Internet of Things Asset-Mangement: Funktionsweise von LoRa Edge

Autor / Redakteur: Pedro Pachuca * / Michael Eckstein

Per Software steuerbare Funk-Frontends vereinfachen das Auswerten von WLAN- und Satellitensignalen – und ermöglichen die energieeffiziente Standortbestimmung von Gütern.

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Spezialisiert: LoRa Edge ermöglicht energieeffizientes Güter-Tracking auf Basis des LoRaWAN-Protokolls
Spezialisiert: LoRa Edge ermöglicht energieeffizientes Güter-Tracking auf Basis des LoRaWAN-Protokolls
(Bild: Semtech)

Anwendungen wie das Echtzeit-Asset-Management beruhen auf der Nachverfolgung elektronischer Etiketten (Tags), die mit einer einzigen Batterie(ladung) Monate, wenn nicht Jahre in Betrieb sein können. Low-Voltage-Designs und effiziente Prozessor-Cores machen dies möglich. Oft ist eine ganzheitliche Bewertung des Stromverbrauchs einer Anwendung erforderlich.

LoRa Edge bietet diesen ganzheitlichen Entwicklungsansatz. Die Technik basiert auf direkter Demodulation und Cloud-Anbindung, um hohe Energieeffizienz, niedrige Kosten und eine einfache Handhabung zu garantieren.

Ein häufiges Problem bei der Standorterfassung auf Basis herkömmlicher Techniken ist, dass mehrere HF-/Funk-Frontends auf Leiterplattenebene erforderlich sind. Der Grund: Der Integrator muss – sofern er nicht sicher ist, dass die Tags nur in einer streng kontrollierten Umgebung verwendet werden – Positionsinformationen von mehreren Quellen abrufen. Während GNSS-Dienste gut im Freien funktionieren, erfolgt die Lokalisierung in Innenräumen oft per Positionstriangulation über WLAN-Signale. Eine weitere HF-Schnittstelle übernimmt die stromsparende Funkkommunikation.

Funk-Frontends per Software einstellbar

LoRa Edge geht einen anderen Weg: Es verwendet per Software einstellbare Funktechnik (SDR; Software-Defined Radio), um drei einzelne Frontends in einer Einheit zu integrieren. Signale von drei Antennen werden über rauscharme Verstärker in einen A/D-Wandler (ADC) geleitet, der direkt in einen digitalen Demodulator eingespeist wird. Dieser Aufbau ermöglicht es, eine Vielzahl von Signalen zu verarbeiten – von der LoRa-Kommunikation im Sub-1GHz-Band bis hin zu den von den Satellitenkonstellationen BeiDou und GPS übertragenen Signalen.

Mit SDR ist es möglich, nur bestimmte Teile des eingehenden Signals zu verarbeiten – das spart Rechenressourcen. Die lassen sich nutzen, um mehr Informationen aus einem verrauschten Signal zu gewinnen – was aber häufig die Stromaufnahme erhöht. Durch Ändern des Verarbeitungsniveaus kann eine softwaredefinierte Umsetzung ihren Energieverbrauch dynamisch so abstimmen, dass die Batterie möglichst lange hält.

Geolocation-Tag muss Signale situationsabhängig verarbeiten können

Situationsabhängige Signalverarbeitung ist die zentrale Anforderung an ein Geolocation-Tag, das im Innen- und Außenbereich eingesetzt werden kann. Wird das Tag aufgefordert, seinen Standort zu ermitteln, muss es zuerst feststellen, welche Ortungstechnik die besten Ergebnisse liefert. Befindet sich das Tag im Freien und besteht eine gute Sichtlinie zu umlaufenden Satelliten, sollte es die GNSS-Signale leicht erkennen. LoRa Edge nutzt dieses Prinzip durch einen stromsparenden Scanmodus, den ein externer Controller aktiviert, wenn er versucht, eine Position zu erhalten – möglicherweise nach einer Zeit der Ruhephase.

