EP4385283A1 - Lorawan gateway network and method - Google Patents

Lorawan gateway network and method

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Publication number
EP4385283A1
EP4385283A1 EP22764669.2A EP22764669A EP4385283A1 EP 4385283 A1 EP4385283 A1 EP 4385283A1 EP 22764669 A EP22764669 A EP 22764669A EP 4385283 A1 EP4385283 A1 EP 4385283A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gateway
lorawan
network
mesh
server
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22764669.2A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Carsten Brinkschulte
Daniel Hollos
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dryad Networks GmbH
Original Assignee
Dryad Networks GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dryad Networks GmbH filed Critical Dryad Networks GmbH
Publication of EP4385283A1 publication Critical patent/EP4385283A1/en
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W88/00—Devices specially adapted for wireless communication networks, e.g. terminals, base stations or access point devices
    • H04W88/16—Gateway arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L69/00—Network arrangements, protocols or services independent of the application payload and not provided for in the other groups of this subclass
    • H04L69/28—Timers or timing mechanisms used in protocols
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L69/00—Network arrangements, protocols or services independent of the application payload and not provided for in the other groups of this subclass
    • H04L69/40—Network arrangements, protocols or services independent of the application payload and not provided for in the other groups of this subclass for recovering from a failure of a protocol instance or entity, e.g. service redundancy protocols, protocol state redundancy or protocol service redirection
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W4/00—Services specially adapted for wireless communication networks; Facilities therefor
    • H04W4/70—Services for machine-to-machine communication [M2M] or machine type communication [MTC]
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W84/00—Network topologies
    • H04W84/02—Hierarchically pre-organised networks, e.g. paging networks, cellular networks, WLAN [Wireless Local Area Network] or WLL [Wireless Local Loop]
    • H04W84/04—Large scale networks; Deep hierarchical networks

Definitions

  • the invention relates to the expansion of a low-energy wide area network, also Low Power Wide Area Network (LPWAN), especially a Long Range Wide Area Network (LoRaWAN), a specification for wireless, battery-operated systems in a regional, national or global Network.
  • LoRaWAN serves the most important requirements of the Internet of Things (loT), in particular secure bidirectional communication, localization and mobility.
  • the LoRaWAN specification is a layered protocol (Media Access Control MAC) and was designed for large public networks with a single operator. It is based on the LoRa modulation scheme from Semtech and offers seamless cooperation between different systems and technologies without the need for rigid, local, complex installations.
  • the network architecture of the LoRaWAN is typically built in a star topology, with gateways acting as a transparent bridge that forward messages between end devices and a central network server, end devices and back-end.
  • the gateways are connected to a corresponding network server via a standard IP connection, while the end devices use single-hop wireless communication (LoRa) to one or more gateways.
  • Endpoint communication is typically bi-directional and also supports operation of, for example, multi-cast enabling software upgrade over the air or other means of bulk message distribution to reduce transmission time over air communication.
  • the communication between gateways and end devices is distributed over different data rates and frequency channels, whereby the selection of the data rate represents a compromise between the message duration and the communication area.
  • LoRaWAN data rates range from 0.3 kbps all the way up to 50 kbps.
  • the LoRaWAN network server manages the RF output and the data rate for all end devices individually using an adaptive data rate scheme. While LoRaWAN defines the communication protocol and system rights for the network, the LoRa layer enables a long-range wireless communication link. LoRa includes wireless communication with very low power consumption.
  • LoRaWAN refers to a network protocol using LoRa chips for communication and is based on a base station that can monitor eight frequencies with multiple spreading factors with almost 42 channels. With its star topology (LoRaWAN) and energy-saving signal transmission technology (LoRa), this LoRaWAN network technology is specifically designed for the energy-efficient and secure networking of end devices in the Internet of Things and is particularly suitable for outdoor use.
  • LoRaWAN star topology
  • LoRaWAN energy-saving signal transmission technology
  • the architecture is designed for thousands of node end devices, which can also be located far away, in populated or unpopulated areas and in places that are difficult to access, and includes sensors that monitor the water flow or sprinkler systems, as well as consumption meters and much more.
  • the requirements of the outdoor application must securely support battery-operated sensor nodes end devices and at the same time greatly simplify installation and maintenance, so that only radio operation can be considered. Strict power consumption requirements for end node end devices must also be taken into account, since they only have to be operated with a single battery for many years.
