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LORA

Smart cities smart managen

Durch die Entwicklung einer Stadt zur Smart City ergeben sich gleichzeitig neue Möglichkeiten und neue Anforderungen. EXXETA hat sich mit diesem Thema auseinandergesetzt. Eine nachhaltige Entwicklung und Vernetzung der Infrastruktur durch Innovation und Technologie kann eine Stadt deutlich aufwerten und die Lebensqualität steigern. Egal ob im Bereich Mobilität, Umwelt, Energie, Gesundheit oder Verwaltung – das Internet of Things macht es möglich, Abläufe oder Prozesse zu vereinfachen und effizienter zu gestalten. Durch intelligente Verkehrsleitsysteme und Parkraumsensoren lassen sich beispielsweise Verkehrsstaus und Abgase reduzieren.  Bedarfsgerechte Steuerung von Wasser und Strom ermöglichen den Energieverbrauch in der Landwirtschaft zu senken. Sensoren an Mülleimern können helfen, diese bedarfsgesteuert zu leeren und so Kosten zu senken.

Die meisten traditionellen Wireless Network Technologien sind für die neu entstehenden IoT-Anwendungsfälle nicht optimiert, denn die Anforderungen sind hoch: Geringer Energieverbrauch, lange Betriebszeiten, hohe Reichweiten und das zu geringen Betriebskosten. Durch die sogenannte Low Power Wide Area Networks können diesen Anforderungen erfüllt werden.

Ein Low Power Wide Area Network (LPWAN) besteht aus verschiedenen Technologien, die speziell für Funknetzwerke mit niedriger Bandbreite und in niedrigem Frequenzbereich [ausgelegt sind. In LPWANs kommunizieren die Endgeräte nicht direkt, sondern über ein Gateway miteinander. Dieses ist im Vergleich zu den Endgeräten nicht ressourcenlimitiert. Die Nachrichtenübertragung zwischen dem Endgerät und dem Gateway läuft über ein LPWAN-Funkprotokoll wie beispielsweise LoRa. 

LPWANs eigenen sich für den Einsatz in skalierbaren IoT-Anwendungen:

  • Die Endgeräte befinden sich den Großteil der Betriebszeit in einem Tiefschlafmodus, so ist eine niedrige Frequenzbelegungsdauer erreichbar
  • Energieeffizienz und hohe Betriebsdauer von mehreren Monaten bis Jahren, bei vergleichsweise geringen Wartungskosten
  • Durch Batteriebetrieb Verzicht auf einen Anschluss am Stromnetz
  • Ortsunabhängiges, flexibles Aufsetzen und Betreiben der Endgeräte möglich
  • LPWANs arbeiten in öffentlich nutzbaren Sub-GHz-Frequenzbändern, mit niedrigen Frequenzen und robusten Modulationsmethoden
  • hohe Reichweiten von mehreren Kilometern und gute Gebäudedurchdringung
  • Von Sensoren erfasste Telemetrie-Daten werden an die Cloud gesendet
  • Die Komplexität kann von den Endgeräten ausgelagert werden. Eine große Anzahl an Endgeräten kann eingebunden werden
  • LPWANs implementieren typischerweise symmetrische Verschlüsselungsverfahren
  • Abgesicherter Transportweg

Um das Potenzial der LPWANs optimal zu nutzen, benötigt es ein geeignetes Gerätemanagementsystem. Im aktuell existierenden heterogenen Markt mit unterschiedlichen Herstellern liegt die Herausforderung in der Kompatibilität der Systeme. Es besteht Bedarf an ubiquitären Infrastrukturen, Schnittstellen und Protokollen, die ein Remote Device Management System (RDM) liefern kann. Über einen einheitlichen RDM-Standard und dessen kontinuierlicher Weiterentwicklung können LPWANs während ihres langen Lebenszyklus effizient gesteuert, gewartet und durch Updates stabil und sicher in Betrieb gehalten werden.

Optimales Remote Device Management: EXXETAs LPWaDM

EXXETA arbeitet derzeit an einem RDM-Konzept in Form eines Protokolls, das bereits validiert und anhand einer prototypischen Implementierung getestet und bewertet wurde. 

Das entwickelte Protokoll „Low Power Wide Area Device Management“ (LPWaDM) beschreibt REST-artige Schnittstellen, unterschiedliche Datenpakete für die im RDM notwendigen Use-Cases sowie ein Sicherheitskonzept.

Mit LPWaDM wurde ein neues Protokoll entworfen, welches als grundlegende Basis das OMA LwM2M Protokoll verwendet, dieses erweitert und den Anforderungen von LPWANs anpasst. Es ermöglicht RDM in den ressourcenbeschränkten LPWANs effizient und sicherheitsoptimiert zu implementieren. Realisiert wird dies unter anderem dadurch, dass der dem Protokoll hinzugefügte Overhead geringgehalten wird, Multicast Updates ermöglicht werden sowie mehrere Kommandos pro Paket und Mehrfachverschlüsselung implementiert werden.

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Markus Fischer

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