Tracking von Assets und Gütern Globale Geolokalisierung mit nur einem Chip

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Weltweit unterschiedliche nutzbare Frequenzbänder erschweren das Design global funktionierender Geolokalisierungsprodukte. Als Lösung bietet sich der LoRa Edge LR1120 an: Er vereint Sub-GHz-, Wi-Fi- und Satelliten-Konnektivität in einem winzigen Tracker-Chip.

Marktfragmentierung ist ein zentrales Problem bei der Einführung von Milliarden an IoT-Geräten (Internet of Things). Unterschiedliche Konnektivitätslösungen führen zu einer Vielzahl von Systemen mit zunehmender Komplexität; dies verteuert die Kosten für Unternehmen bei der Einführung großer, komplexer globaler Netzwerke. Solche Netze können stationär sein, umfassen aber auch immer mehr mobile Elemente – etwa in Werken, in Lagern, auf der Straße oder auf See.

Die Entwicklung eines einzigen Chips für den Einsatz der LoRa-Bausteine von Semtech in den unlizenzierten Sub-GHz- und globalen 2,4 GHz-Bändern sowie im Satelliten-S-Band kann die Entwicklung und den weltweiten Einsatz von LoRa Edge-Geräten zur Geolokalisierung drastisch vereinfachen. Diese Geolokalisierungsfunktion ermöglicht eine breite Palette von Asset-Management-Anwendungen, bei denen ein kostengünstiges Ortungsgerät mit geringem Stromverbrauch seinen Standort schnell und effizient an einen Cloud-Dienst übermittelt.

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Wie sein Vorgänger kann auch der neueste LoRa Edge LR1120 Baustein Funkdatenpakete im 2,4-GHz-Band, in dem zum Beispiel viele Wi-Fi-Netzwerke und Bluetooth funken, scannen und auf GNSS-Signale (Global Navigation Satellite Service) zwischen 1,9 GHz und 2,2 GHz zugreifen. Die Übertragung der Daten in die Cloud erfolgt über ein stromsparendes Weitverkehrsnetz-Gateway, das LoRa in den nicht lizenzierten Sub-GHz-Bändern nutzt. LoRa-Bausteine sind für stromsparenden Betrieb ausgelegt, was den Trackern eine lange Laufzeit pro Batterieladung ermöglicht.

Weltweit unterschiedliche nutzbare Frequenzbänder

Globale Geolokalisierung muss per Definition weltweit funktionieren. Das ist insbesondere wichtig für das Verfolgen von Warensendungen und Containern zum Beispiel von Asien nach Europa und in die USA. Die heutigen Komponenten sind bei vielen LoRaWAN-Netzbetreibern im Einsatz; sie verfolgen Güter und speisen die Daten in globale Datenbanken ein. Diese liefern Echtzeitinformationen und verwertbare Erkenntnisse für die Optimierung der globalen Lieferkettenleistung.

Die dafür genutzten Frequenzbänder sind jedoch unterschiedlich in den USA, Europa und China, was ein Problem ist. Zudem ist es möglich, dass kein lokales Netzwerk-Gateway mit LoRa für die Übertragung zur Verfügung steht. Die Erweiterung der Konnektivität dieses zentralen Chips auf das 2-GHz- und 2,4-GHz-Band in Verbindung mit nativen Cloud-Verbindungen ermöglicht Betreibern eine erhebliche Erweiterung ihrer Geolokalisierungsfunktionen.

Ein Tracker kann jetzt die lokale Funkumgebung erkunden, um seinen Standort zu bestimmen und Daten direkt an einen Satelliten in einer niedrigen Erdumlaufbahn kreisenden Satelliten zu übertragen. Mehrere Betreiber starten derzeit Satellitennetzwerke, die LoRa-Geräte im S-Band nutzen, und die neueste Firmware im Chip mit Unterstützung der neuen Protokolle ermöglicht es diesen Trackern, sich direkt mit diesen Satelliten überall auf der Welt zu verbinden.

Automatische Aufschaltung auf das Netz

Dies kann die Einführung von Geolokalisierungsplattformen am Rande des Netzes drastisch vereinfachen. Ein einziger Tracker lässt sich weltweit einsetzen, was die Netzbevorratung und Verwaltung vereinfacht. Eine automatische Aufschaltung auf das Netz ist entscheidend, wenn in der gesamten Lieferkette womöglich Hunderttausende von Trackern im Einsatz sind. Der Tracker sendet die Basisdaten an die Cloud, die dann die Datenberechnungen durchführt. So ist sichergestellt, dass der Tracker so wenig Energie wie möglich verbraucht, eine möglichst lange Batterielebensdauer gewährleistet und einen „Fit-and-Forget“-Ansatz ermöglicht. Die Tracker-Standorte werden dann an ein überall auf der Welt zugängliches Dashboard übermittelt.