  • LoRa gets by with particularly low energy and is based on a chirp frequency spread modulation according to US patent US 7791415 B2. Licenses for use are issued by a founding member of the industrial consortium, the company Semtech. LoRa uses license and permit-free radio frequencies in the range below 1GHz, such as 433MHz and 868MHz in Europe or 915MHz in Australia and North America, allowing a range of more than 10 kilometers in rural areas with the lowest energy consumption.
  • the LoRa technology consists on the one hand of the physical LoRa protocol and the LoRaWAN protocol, which is defined and managed as the upper network layer by the industrial consortium LoRa Alliance.
  • LoRaWAN networks implement a star-shaped architecture using gateway message packets between the end devices and the central network server.
  • the gateways are connected to the network server via the standard Internet protocol, while the end devices communicate with the respective gateway by radio using LoRa (chirp frequency spread modulation) or FSK (frequency modulation).
  • LoRa chirp frequency spread modulation
  • FSK frequency modulation
  • the wireless connection is therefore a single-hop network in which the end devices communicate directly with one or more gateways, which then forward the data traffic to the Internet.
  • data traffic from the network server to an end device is only routed via a gateway.
  • Data communication basically works in both directions, but data traffic from the end device to the network server is the typical application and the predominant operating mode.
  • LoRaWAN is particularly suitable for loT applications outside of settlements, such as for automatic irrigation systems or the measurement of environmental parameters in agriculture.
  • LoRaWAN like other radio protocols for loT applications, uses spread spectrum modulation. It differs by using an adaptive technique based on chirp signals as opposed to traditional DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum Signalling).
  • the chirp signals offer a compromise between reception sensitivity and maximum data rate.
  • a chirp signal is a signal whose frequency varies over time.
  • LoRaWAN technology is inexpensive to implement because it does not rely on a precise clock source. LoRa ranges are up to 40 kilometers in rural areas. In the city, the advantage lies in good building penetration, since basements are also accessible. The current requirement is around 10 nA and 100 nA in the Quiet mode very low. This means that a battery life of up to 15 years can be achieved.
  • LoRa/LoRaWAN defines two further layers.
  • Layer 2 is the LoRaWAN link layer, which provides basic message integrity protection based on cyclic redundancy checks and enables basic point-to-point communication.
  • the third layer adds the network protocol function defined by LoRaWAN.
  • the LoRaWAN protocol offers node end devices the option of locating each other or sending or sending data over the Internet using a gateway (also called a concentrator or base station) to the Internet, in particular to a cloud to a cloud application receive.
  • Class A includes communication based on the ALOHA access method. With this method, the device sends the data packets it has generated to the gateway, followed by two download-receive windows that can be used to receive data. A new data transfer can only be initiated by the end device with a new upload.
  • Class B terminals on the other hand, open download-receive windows at specified times. To do this, the end device receives a time-controlled beacon signal from the gateway. A network server thus knows when the end device is ready to receive data.
  • Class C end devices have a permanently open download-receive window and are therefore permanently active, but also have an increased power consumption.
  • LoRaWAN defines a star topology network architecture where all the leaf nodes communicate through the most appropriate gateway. These gateways handle routing and can also redirect communications to an alternative when more than one gateway is within range of a leaf node and the local network is congested.
  • Some other loT protocols e.g. ZigBee or Z-Wave
  • mesh network architectures to increase the maximum distance of a terminal leaf node from a gateway. The end devices of the mesh network forward the messages to each other until they reach a gateway, which transfers the messages to the Internet.
  • Mesh networks self-program and dynamically adapt to environmental conditions without the need for a master controller or hierarchy.
  • the end devices of a mesh network In order to be able to forward messages, however, the end devices of a mesh network must be ready to receive either constantly or at regular intervals and cannot be left in the idle state for long periods of time. The consequence is a higher energy requirement of the node end devices for forwarding messages to and from the gateways and a resulting reduction in battery life.
  • the star network architecture of LoRaWAN allows the nodes (especially class A and B) to go into the energy-saving sleep mode for long periods of time, thereby ensuring that the battery of the nodes is loaded as little as possible and thus for several years without changing the battery can be operated.
  • the gateway acts as a bridge between simple protocols (LoRa / LoRaWAN) optimized for battery life, which are better suited for resource-constrained end devices, and the Internet Protocol (IP), which is used to provide loT services and applications.
