Relaisbetriebsmodus zur Erweiterung der LoRaWAN-Abdeckung

Der Relay-Modus ist eine leistungsstarke, brandneue Funktion der LoRaWAN-Technologie zur Erweiterung der Reichweite und Abdeckung. LoRaWAN-Netzwerke und ihre Zuverlässigkeit zu verbessern. Diese neue LoRaWAN-Funktion bietet zwei wesentliche Vorteile: Erstens erweitert sie die Reichweite von LoRaWAN-Netzwerken und zweitens verbessert sie die Abdeckung und Zuverlässigkeit von LoRaWAN-Geräten mit schlechter Verbindung zu den Gateways aufgrund ihrer abgelegenen Standorte (z. B. Wasser- und Gaszähler in Kellern, Parkuhren). Die LoRaWAN-Relay-Funktion trägt außerdem zur massiven Einführung und zum Ausbau des IoT bei. Relay-Knoten sind, ähnlich wie LoRaWAN-Geräte und -Sensoren, batteriebetrieben und daher einfach zu installieren und kostengünstig. Darüber hinaus tragen Relay-Knoten zu einer robusten Netzwerkabdeckung und -zuverlässigkeit für alle Geräte bei. LoRaWAN-Geräte Sensoren reduzieren die Anzahl der erneuten Übertragungen und senken in manchen Fällen die Netzwerkkosten erheblich, da Betreiber keine zusätzlichen Gateways für einzelne Geräte oder Sensoren benötigen. Um den neuen Relay-Betriebsmodus und die Relay-Knoten besser zu verstehen, betrachten wir im Folgenden die spezifischen Vorteile und deren Funktionsweise.

Wie funktioniert die standardmäßige LoRaWAN-Konnektivität?

Das LoRaWAN-Protokoll unterstützt den Einsatz von Gateways, die Nachrichten von und an Endgeräte und Sensoren senden und empfangen. Der LoRaWAN-Standard sieht vor, dass das Gateway die Nachrichten empfängt und an den Netzwerkserver weiterleitet. Da das Gateway mehrere Kanäle unterstützt, empfängt es typischerweise Antworten von Tausenden von Endgeräten und Sensoren. LoRaWAN-Geräte Sensoren und leiten diese Nachrichten an den Netzwerkserver weiter. Umgekehrt werden die vom Netzwerkserver empfangenen Nachrichten an jedes LoRaWAN-Gerät und jeden Sensor gesendet. Daher wird der Begriff Gateway anstelle von Basisstation verwendet – letzteres würde eine Verarbeitung der Nachrichten ähnlich wie bei 4G/5G-Technologien implizieren, bevor sie an den Netzwerkserver oder die Geräte und Sensoren gesendet werden.

Security Protocol

Das LoRaWAN-Standardkommunikationsprotokoll verwendet Verschlüsselung für die sichere Übertragung von Datenübertragungen. LoRa-Übertragungen sind mit einem 128-Bit-Verschlüsselungsverfahren gesichert. Diese Verschlüsselung wird durch zwei Sitzungsschlüssel erreicht: einen auf dem Netzwerkserver und einen auf dem Anwendungsserver. Jeder Sitzungsschlüssel wird beim Verbindungsaufbau zwischen Endgerät und Netzwerkserver generiert. Sobald ein Gerät mit dem Netzwerk verbunden ist, kann es Daten sicher senden und empfangen. Der NwkSKey gewährleistet die Integrität der Nachrichten, der AppSKey die Verschlüsselung.

Aktivierung

Während der LoRaWAN-Netzwerk Im Aktivierungsprozess müssen Netzwerkserver und Endknoten jeweils dieselben Sitzungsschlüssel mithilfe ausgetauschter Geräteinformationen, Nonce-Werte und des/der gemeinsamen geheimen Schlüssel(s) ableiten. Die Sitzungsschlüssel gelten nur für diese Sitzung des Endknotens. Da die Sitzungsschlüssel bei jedem nachfolgenden Beitrittsvorgang neu generiert werden, ist ihr Verlust oder Diebstahl weniger kritisch als der des/der Stammschlüssel(s). Es sei darauf hingewiesen, dass das Hinzufügen eines Relay-Knotens die LoRaWAN-Sicherheit in keiner Weise beeinträchtigt und daher kein Grund zur Sorge besteht.

