darin besteht, sicherzustellen, dass eine große Anzahl von Sensorgeräten Daten übertragen kann, ohne dass es zu Datenverlusten aufgrund von Netzwerküberlastung, Störungen oder externem Phishing kommt.
Mit Sicherheit liegen im IoT-Bereich herausfordernde, aber auch spannende Zeiten vor uns.

Stände von Worldsensing und der LoRa Alliance auf dem Smart City Expo World Congress im November 2019

F: Um batteriebetriebene "Dinge" in regionalen, nationalen oder globalen Netzwerken drahtlos mit dem Internet zu verbinden, wird ein Funkkommunikationssystem benötigt. Gibt es dafür eine Vielzahl von Systemen oder Netzwerken? Können Sie das erklären?

Das Verständnis des Problems, das wir zu lösen versuchen, oder der Anforderungen des Anwendungsfalls ist der Schlüssel zur Auswahl der richtigen Technologie für die Aufgabe. Es gibt viele drahtlose Kommunikationstechnologien, aber wir können sie in drei Gruppen einteilen:

• Kurze Reichweite,
• Zellulär,
• Große Reichweite.

Kurzstrecken umfassen Technologien wie Bluetooth, NFC/RFID oder Zigbee, neben vielen anderen, aber sie sind definitiv nicht für Szenarien geeignet, die eine Kommunikation über große Entfernungen erfordern.
Zellulare Technologien [2G, 3G, 4G usw.] können eine größere Abdeckung bieten, verbrauchen aber auch viel Geräteenergie und sind nicht ideal für den Einsatz mit Geräten mit geringer Leistung.
Die oben genannten Eigenschaften und die Anforderungen vieler IoT-Anwendungsfälle in der Industrie haben die Entwicklung einer neuen Welle von drahtlosen Kommunikationstechnologien angeregt, die als Low-Power-Wide-Area-Network oder LPWAN bekannt sind. Beispiele für LPWAN-Implementierungen sind Narrowband IoT (NB-IoT), Sigfox oder LoRa, um nur einige zu nennen. Sie eignen sich ideal für industrielle Umgebungen und gewinnen aufgrund ihrer großen Reichweite, ihres geringen Stromverbrauchs und ihrer kostengünstigen Kommunikationsmerkmale an Beliebtheit.

F: Demnach ist also LoRa eines der verfügbaren Protokolle für die LPWAN-Kommunikation. Warum hat sich Worldsensing für LoRa entschieden und nicht für eines der anderen von Ihnen genannten Netzwerke?

Unsere Kunden müssen Vorgänge überwachen, die eine große Kommunikationsabdeckung und gleichzeitig eine hervorragende Verbindungsverfügbarkeit erfordern. Um dies zu gewährleisten, müssen wir vier wichtige Faktoren berücksichtigen. Der erste ist die Menge der Daten, die übertragen werden können. Die Datenmenge hat einen direkten Einfluss auf den Energieverbrauch der Sensorgeräte, die mit Batterien betrieben werden und über Jahre hinweg halten müssen. Die Reichweite, also die Entfernung, über die die Daten übertragen werden, wirkt sich ebenfalls auf die Batterielebensdauer aus. Und schließlich ist die einfache Implementierung von entscheidender Bedeutung, wenn man in industriellen Umgebungen arbeitet.
Die LoRa-Technologie bietet uns die richtige Balance zwischen all diesen Elementen, insbesondere:

• Reichweite: Sie garantiert eine große Übertragungsdistanz, mit einer nachgewiesenen Reichweite von bis zu 15 km oder 9 Meilen.
• Geringer Stromverbrauch: Die Lebensdauer der Batterie beträgt bis zu 10 Jahre.
• Kosteneffizienz: Insbesondere bei der Langzeitüberwachung kann die LoRa-Technologie kosteneffizienter sein als herkömmliche Lösungen, da weniger Arbeitskräfte benötigt werden.
• Skalierbarkeit: Das Hinzufügen und/oder Ersetzen von Knoten zum Netzwerk, wenn sich das Projekt entwickelt, ist einfach und transparent für den Betreiber, während die Datenintegrität erhalten bleibt.
• Zuverlässigkeit: Er ist nachweislich robust und verfügt über einen starken Schutz gegen Störungen.
• Sicherheit: Datenschutz und Privatsphäre werden durch eine 128-AES-Verschlüsselung auf mehreren Ebenen für alle Daten erreicht, die von den Sensoren zum Anwendungsserver und zurück gesendet werden.

Darüber hinaus ist LoRa eine Physical-Layer-Technologie, die Signale in den Sub-GHz-Frequenzbändern für Industrie, Wissenschaft und Medizin moduliert. Sie ermöglicht es uns, private Netzwerke an den Standorten unserer Kunden zu erstellen und einzusetzen, ohne Einschränkungen. Dies ist ein großes Plus im Vergleich zu Sigfox und Narrowband Internet of Things, die von Netzbetreibern kontrolliert werden.
Das Zertifizierungs- und Konformitätsprogramm der LoRa Alliance, das die Interoperabilität aller LoRaWAN®-Produkte und -Technologien garantiert, ist auch für das Ökosystem von großem Vorteil. Diese Gemeinschaft ist dabei, die größte und am schnellsten wachsende Allianz im Technologiesektor zu werden. Sie arbeitet ständig daran, die Fähigkeiten der LoRa-Technologie zu verbessern: Wir waren kürzlich erstaunt, als sie einen Entfernungsweltrekord in der Datenübertragung aufstellte.
Alles in allem können wir mit LoRa die Verfügbarkeit sicherstellen und die Datengenauigkeit verbessern, was für uns sehr wichtig ist, um unsere Kunden und Partner effektiv bedienen zu können.