Die zusätzlichen 2-GHz- und 2,4-GHz-Funktionen erweitern die IoT-Möglichkeiten. Das derzeitige Sub-GHz-Band in Europa begrenzt die verfügbare Zeit zum Senden von Daten. Dies soll verhindern, dass ein Nutzer das Band dominiert. Die zusätzliche 2,4-GHz-Fähigkeit bietet eine höhere Bandbreite für verschiedene Arten von Sensordaten, allerdings mit einer geringeren Reichweite als bei den Sub-GHz-Versionen mit 868 MHz, 915 MHz und 920 MHz. Multiband-Gateways unterstützen nun sowohl Sub-GHz für Verbindungen über mehrere Kilometer als auch 2,4-GHz-Verbindungen für höhere Bandbreiten und in stark frequentierten Umgebungen.

Ein Protokoll in mehreren Frequenzbändern

Das gleiche Protokoll, das eine Verbindung zu Satelliten ermöglicht, lässt sich auch im überfüllten 2,4 GHz-Band verwenden. Da Wi-Fi-, Bluetooth-, Zigbee- und Matter-Netzwerke um den Zugang konkurrieren, ist es für Sensoren mit geringem Stromverbrauch oft schwierig, sich durchzusetzen. LoRa 2.4 GHz erreicht Datenraten von bis zu 100 kBit/s mit einer Reichweite von 200 bis 300 Metern für eine zuverlässige Datenübertragung von Sensoren in komplexen, eng bebauten Umgebungen. So können Sensoren kontinuierlich den Zustand von Maschinen überwachen, wodurch sich vorbeugende Wartungsmaßnahmen planen und ungeplante Ausfallzeiten reduzieren lassen. Die Multiband-Satellitenfunktion lässt sich auch zur Sicherstellung der Gesundheit und Sicherheit von Mitarbeitern nutzen. Der Tracker kann den Standort von Mitarbeitern in abgelegenen Gebieten ohne Netzabdeckung überwachen, ohne dass die Gefahr besteht, dass der Strom ausgeht.

Dies trägt auch zu einem vermehrten Einsatz von Multiband-Gateways bei, die neben der Sub-GHz- auch eine 2,4-GHz-LoRa-Funktion besitzen. Der Einsatz eines einzigen Chips für groß angelegte Tracking-Anwendungen erhöht die Nachfrage nach Gateways, die Frequenzen von 150 bis 960 MHz im Sub-GHz-Bereich und 2,4 GHz für Netzwerke mit hoher Bandbreite abdecken. Auch dies begünstigt Skaleneffekte, da sich ein einziges Gateway-Design weltweit einsetzen lässt.

Ein Tracker funktioniert bei unterschiedlichen Frequenzen

Multibandfähigkeit macht es möglich: Ein und derselbe Tracker kann im Werk und im Lager über 2,4 GHz, auf der Straße und auf See über 2-GHz-Satelliten, in Einzelhandelsumgebungen und im Smart Home oder Büro via Sub-GHz eingesetzt werden. Der Tracker kann verschiedene Netze nutzen, liefert aber konsistente Daten an die Cloud und bietet so sehr gute Transparenz über eine globale Lieferkette.

Das Application Programming Interface (API) unterstützt das Long Range – Frequency Hopping Spread Spectrum (LR-FHSS) für Satellitenverbindungen und robuste 2,4-GHz-Verbindungen sowie die von der LoRa Alliance veröffentlichten Anforderungen an die physikalische Schicht der LoRaWAN-Standardspezifikation. Außerdem ist es für unterschiedliche Anwendungsanforderungen und proprietäre Protokolle konfigurierbar.

Wichtige IT-Security-Funktionen integriert

Angesichts dieser Flexibilität ist Sicherheit ein wichtiger Aspekt. Der Chip enthält eine Kryptographie-Einheit mit Unterstützung für den AES-128-Verschlüsselungsalgorithmus sowie für die Handhabung von Geräteparametern wie dem 64-Bit breiten, global eindeutigen Extended Unique Identifier (EUI-64); dieser wird vom Hersteller des Endgeräts vergeben und von der LoRa Alliance definiert.

Um die Aufrüstung für globale Geolokalisierung zu vereinfachen, ist der LoRa Edge LR1120 (der Daten bei 2,4 GHz senden und empfangen kann) pinkompatibel mit Komponenten der vorherigen Generation und hat den gleichen Stromverbrauch. Ein einziger Baustein kann nun weltweit in einem einzigen Design eingesetzt werden; dies ermöglicht eine drastische Senkung der Kosten und eine Vereinfachung des Managements von Geolocation-Trackern aller Art, sei es bei der Verfolgung von hochwertigen Gütern in der Lieferkette oder bei der Gewährleistung der Sicherheit von Mitarbeitern in abgelegenen Gegenden.

Die Kombination aus niedrigem Stromverbrauch, langer Batterielebensdauer, Multiband-Konnektivität, robusten Protokollen und Cloud-nativer Datenverarbeitung im LoRa Cloud Locator mit Geolokalisierungsalgorithmen ergibt ein leistungsfähiges Tool für die Überwachung und Optimierung von IoT-Anwendungsfällen. Ein solches Tool ist im Vergleich zu anderen derzeit verfügbaren Lösungen einzigartig. Ein einheitliches Design mit einer Batterielebensdauer von Jahren statt Wochen senkt die Betriebskosten. (me)

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