Wie funktioniert die LoRaWAN-Relay-Funktion?

Der Relay-Modus ist eine neue LoRaWAN-Funktion, die sicherstellt, dass ein Gateway Daten von einem Gerät empfängt, das ohne Relay-Knoten zu weit entfernt wäre. Um die Netzwerkabdeckung zu erweitern, kann LoRaWAN diese neue Relay-Funktion nutzen, die einfach und kostengünstig zu implementieren ist. LoRaWAN-Relays verwenden LoRaWAN-Uplink- und Downlink-Nachrichten zur Datenübertragung. Sobald der Uplink des Endgeräts empfangen wurde, fügt der Relay-Mechanismus der ursprünglichen Nachricht zusätzliche Informationen hinzu und sendet einen Uplink an das Gateway. Dieses leitet den Uplink dann an den Netzwerkserver weiter, der ihn als Relay-Nachricht erkennt. Idealerweise ermöglicht ein gut positioniertes, robustes und störungsresistentes Relay-Modul die bidirektionale Kommunikation mit Geräten, die sich zuvor außerhalb der ursprünglichen Netzwerkabdeckung befanden.

Um die neue Relay-Funktion nutzen zu können, müssen LoRaWAN-Geräte die Klasse-A-Kommunikation unterstützen. Diese bidirektionale und asynchrone Funkkommunikation ermöglicht es, Uplink-Übertragungen jederzeit durchzuführen, gefolgt von Downlink-Fenstern. Klasse-A-Kommunikation wird auch zum Senden und Empfangen von Netzwerksteuerungsbefehlen verwendet. Sie ermöglicht es einem LoRaWAN-Endgerät, für die von der Anwendung festgelegte Dauer in einen Energiesparmodus zu wechseln.

Der aktuelle LoRaWAN-Standard, basierend auf dem LoRaWAN-Link-Layer-Standard, besteht aus Endgeräten und Gateways. Während die bestehende LoRa-Netzwerkspezifikation nur einen einzigen Hop zwischen Endgeräten und Gateways zulässt, bietet der mit einem Relaismodul verfügbare Zwei-Hop-Ansatz den Vorteil einer deutlich verbesserten Reichweite. Wie bereits erwähnt, ist ein batteriebetriebenes Relaismodul äußerst kostengünstig und kann LoRaWAN-Frames übertragen, um die benötigte Reichweite zu erzielen.

Welche Probleme wird die neue Relaisfunktion lösen?

Die Integration einer Relay-Funktion in Ihr IoT-Netzwerk trägt maßgeblich zur Erweiterung Ihrer Netzabdeckung in vielen wichtigen Branchen bei. Wenn Sie über ein IoT-Netzwerk verfügen und eine optimale Abdeckung anstreben, sollten Sie entweder ein Gateway zu einem LoRaWAN-Knoten oder eine Relay-Funktion einbinden. Die Anforderungen an die Netzabdeckung werden sich in Zukunft deutlich verändern. Um im Technologiesektor langfristig erfolgreich zu sein, sollten Sie daher diesen wichtigen Baustein Ihrer Internetanbindung unbedingt berücksichtigen.

Die Relay-Funktion bietet erhebliche Vorteile für entfernte Geräte, die eine extrem schwierige unterirdische Netzabdeckung benötigen oder eine umfassende Abdeckung in Gebäuden erfordern. Erweiterungen der Netzabdeckung sind notwendig für Zähler in Metallschränken, in anspruchsvollen Umgebungen wie Kurven, bei Brandmeldeanlagen, Waldbränden, Überschwemmungen, Lawinen oder Erdbewegungen sowie in ähnlichen Fällen, die eine umfassende und robuste Netzabdeckung in Gebäuden erfordern. Umweltbedingte Herausforderungen in vielen Bereichen von Smart Cities und abgelegenen Gebieten beeinträchtigen die optimale Leistung von Geräten, da ihnen eine vollständige Netzabdeckung fehlen kann. Die Aktivierung der Relay-Funktion wird uns wiederum den massiven Einsatz von IoT ermöglichen. Mit Relay-Endpunkten wird die Kommunikation über große Entfernungen auch in extrem anspruchsvollen unterirdischen, betonierten und metallenen Umgebungen möglich sein.