  • IP Internet Protocol
  • the implementation of a multi-hop radio network in the LoRa end devices solves the problem of the range limitation from the end device to the gateway by it forwards the data packets from one end device to another end device, but is not compatible with the LoRaWAN specification because the end devices have an additional mesh function must be equipped.
  • Existing LoRaWAN-compatible end devices can therefore not benefit from this range extension, as they can only contact a gateway directly and are not able to communicate indirectly with the gateway via other end devices.
  • the 802.11s standard defines a deterministic access method for WiFi networks that uses time periods instead of competing access to the shared medium.
  • No IP routing protocol is used to find a path between the nodes, but rather a MAC level in order to take into account the specific and changing properties of the radio connection.
  • a hybrid wireless mesh protocol specially developed for mesh is usually used here.
  • the 802.11s standard provides for the installation of dozens of access points that are only connected to each other by radio. The rule here is forwarding via several access points, also referred to as multi-hop. In extreme cases, only one of these needs to be connected to a LAN or WAN.
  • Each node can perform one, two or three different network functions: mesh points forward data to the next node, mesh access points exchange data with end devices and mesh point portals form the gateways to the wired network world.
  • the mesh network appears like a simple WLAN. Since the 802.11s standard is defined for WLAN network architectures, it is not possible to apply this standard directly to LoRaWAN networks, which in turn are based on the LoRa wireless standard.
  • the LoRaWAN architecture ensures that the battery of the loT node is loaded as little as possible and can therefore be dimensioned appropriately and predictably for the respective application.
  • the gateway acts as a bridge between simpler protocols better suited to resource-constrained leaf nodes and the Internet Protocol (IP) used to provide IoT services.
  • IP Internet Protocol
  • the gateways send data packets to a server that has interfaces for IoT platforms and applications.
  • LoRaWAN uses particularly low energy and is based on chirp frequency spread modulation in accordance with US patent US 7791415 B2. It can be particularly advantageous for IoT applications, such as consumption measurements, environmental parameter measurements, measurement of energy inputs from traffic management and civil protection.
  • the 802.11s standard provides for the installation of dozens of access points that are only connected to each other by radio.
  • the rule here is forwarding via several access points, also referred to as multi-hop. In extreme cases, only one of these needs to be connected to a LAN or WAN.
  • Mesh networking is flexible and also allows the addition of new access points.
  • Each node can perform one, two or three different network functions: mesh points forward data to the next node, mesh access points exchange data with end devices and mesh point portals form the gateways to the wired network world. For the end devices, the mesh network appears like a simple WLAN.
  • LoRaWAN networks also have other undesirable limitations.
  • One such limitation is the use of the standard IP protocol between the gateway and network server. Especially when used in rural areas where the network coverage for mobile communications (3G, 4G/LTE or even 5G) is sparse or non-existent and a wired Internet connection would be too expensive, a gateway often cannot be operated due to a lack of an Internet connection. So far, LoRa networks can only be used where the maximum radio range between the Internet-connected gateway and the end devices is not exceeded. If LoRaWAN networks are extended with mesh gateways, a larger range or area coverage in areas without access to the Internet can be realized with a LoRaWAN network. Only individual gateways are required for this, which are connected to the network server via an IP protocol.
  • end devices of class A only have two receive windows and therefore the time span in which they expect a response is limited. If this time is exceeded, a timeout error occurs and communication with at least this one end device breaks down.
  • the usage times of the end devices are very short, especially in the case of off-grid use, ie without their own power supply.
  • the object of the invention is therefore to provide a solution for limiting the range from the network server to the end device, with which existing LoRaWAN-compatible end devices also benefit from a range extension without having to implement additional functions in the end devices or when using the end devices Class C terminals to be restricted.
  • the present invention proposes a method for communication in a LoRaWAN mesh gateway network, in which the LoRaWAN mesh gateway network has multiple terminals, multiple gateways and a network server (NS).
  • a second server performs server functions of the communication method that are actually provided for the network server according to the LoRaWAN protocol.
  • the LoRaWAN standard be ported to very large networks in which all gateways no longer have a single-hop connection to the network server, but communication via Intermediate mesh gateways takes place, it can lead to long runtimes of messages between the end devices and the network server.
  • the runtimes of the messages can be shortened and time-out errors of the terminal can be avoided.