F: Gibt es weitere Elemente, die die Leistung und Qualität der Datenübertragung erheblich beeinflussen können?

Wenn es darum geht, wie verschiedene Komponenten und Geräte innerhalb eines IoT-Netzwerks drahtlos kommunizieren, ist die Definition und Auswahl der richtigen Topologie-Strategie entscheidend. Topologien unterscheiden sich stark darin, wie sie Funktionen für die Sicherheit, den Stromverbrauch, die Kosten und die Komplexität bereitstellen. Daher ist die Wahl der richtigen Topologie entscheidend, um Probleme im weiteren Verlauf zu vermeiden.
Bei der Architektur einer drahtlosen IoT-Netzwerklösung gibt es zwei Haupttopologien, die verwendet werden können: Stern und Mesh. Eine Sterntopologie organisiert Geräte um den zentralen Controller, der auch als Gateway bezeichnet wird. Andererseits verbindet eine Mesh-Topologie jedes Gerät mit einem anderen Gerät über eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung.

Diagramme mit Netzwerktopologien: Stern (links) und Masche (rechts)

Wir können die folgenden Vor- und Nachteile für jede Topologie auflisten, wenn sie auf drahtlose IoT-Netzwerkszenarien angewendet wird.
Mesh-Vorteile:

• Bewältigt hohe Datenmengen. Mehrere Geräte können gleichzeitig Daten übertragen.
• Der Ausfall eines Geräts führt nicht zu einer Unterbrechung des Netzwerks oder der Übertragung von Daten. Muss über selbstheilende Mechanismen im Netzwerk verfügen, um implementiert zu werden.

Mesh-Topologie - Nachteile:

• Sehr teuer in der Installation. Besonders bei Langstreckenszenarien steigt die Anzahl der benötigten Repeater schnell an.
• Komplizierte Netzwerkeinrichtung und -verwaltung, aufgrund der hohen Anzahl von Verbindungen.
• Hoher Stromverbrauch. Trotz geringer Sendeleistung müssen die Knoten wach sein und jede Nachricht hören, die weitergegeben werden muss.
• Anfälligkeit für Sicherheitsangriffe. Ein Bruch in einem der Knoten gefährdet das gesamte Netzwerk.

Sterntopologie - Vorteile:

• Installationskosten und -aufwand werden durch die geringere Komplexität beim Einrichten des Netzwerks kontrolliert. Der Hub wird an einem zentralen Punkt installiert und die Knoten werden während der Laufzeit des Projekts nach Bedarf hinzugefügt.
• Netzwerk kann einfach erweitert werden. Neue Knoten werden direkt mit dem Hub verbunden, ohne Auswirkungen auf das restliche Netzwerk zu haben.
• Geringerer Batterieverbrauch der Knoten. Er kann besser kontrolliert werden, da er auf der Grundlage des Kommunikationsaufkommens zum Hub einfach berechnet wird.
• Ausfallsicherheit. Die Störung eines einzelnen Knotens hat keine Auswirkungen auf den Rest des Netzwerks.

Sterntopologie - Nachteile:

• Für kleinere Netzwerke können die Kosten für den Hub eine große Investition darstellen.
• Einzelner Fehlerpunkt. Eine Fehlfunktion des Hubs führt zum Ausfall des gesamten Netzwerks. Die Wahl eines kompetenten Partners mit robusten, bewährten Lösungen und zuverlässigen Überwachungsmechanismen ist entscheidend.

F: Gibt es bestimmte Anwendungen oder Sektoren, in denen der Einsatz von LoRa besser geeignet ist oder einen signifikanten Nutzen bringt?

Generell eignet sich LoRa hervorragend für komplexe Projekte, die sehr spezifische Überwachungsherausforderungen darstellen, wie z. B. Tagebaubetriebe, die üblicherweise große Flächen abdecken, oder große Bauprojekte.
Bei Tunnel- und Bauprojekten, bei denen die Überwachungspunkte in der Regel über mehrere Kilometer verteilt sind, müssen die Betreiber die Daten über große Entfernungen mit Geräten übertragen, die sehr wenig Strom benötigen und nicht von der Signalabdeckung abhängig sind. Dies ist eigentlich eine Anforderung des geotechnischen Marktes im Allgemeinen. Wir müssen bedenken, dass insbesondere im Tunnelbau die Dimensionen der einzelnen Projekte in der Regel mehr als 3 km oder 1,9 Meilen umfassen, und auch die Entfernung zwischen den Überwachungspunkten kann beträchtlich sein (mehr als 100 m oder 110 Yards).
Dies gilt natürlich auch für die Überwachung kritischer Infrastrukturen und Anlagen, bei denen eine Unterbrechung des Dienstes wegen der damit verbundenen Auswirkungen nicht möglich ist. Diese Anlagen sind auf die Datenübertragung angewiesen, um Operationen zu verwalten, die ohne Unterbrechung ausgeführt werden müssen.
LoRa wird überall dort von Vorteil sein, wo ein zuverlässiges Echtzeit-Überwachungsprogramm benötigt wird, um die Integrität von Strukturen wie Brücken, Dämmen, Gebäuden oder anderen Infrastrukturen sicherzustellen.
Außerdem bietet LoRa die Möglichkeit, private Netzwerke einzurichten, so dass der Anwender die Kontrolle hat und unabhängig von großen Netzbetreibern ist. Für Projekte, bei denen dies eine Anforderung ist, ist LoRa die am besten geeignete Option.
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