Warum ist es besser, LoRaWAN-Relays anstelle zusätzlicher Gateways zu verwenden?

Diese Frage ist durchaus berechtigt. Man könnte meinen, es sei einfacher und effektiver, ein weiteres Gateway in das System zu integrieren, anstatt ein Relay zu verwenden. Doch wenn es um die Erweiterung der Netzwerkabdeckung geht, gibt es keine Alternative zwischen Gateway und Relay-Empfängermodul. Um die benötigte Abdeckung zu erreichen, benötigt man ein zusätzliches Gateway, was den Aufwand für die Abstimmung von Stromversorgung und Backhaul-Verbindung erhöht und höhere Kosten verursacht. Mit einem Relay-Knoten hingegen lässt sich dieselbe Abdeckung mithilfe von Akkus und einer LoRaWAN-Verbindung deutlich einfacher realisieren.

Niedrigere Kosten

Die LoRaWAN-Relay-Funktion ist im Vergleich zu herkömmlichen IoT-Gateways kostengünstiger, einfacher zu integrieren und deutlich effizienter bei der Erweiterung der Netzwerkabdeckung. Neben der Kosteneffizienz eignet sich diese Betriebsart besonders für Unternehmen mit einer bestehenden IoT-Architektur und Kenntnis ihrer physikalischen Grenzen. Darüber hinaus ermöglicht ein umfassendes LoRaWAN-Zertifizierungsprogramm mit integriertem Relay-Mechanismus Unternehmen, die Anzahl der benötigten Gateways zu reduzieren – ein entscheidender Faktor für Kosteneinsparungen.

Relay-Endpunkte ermöglichen eine Multi-Hop-Kommunikation, die die LoRaWAN-Abdeckung in anspruchsvollen Umgebungen verbessert, wenn Gateways selbst keine Sensorsignale empfangen können, um eine Kommunikation über große Entfernungen zu gewährleisten. Mitglieder der LoRa Alliance haben festgestellt, dass die Integration von Relay-Endpunkten zahlreiche Vorteile bietet, darunter geringere Kosten und eine größere Reichweite. Sie eignen sich auch hervorragend für den Einsatz im Versorgungssektor, da Messsensoren eine unterirdische Abdeckung erfordern. Dies eröffnet ein enormes Marktpotenzial für batteriebetriebene Relay-Geräte.

Vollständige Netzabdeckung

Eine Erweiterung der Reichweite eines Relaisnetzwerks kann die Kommunikationsreichweite erheblich erhöhen. Das Hinzufügen eines Relaismoduls vereinfacht zudem den Aufbau von LoRaWAN-Netzwerken und ermöglicht den massiven Einsatz von IoT-Lösungen in Smart Cities und abgelegenen Gebieten. Der Vorteil des Relaisbetriebs gegenüber Mesh-Netzwerken liegt in der geringeren Anzahl benötigter Knoten.

Die neue Relaisfunktion hat das Potenzial, ein Schlüsselelement von LoRa-Netzwerken zu werden. Sie kann die Leistung von Sensoren verbessern und das Problem unzureichender Abdeckung lösen. Ein Relaismodul gewährleistet eine reibungslose End-to-End-Kommunikation für Wasserzähler in Metallschränken, Tiefgaragensensoren und IoT-Komponenten im Außenbereich, die extremen Wetterbedingungen ausgesetzt sind. Relais nutzen Rückmeldungen von einem Gateway, um zu bestimmen, wann Daten an das Endgerät gesendet und wann LoRaWAN-Frames weitergeleitet werden. Diese Technologie soll mit den meisten LoRaWAN-Standardanwendungen kompatibel sein und dürfte sich daher in den meisten wichtigen Branchen als Standardlösung etablieren.

Inwiefern sind Gateways Relay-Knoten überlegen?

Es ist weiterhin wichtig, die Option der Hinzufügung weiterer Gateways für eine reibungslose Überwachung zu prüfen. Gateways bieten eine höhere Kapazität, bessere Leistungsfähigkeit und einen geringeren Stromverbrauch als die neu eingeführte Relaisfunktion.