  • the method according to the invention also ensures that the messages from the network server to a terminal are sent correctly to the terminal.
  • the end device does not have to have a permanently active download-receive window and therefore be permanently active, as with a class C end device, but can also be a class A or B end device according to the LoRaWAN specification, for example. The power consumption is greatly reduced and the service life of the end device is thus increased.
  • the second server is connected to the application server like the network server. If the network server fails, the operation of the LoRaWAN network is guaranteed.
  • the LoRaWAN mesh gateway network has a first gateway and a second gateway, with the first gateway not having a single-hop connection to the network server.
  • the first gateway is advantageously designed as a second server and carries out the server functions of the communication method in addition to the network server.
  • an encrypted gateway message is generated on the first gateway. Since a time-out error can occur on the end device if the path from the end device to the network server is too long, there is another option, instead of the delayed receipt of a server message from the network server, to generate an encrypted gateway message directly on the gateway.
  • the encrypted gateway message has the same content and function as the network server message.
  • the encrypted gateway message ensures that a message from the gateway is sent correctly to the end device and that the end device accepts this message as a server message in terms of the communication protocol.
  • the end device does not have to have a permanently active download-receive window and therefore be permanently active, as with a class C end device, but can also be a class A or B end device according to the LoRaWAN specification, for example. This reduces power consumption and increases the service life of the end device.
  • the gateway message is encrypted on the first gateway. This minimizes the time delay, and it is also ensured that a message from the terminal device to a gateway is sent correctly to the gateway.
  • the gateway message has the same content and function as the server message.
  • the encrypted gateway message ensures that a message from the gateway is sent correctly to the end device and that the end device accepts this message as a server message in terms of the communication protocol.
  • the end device does not have to have a permanently active download-receive window and therefore be permanently active, as with a class C end device, but can also be a class A or B end device according to the LoRaWAN specification, for example. The power consumption is reduced and the service life of the end device is thus increased.
  • the encrypted terminal device message is a message to which the terminal device expects a response from the network server in accordance with the LoRaWAN protocol.
  • the gateway message is available as an alternative to the server message directly when the end device is expecting a server message.
  • this function is reserved for the network server, but here it is taken over by the gateway itself.
  • the gateway closest to the terminal stores the terminal message.
  • the first gateway forwards the encrypted message to a second gateway and/or the network server.
  • This achieves an extension of the range of LoRaWAN networks by interposing the multi-hop network using gateways, thus maintaining full compatibility with the LoRaWAN specification.
  • At least one gateway communicates with the network server via a standard IP connection and using the LoRaWAN protocol.
  • the encrypted gateway message is sent from the gateway to the terminal. This ensures that the end device is also ready to receive.
  • the encrypted gateway message is sent from the gateway to the terminal device within a receive window of the terminal device. This ensures that the end device is also ready to receive.
  • the encrypted gateway message is sent to the terminal device and/or the terminal device message is sent to the gateway via a single-hop connection.
  • the connection from the end device to the gateway is therefore a direct connection with only one hop of the data packet (the encrypted message).
  • the network server can be reached from the end device via a multi-hop connection. This ensures that the encrypted gateway message is generated on a nearby gateway and safely reaches the end device within the open receive window.
  • the encrypted gateway message is generated and/or sent on the gateway. This also ensures that the encrypted gateway message is generated on a first gateway that is close to the terminal and reaches the terminal securely within the open receive window.
  • At least one first gateway communicates with at least one second gateway via a wireless point-to-point connection.
  • the first gateway and the second gateway are connected to each other via a multi-hop mesh network, so that the first gateway does not need a direct connection while communicating with the terminals.
  • this extends the range of the LoRaWAN network, because the first gateway is connected to the second gateway via the meshed multi-hop network and can therefore forward the data from the end devices to the Internet network server.
  • at least one second gateway communicates with the network server IP connection.
  • an encrypted end device message generated by the end device and sent to the gateway is stored on the gateway.
  • the gateway knows which encrypted end-device message has so far remained unanswered by the network server, which end-device may be in error mode as a result of a time-out.
  • the encrypted terminal message stored on the gateway is not deleted from the gateway's memory until an encrypted server message associated with the encrypted terminal message has been sent from the network server to the terminal.
  • the gateway knows which encrypted end-device message has so far remained unanswered by the network server, which end-device may be in error mode as a result of a time-out.
