Einfache und flexible Prozessorwahl
Basierend auf dem Qseven COM von Congatec kann EXPEMB seine neue LoRa-Gateway-Produktfamilie flexibel und nach Kundenwunsch mit ARM- oder x86-Prozessor ausstatten. Welche Vorteile sich dadurch ergeben erfahren Sie im folgenden Beitrag.
Das LoRa Gateway ist als ARM oder x86-basiertes System mit
Qseven-Modulen von Congatec bestückt (unter dem Kühlkörper). (Bild: Congatec AG)
Miteinander verbundene dezentrale Sensor- und Controller-Netzwerke zu Monitoring-, Management- und Wartungszwecken, sind die treibende Kraft hinter dem IoT. Eines der größten Hindernisse ist es, Konnektivität und Datenaustausch mit verteilten Sensoren und Controllern zuverlässig über Distanzen von ein paar hundert Metern bis hin zu mehreren Kilometern bereitzustellen. Hierin steckt gleich eine doppelte Herausforderung: Den Anforderungen eines Ultra-Low-Power-Energieverbrauchs zu entsprechen und gleichzeitig zuverlässigen und kosteneffizienten Datenaustausch zu ermöglichen. Allerdings haben lokale Funktechnologien dafür keine ausreichende Sendereichweite. Auch die meisten Mobilfunktechnologien sind zu teuer und verbrauchen zu viel Strom. Deshalb werden für diese Low-Power-Wide-Area-(LPWA)-Verbindungen sowohl in ländlichen als auch in urbanen Gebieten neue Technologien benötigt. Wobei letztere der maßgebliche Treiber der fortschreitend hohen Wachstumsraten von M2M und IoT-Applikationen sind. Schätzungen zufolge wird die Gesamtzahl der M2M-Verbindungen von fünf Millionen in 2014 auf 27 Millionen in 2024 mit einem CAGR von 18 Prozent anwachsen. Für den LPWA-Markt wird ein Wachstum von bis zu 93 Prozent zwischen 2016 und 2022 erwartet. Bis 2024 geht man davon aus, dass dieser bis zu 14 Prozent der gesamten M2M-Verbindungen darstellt. Heute besitzt Westeuropa den größten Anteil der LPWA-Märkte, da die Informationsysteme dort bereits sehr früh zur Anwendung kamen. Doch gerade große Smart-City-Projekte in China, Singapur und Indien treiben das Wachstum voran.
Aktuell kann das LoRa Gateway mit dem ARM-basierten Conga-QMX6 (links) oder
dem x86-basierten Conga-QA5 mit Intel Atom Prozessor (rechts) bestückt werden. (Bild: Congatec AG)
Sichere Direktverbindung
LPWA-Verbindungen können durch verschiedene Technologien bereitgestellt werden. Ein Weg basiert auf mobiler Infrastruktur mit Basisstationen ähnlich der Telekommunikation. Beispiele sind Sigfox und Huawei (mobiles IoT), die als offene Netzwerke eingesetzt werden. Die meisten kommerziellen Nutzer bevorzugen jedoch, aufgrund von Sicherheitsbedenken, private Netzwerke. Eine der Technologien für dieses Marktsegment ist LoRa. Sie nutzt eine Sterntopologie für eine bidirektionale Verbindung zwischen Devices wie Sensoren und Aktoren sowie ein oder mehrere Gateways, die – sofern unterstützt – sofort sämtliche Daten via Standard-IP-Technologie auf einen zentralen Cloudserver weiterleiten können. Die Datenrate zwischen Geräten und Gateway liegt zwischen 0,3kBit/s. Alle Daten werden per AES-Verschlüsselungstechnologie verschlüsselt, indem ein 64Bit-eindeutiger Netzwerkschlüssel, ein 64Bit-eindeutiger Anwendungsschlüssel und ein 128Bit-spezifischer Geräteschlüssel verwendet werden. Die Single-Hop-Wireless-Verbindung nutzt das unlizenzierte 868MHz-Frequenzband in Europa und 915MHz in Nordamerika. Dadurch müssen die Betreiber nicht für Infrastrukturen und Lizenzen von Drittanbietern zahlen, was zur Kostensenkung beiträgt.
Das LoRa Gateway zur Geolokalisierung
für Inhouse-Applikationen von EXPEMB (Bild: EXPEMB)
Große Reichweite und lange Akkulaufzeit
Die maximale Kapazität von zugänglichen Endgeräten oder Knoten für ein LoRa-Gateway hängt von der Anzahl der Pakete ab, die das Gateway in einem gegebenen Zeitrahmen verwalten muss. Ein LoRa-Baustein für ein Gateway mit acht Kanälen kann bis zu 62.500 Pakete pro Stunde verarbeiten. Dies entspricht der maximalen Anzahl von Devices, die ein Gateway verarbeiten kann, wenn es darauf konfiguriert ist, nur ein Paket pro Stunde zu senden. Die maximale Reichweite in urbanen Umgebungen ohne direkte Sichtlinie und tiefe Innenabdeckung reicht von 2 bis 10km. In Vororten können bis zu 15 und 40km für Bereiche mit direkter Sichtlinie und wenigen Störungen erreicht werden. Um die Batterielebensdauer und die Signalstärke auszugleichen, verwendet der LoRa-Netzwerkserver einen Adaptive-Data-Rate-(ADR)-Algorithmus, um automatisch die optimale Leistung unter den lokalen Umgebungsbedingungen zu definieren. Der Algorithmus basiert auf Signal Noise Ratio (SNR) und Receive Signal Strength Indication (RSSI) sowie auf verschiedenen Kanälen, um die Signalstärke und den Energieverbrauch für jedes Endgerät individuell zu optimieren. Dadurch können Endgeräte eine Batterielebensdauer von bis zu 105 Monaten mit einer 2000mAh-Batterie erzielen, was etwa zehnmal mehr ist als die aktuellen zellularen Protokolle bieten. Dank der technologischen Aspekte, erhält LoRa große Unterstützung aus der Industrie, was dazu beiträgt, die weltweite Ausbreitung zu beschleunigen. Im Juli 2016 stellte bspw. KPN sein LoRa-Netzwerk in den Niederlanden für IoT-Applikationen zur Verfügung. Auch der LPWAN-Spezialist Actility unterstützt LoRa.