Bis zu 0,65 s lang verarbeitet die LoRa-Edge-Firmware die auf GNSS-Frequenzbändern erwarteten Signale. Nur wenn ein GNSS-Signal mit einem Signal-Rausch-Verhältnis von mehr als -134 dB erkannt wird, versucht der Empfänger eine weitere Verarbeitung. Gelingt es, innerhalb dieser Zeit ein ausreichend starkes Signal zu finden, ändert die Empfänger-Firmware ihre Verarbeitung in Algorithmen mit höherer Empfindlichkeit. Es versucht dann, bis zu acht Satelliten mit einer Signalstärke von mehr als -141 dB zu finden. Die geringere Empfindlichkeit während der anfänglichen Suche begründet sich darin, dass die Wahrscheinlichkeit, genügend Satelliten zu finden, um einen Fix zu erhalten, äußerst gering ist, wenn das Signal der stärksten in Betracht kommenden Quelle unterhalb dieses anfänglichen Grenzwerts liegt.

Auswertung der Satellitendaten in der Cloud

Sind genügend Satelliten in Sicht, erhält der Empfänger ausreichend Daten, um eine genaue Positionsbestimmung innerhalb von 1,65 s zu erzielen. Nach der Signalerfassung kann der Empfänger die Verarbeitung beenden. Herkömmliche GNSS-Empfänger empfangen und verarbeiten Signale weiterhin direkt, was viel Energie verbraucht. LoRa Edge versucht nicht, die empfangenen Satellitendaten lokal zu verarbeiten. Stattdessen werden die Datenelemente zu einer Nachricht zusammengefasst und an einen Cloud-Dienst übertragen. Mit der dort verfügbaren Rechenkapazität werden die empfangene Satellitennachrichten in eine genaue Geolokalisierung umgewandelt.

Steht GNSS nicht zur Verfügung oder stellt die Host-Controller-Firmware fest, dass eine andere Art von Korrektur erforderlich ist, kann LoRa Edge auf die Dekodierung der Signale von der 2,4-GHz-Antenne umschalten. Wie bei der GNSS-Implementierung versucht die HF-Engine nicht, die Daten vollständig zu dekodieren und zu verarbeiten. Sie konzentriert sich nur auf die Elemente, die der Remote-Cloud-Dienst benötigt, um eine genaue Geolokalisierung zu bestimmen. Dabei nutzt sie die Struktur des WLAN-Protokolls.

Die HF-Engine muss keine Daten an WLAN-Router übertragen, sondern nur die Umgebung scannen. Im WLAN-Scanmodus erfasst der Empfänger Signale, die den Protokollen 802.11b, g oder n entsprechen, die im 2,4GHz-Band verwendet werden. Die Empfänger-Firmware kann geeignete Pakete auswählen, indem sie auf die von WLAN-Routern verwendete Präambel wartet, bevor diese nützliche Daten übertragen. Sobald die ersten Bytes der Paketdaten empfangen werden, demoduliert die Firmware das Signal und erfasst Bytes, bis sie über eine vollständige MAC-Adresse des Zugriffspunkts verfügt. Danach beendet sie den Scanvorgang, speichert die Adresse und den zugehörigen Signalstärkewert und schaltet das HF-Frontend ab, um Strom zu sparen.

Timeout-Modus für die HF-Engine spart Strom

In der Regel muss der Host die MAC-Adressen mehrerer nahegelegener Zugriffspunkte erfassen, um eine genaue Standortbestimmung über WLAN zu erhalten. Dafür kann der Host-Controller den passiven Scan-Modus mehrere Male hintereinander aktivieren, bis er über genug Informationen verfügt. Um Stromverschwendung in Bereichen mit schlechtem WLAN-Zugang zu vermeiden, kann die HF-Engine einen Timeout-Modus nutzen und den Empfänger automatisch deaktivieren, wenn kein gültiges Paket übertragen wurde – bis der Host-Controller beschließt, es erneut zu versuchen. Der Host kann sich entscheiden, zu warten oder in den GNSS-Modus zu wechseln, falls er sich in großer Entfernung zu WLAN-Routern und an einem Außenstandort befindet.

