Peer-to-Peer LoRa-Funkprotokollsoftware

Das standardisierte LoRa-WAN-Protokoll nutzen wir nicht, da es nicht effektiv genug ist, keine direkte Knoten-zu-Knoten-Kommunikation unterstützt und für viele Anwendungen zu teuer und zu kompliziert ist. Wir haben eine neue LoRa-Funkprotokollsoftware („RadioShuttle“) entwickelt, die sehr effizient schnell und sicher Nachrichten zwischen einfachen LoRa-Modulen verschicken kann. Diese Software ist gleichermaßen als Knoten (Node) oder als Station (Server) einsetzbar.

Funkprotokollsoftware (RadioShuttle)

• Gesicherte Nachrichtenübertragung (max. 232 Bytes Nutzdaten),
  der Empfang wird bestätigt, verlorene Daten werden automatisch wiederholt
• Ungesicherte Nachrichtenübertragung (benötigt weniger Zeit/Strom), für Anwendungen, bei denen regelmäßig Nachrichten verschickt werden und eine verlorene Nachricht kein Problem darstellt (z. B. Temperaturdaten)
• Paralleles Versenden von unterschiedlichen Nachrichten an identische oder verschiedene Stationen (läuft alles stromsparend im Hintergrund)
• Eindeutige 32-bit Geräte-ID (Gerätenummer) pro LoRa-Teilnehmer,
  eindeutige 16-bit App-ID (Programmnummer zur Kommunikation)

Datensicherheit

• Anmeldung von Knoten an die Station erforderlich (auch abschaltbar)
• Anmeldung mit verschlüsseltem Passwort (SHA-256 mit Zufallszahl verschlüsselt)
• Verschlüsselte Nachrichtenübertragung (einstellbar pro Nachricht)
  AES 128-bit Verschlüsselung, AES Nachrichten benötigen min. 16 Bytes Daten, ohne AES können auch kleinere Nachrichten verschickt werden.
  Es werden keine Passwörter übertragen. Gesichert gegen Hacken durch Protokollieren bzw. Wiederholen von verschlüsselten AES-Nachrichten oder Anmeldungen

Air Traffic Control

Die Knoten senden nur, wenn auf dem Kanal kein LoRa-Signal aktiv ist. Die Stationen erstellen einen automatischen Netzplan, welche Knoten und Stationen wann kommunizieren dürfen. (in Planung)

Optimiertes Protokoll

• Nachrichtenzustellung innerhalb von 110 ms (SF7, 125 kHz, bei freiem Kanal)
  • Nachrichten benötigen nur 2 x 12 Bytes (Protokoll-Overhead)
• Default LoRa-Spreizfaktor SF7 (SF7-SF12 einstellbar)
• Default LoRa-Bandbreite 125 kHz (125/250/500 kHz einstellbar)
  • Kleinere Bandbreiten bieten eine größere Reichweite
• Automatische Anpassung der Sendeleistung. Das spart erheblich Strom und das Funknetz ist für Nachbarstationen weniger belegt

Betriebsmodus

• Betrieb als Station, feste Stromversorgung empfohlen (12 mA im Empfangsmodus, Senden (20 … 100 mA)
• Betrieb als „Node Online“, feste Stromversorgung empfohlen
  • Der Knoten ist permanent empfangsfähig
  • Ansonsten die Funktionen wie „Node Offline“ (12 mA im Empfangsmodus, Senden (20 … 100 mA)
• Betrieb als Funksensor („Node Offline“-Checking)
  • Der Knoten meldet sich regelmäßig, um ggf. Daten zu empfangen
  • Der Empfang von Nachrichten kann bis zu 30 Sekunden dauern
  • Ansonsten die Funktionen wie „Node Offline“ (1 µA im Ruhemodus, Batteriebetrieb über Jahre)
• Betrieb als Funksensor (Node Offline)
  • Der Knoten ist nur aktiv, wenn Ereignisse zu melden sind (1 µA im Ruhemodus, Batteriebetrieb über Jahre)

Ressourcen für die RadioShuttle Library

• Speicherbedarf (Stand 08/2017)
  • 100 kB Flash für RadioShuttle Library mit SHA256 & AES
  • 10 kB RAM für Node-Offline-/Checking-/Online-Betrieb
  • 10 kB RAM für Station-Basic-Betrieb (RAM ist abhängig vom Anzahl der Knoten)
  • 1 MB RAM für Station-Server-Betrieb (Raspberry PI, 10.000 LoRa-Knoten)
• Genaue Timer mit Auflösung von 0,5 ms und Interrupt

Unterstützte LoRa- und MCU-Boards

• Semtech SX1276MB1MAS und SX1276MB1LAS (SX1276-basierend)
• MURATA CMWX1ZZABZ-078
• HopeRF RFM95
• STM Discovery Kit für LoRaWAN (STMicroelectronics B-L072Z-LRWAN1)
• Das LongRa-Board
• Das „ECO Power“-Board
• Das Turtle-Board

Unterstützte Betriebssysteme

• Arduino, Arduino Zero oder neuer
• ARM Mbed OS, unterstützte MCUs (z.⁥ B. STM32L0, STM32L4)
• Linux (Raspberry PI/Orange PI in Planung)

Beispielkonfigurationen

1. Einfaches Netz mit Station und Knoten | Bild oder PDF
2. Netz mit Station und 2 Knoten (online/offline) | Bild oder PDF
3. Erweitertes Netz mit Station und 5 Knoten (online/offline) | Bild oder PDF
4. Zwei umfangreiche Netzwerke, die miteinander kommunizieren | Bild oder PDF

Protokollvergleich: LoRaWAN^TM und RadioShuttle

Ein Vergleich zeigt die Unterschiede zwischen den beiden Protokollen LoRaWAN^TM und RadioShuttle auf:

Illustration herunterladen | Bild oder PDF

LoRaWANTM	RadioShuttle
Concentrator erforderlich	Kein Concentrator erforderlich, Station nutzt reguläres LoRa-Modul
Kosten für Netzwerknutzung	Keine monatlichen Kosten
Eine große Funkzelle	Viele kleine autarke Funkzellen
Hohe Netzwerklast im Umkreis von mehreren Kilometern	Kleine Netzwerke ohne gegenseitige Störung
Ausfallrisiko (Concentrator)	Automatische Anpassung der Sendeleistung – längere Batterielaufzeit
Hohe Latenz, höherer Spreizfaktor, z.⁥ B. SF11 (1320 ms)	Geringe Latenz, geringerer Spreizfaktor, z.⁥ B. SF7 (120 ms)