Höhere Kapazität

Die Netzwerkkapazität hängt von der Dichte der Gateways ab. Um die Netzwerkkapazität zu maximieren und gleichzeitig die Batterieleistung der LoRa-Endknoten zu schonen, LoRaWAN-Gateways Es wird ein adaptiver Datenratenmechanismus eingesetzt. Dieser Mechanismus sendet Pakete mit der niedrigsten Datenrate, wenn sich die Sensoren in der Nähe des Gateways befinden. Die höhere Datenrate wird verwendet, wenn die Sensoren weiter vom Gateway entfernt sind. Dadurch arbeiten Gateways und Geräte in diesem System mit voller Kapazität.

Geringerer Stromverbrauch

Geringer Stromverbrauch ist eine der wichtigsten Anforderungen an ein LoRa-Modul. Der Energieverbrauch hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie dem Betriebsmodus und der Aktivitätsdauer des Geräts. Im Allgemeinen verbrauchen Betriebsmodi mehr Strom als Schlafmodi. Daher müssen beide Faktoren bei der Berechnung des Energieverbrauchs berücksichtigt werden. LoRaWAN-Gerät.

LoRaWAN-Netzwerke werden immer in einer Sterntopologie aufgebaut, wobei Gateways als Relais zwischen Endgeräten fungieren und Nachrichten an den Netzwerkserver senden. Durch den Einsatz eines zusätzlichen Gateways anstelle des Relaisbetriebs in LoRaWAN lässt sich die übertragene Datenmenge maximieren und der Energieverbrauch minimieren. Der Energiesparmodus der Gateways ermöglicht es Endgeräten, in einen Energiesparmodus zu wechseln. Darüber hinaus kann das Gerät so lange im Energiesparmodus bleiben, wie es die Anwendung erfordert.

LoRaWAN-Endpunkte sollten energieeffiziente Systeme sein. Es ist wichtig, unnötige Funktionserweiterungen zu vermeiden, da diese den Stromverbrauch des Systems erhöhen. Taktfrequenz und Speichergröße sollten ebenfalls niedrig gehalten werden, da diese Faktoren den Stromverbrauch von LoRaWAN-Endpunkten beeinflussen. Die Hinzunahme eines weiteren Gateways verursacht lediglich geringe Kosten für das Gerät selbst, während die Stromkosten extrem niedrig sind.

Bessere Leistung

Gateways sind aufgrund ihrer robusten Hardware, ihrer Sende- und Empfangsfunktionen sowie ihrer HF-Filter deutlich leistungsfähiger als Relaisknoten. Sie können mehr Geräte verwalten und so die Performance Ihres gesamten Smart-Home-Systems verbessern.

Welche wichtigen Punkte sind bei der Betrachtung der Relaisfunktion zu beachten?

Auf den ersten Blick mag der Relaismodus angesichts der bereitgestellten Informationen die perfekte Lösung für alle Probleme des IoT-Marktes zu sein scheinen. Wir sollten jedoch objektiv bleiben und kritisch denken, anstatt uns von einer Werbekampagne blenden zu lassen. Um die Reichweite der Relais zu erhöhen, müssen Unternehmen zunächst neue Geräte mit relaisfähiger Firmware integrieren. Für kleine Unternehmen mag dies kein Problem darstellen, doch für globale Konzerne oder Smart Cities kann die Anschaffung einer Vielzahl neuer Geräte allein für die Nutzung des Relaismodus zu kostspielig und unwirtschaftlich sein.

Ein weiterer wichtiger Punkt ist die verkürzte Akkulaufzeit. Endgeräte, die mit der Relaisfunktion arbeiten, werden voraussichtlich nur die Hälfte bis ein Viertel der Akkulaufzeit eines herkömmlichen Geräts der Klasse A aufweisen. Diese Reduzierung ist auf zusätzliche Prozesse im Relaismodus zurückzuführen. Beispielsweise muss ein Gerät ein energieintensives WakeOnRadio-Signal senden, um das Relais zu benachrichtigen, was voraussichtlich den größten zusätzlichen Stromverbrauch verursacht. Natürlich können wir dies vor Praxistests nicht mit Sicherheit sagen, aber diese Schätzungen sind wahrscheinlich und sollten berücksichtigt werden.