Sobald er über eine Liste mit MAC-Adressen und Signalstärken verfügt, kann der Host die Daten wie bei den GNSS-Daten zur Umwandlung in eine Geolokalisierung an die Cloud weiterleiten. Das Ergebnis ist ein geolokalisierbares Tag, das weniger Strom verbraucht als herkömmliche Designs und die Batterielebensdauer von einigen Monaten auf zwei bis drei Jahre verlängert. .

Empfangen und Senden über eine Antenne

Dank SDR kann ein Lora-Edge-Gerät seine Empfangsantennen auch zum Senden verwenden. Hat der Empfänger die Erfassung der GNSS-Daten abgeschlossen, kann der Host-Controller die HF-Engine in den Funkmodus schalten. Nach dem Senden kann die HF-Engine wieder in den Empfangsmodus übergehen oder in einem Standby-Modus mit geringem Stromverbrauch verbleiben, um bis zu einem geplanten Zeitpunkt auf den Empfang von Anweisungen oder auf eine Antwort von einem Remote-Server zu warten.

Der Integrator beziehungsweise Dienstleister entscheidet, wohin Datenpakete gesendet werden. LoRa Edge greift dazu auf die Sicherheitsmerkmale des LoRaWAN-Protokolls zurück. Integrierte Sicherheit ist ein entscheidendes Merkmal von LoRaWAN. Im Gegensatz zu den meisten anderen für das IoT genutzten Protokollen implementiert LoRaWAN eine durchgehende (End-to-End-)Verschlüsselung für Anwendungsdaten. Dies erfolgt zusätzlich zu einer Verschlüsselungsschicht auf Netzwerkebene, die den Zugriff nicht autorisierter Knoten verhindert.

Join-Server und das System erstellen Sitzungsschlüssel

Die Inbetriebnahme umfasst eine Anfrage an einen Join-Server, der Authentifizierungsroutinen ausführt und die Anmeldedaten des Geräts bzw. Systems mithilfe von AES-Standardprotokollen überprüft. Nach dieser Authentifizierung erstellen der Join-Server und das System gemeinsam Sitzungsschlüssel zum Schutz der Netzwerknachrichten. Die Systeme können dann ähnliche Verfahren nutzen, um sich bei den eigenen Anwendungsservern des Nutzers zu authentifizieren. Auf diese Weise müssen Anwendungen und der Netzbetreiber keine Schlüssel gemeinsam nutzen.

Die Unterscheidung zwischen Netzwerk- und Anwendungsdiensten ist für die Cloud-Geolocation-Dienste ebenso wichtig wie für andere Anwendungen. Das Design von LoRa Cloud und LoRa Edge stellt sicher, dass standortbezogene Anfragen vom eigenen Anwendungsserver eines Kunden gestellt werden, anstatt dass das Gerät selbst die Anfrage auf Netzwerkebene stellt. Soll eine Geolokalisierung an ein Tag zurückgemeldet werden, wird dies auf Anwendungsebene durch das System des Nutzers gehandhabt. In vielen Fällen müssen die Daten jedoch nicht im Gerät selbst gespeichert werden – sie können in der Cloud gespeichert und nur bei Bedarf verteilt werden.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 4/2021 (Download PDF)

Gleichzeitig bietet LoRa Edge einen praktischen Mechanismus zum Speichern der für den Netzwerk- und Anwendungszugriff erforderlichen Schlüssel. Ein geschützter Speicherbereich wird mit den Schlüsseldaten programmiert, die für den Beitritt zu einem LoRaWAN-Netzwerk beim Start verwendet werden. Dieser Speicherbereich unterstützt auch die Möglichkeit, benutzerdefinierte Schlüssel für Nutzeranwendungen zu speichern. Die On-Chip-Logik führt alle sicheren und verschlüsselungsbezogenen Vorgänge aus, die für den Zugriff auf LoRaWAN-Funktionen erforderlich sind.

* Pedro Pachuca ist Director Wireless Products von Semtech.

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