Wichtig ist zu beachten, dass ein Relay zwar die Reichweite erweitert und deutlich günstiger als ein zusätzliches Gateway ist, aber dennoch Netzwerkkapazität verbraucht. Gateways bieten eine stabilere und leistungsstärkere Option. Ob Sie diese neue Relay-Funktion nutzen oder nicht, hängt also hauptsächlich von Ihren Zielen ab.

Wie wird TEKTELIC die neue Relay-Funktion umsetzen?

TEKTELIC ist Marktführer im LoRaWAN-Bereich mit seinem umfangreichsten Portfolio an Carrier-Grade-Gateways, Geräten, Sensoren und Lösungen und arbeitet kontinuierlich daran, den Nutzen für seine Kunden und das gesamte LoRaWAN-Ökosystem zu steigern. Wir hören unseren Kunden genau zu, um ihre Herausforderungen zu verstehen. Wir sind überzeugt, dass der Relay-Modus viele Probleme unserer Kunden lösen und die Gesamtbetriebskosten (TCO) senken wird. Wir unterstützen die Entwicklung und Einführung des Relay-Modus im Rahmen des LoRaWAN-Standards und möchten ihn Ihnen nun vorstellen. Wir kennen zahlreiche Anwendungsbereiche, in denen der Relay-Modus die Überwachung statischer Anlagen in Smart Cities, der Energieversorgung, auf Parkplätzen und anderen Plattformen ermöglicht. Als Sponsorenmitglied der LoRaWAN Association betreut TEKTELIC heute über 450 Kunden, treibt die IoT-Einführung maßgeblich voran und ist überzeugt, dass diese Funktion von vielen bestehenden und zukünftigen Kunden genutzt werden wird. Gleichzeitig möchten wir Ihnen eine objektive Darstellung aller Vor- und Nachteile bieten.

Haupt Take Away

LoRa-Geräte LoRa-Geräte bieten viele überzeugende Vorteile für IoT-Anwendungen. Sie sind energiesparend und können sowohl in öffentlichen als auch in privaten Netzwerken eingesetzt werden. LoRa-Geräte lassen sich zudem problemlos in bestehende Infrastrukturen integrieren. Der neue Relay-Modus kann insbesondere in schwierigen Umgebungen bahnbrechend sein. Ein batteriebetriebener Knoten löst das Problem der Übertragung von LoRaWAN-Paketen vom … Tor zu LoRaWAN-Endgeräten und Sensoren durch dicke Wände, Metallbodenabdeckungen, Tiefgaragen, Metallrahmen und andere schwer zugängliche Umgebungen.

Aktuell arbeiten alle Sponsoren und Mitwirkenden der LoRa Alliance, darunter auch TEKTELIC, eng zusammen, um die Spezifikation des Relaismoduls abzuschließen. So können Unternehmen die Module entwickeln, testen und ihren Kunden anbieten. Während unser Forschungs- und Entwicklungsteam an dem eigentlichen Relais arbeitet, möchten wir Ihnen hier ein klares und leicht verständliches Verständnis dieser neuen Funktion und ihrer Vorteile vermitteln.

Wir sehen weiterhin die Liste der Herausforderungen, deren Bewältigung wichtig sein könnte, wie zum Beispiel:

• Kompatibilität von Relais mit bestehenden Geräten und die Notwendigkeit, neue Geräte mit relaisfähiger Firmware zu kaufen;
• Geringere Akkulaufzeit der Endgeräte zu erwarten (½ bis ¼ der Akkulaufzeit im Vergleich zu aktuellen Geräten der Klasse A);
• Erhöhter Verbrauch von Netzwerkkapazität;
• Unfähigkeit zum Aufbau eines MESH-Netzwerks; (Ziel ist vielmehr die signifikante Erweiterung der Abdeckung der Sternarchitektur, auf der LoRaWAN basiert).

Es ist jetzt noch schwer abzuschätzen, wie effektiv dieser Relaismodus sein wird, aber wenn wir alle Vorteile und möglichen Nachteile auf einen Blick sehen, wird es viel einfacher sein, Entscheidungen zu treffen.

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