  • an encrypted server message generated by the network server and sent to the gateway is stored on the gateway. If the gateway forwarded the encrypted server message immediately, the encrypted message would possibly reach the end device outside of a receive window, i.e. while the end device is not ready to receive. The end device would thus generate a next time-out error.
  • the encrypted server message stored on the gateway is only deleted from the memory of the gateway when an encrypted terminal device assigned to the server message Message received from gateway.
  • the encrypted server message stored on the gateway is only deleted from the gateway's memory when the stored encrypted server message has been sent from the gateway to the terminal device.
  • the terminals are typically configured in such a way that they resend an encrypted terminal message after the time-out error has expired. If, in the meantime, the encrypted server message assigned to the terminal device message has arrived and been stored on the gateway, it is retrieved from the memory and sent to the terminal device. Only after the new terminal message has been received on the gateway and the encrypted server message has been sent from the gateway to the terminal device is the encrypted server message deleted on the gateway.
  • the encrypted server message stored on the gateway is sent from the gateway to the terminal device within a receive window of the terminal device. This ensures that the end device is also ready to receive.
  • the receive window of the terminal device is a receive window that is generated by repeatedly sending a terminal device message to the gateway. After a time-out, an end device tries to send the encrypted end device message again, as a result of which two new receive windows open in accordance with the LoRaWAN protocol, in which the end device is ready to receive.
  • an encrypted terminal message is repeatedly sent to the gateway after the terminal device has timed out. During the time-out of the terminal device, it is not possible to receive messages from the terminal device. Therefore, the encrypted server message must only be sent afterwards in order to be received by the end device become. In an optional development, this time-out of the end device occurred as a result of an unanswered end device message within the two receive windows defined according to the LoRaWAN protocol.
  • the messages, commands and functions stored on the gateway or generated by a gateway can include the following MAC commands of the LoRaWAN protocol:
  • the LoRaWAN mesh gateway network has at least one network server, multiple gateways and multiple terminals.
  • the LoRaWAN mesh gateway network has a second server that can execute server functions according to the LoRaWAN protocol in parallel with the network server.
  • the second server is connected to the application server like the network server. If the network server fails, the operation of the LoRaWAN network is guaranteed.
  • the second server has a sub-server unit that is equipped with a program and/or operating system and/or firmware that is suitable for executing functionalities provided for the network server (NS) according to the LoRaWAN protocol .
  • the sub-server unit is also capable of generating a gateway message.
  • This can be an ACK signal, for example, which is used during data transmission to confirm receipt of a data packet.
  • the gateway message ensures that a message from the terminal device to a gateway has been sent correctly to the gateway.
  • the end device does not have to have a permanently active download-receive window and therefore be permanently active, as with a class C end device, but can also be a class A or B end device according to the LoRaWAN specification, for example. This reduces power consumption and increases the service life of the end device.
  • the sub-server unit has a processor and a memory.
  • Processor and memory are standard components and therefore inexpensive to manufacture.
  • the sub-server unit is also equipped with a program and/or operating system and/or firmware that is suitable for executing functionalities provided for the network server in accordance with the LoRaWAn protocol.
  • the LoRaWAN mesh gateway network has different gateway types.
  • the gateway types differ in terms of their communication interfaces for communication with other gateways, a network server or end devices and the resulting type of communication.
  • the LoRaWAN mesh gateway network has a first gateway and a second gateway. The division of the gateways into first gateways and second gateways extends the range of the LoRa WAN network considerably, whereby LoRaWAN-compatible end devices can still be used, which can be distributed and networked far into impassable areas that cannot be reached with conventional wireless networks.
  • the first gateway is the second server.
  • the first gateway communicates both with other gateways and with one or more end devices. Sending a gateway message from a first gateway to a terminal ensures, for example, that a message from the terminal to a gateway has been correctly sent to the gateway.
  • the end device does not have to have a permanently active download-receive window and therefore be permanently active, as with a class C end device, but can also be a class A or B end device according to the LoRaWAN specification, for example. The power consumption and the service life of the end device are thus reduced.
  • the first gateway has the sub-server unit.
  • the sub-server unit has a processor and memory and is also equipped with a program and/or operating system and/or firmware that is suitable for this. to execute functionalities provided for the network server according to the LoRaWAn protocol.
  • the first gateway has a first gateway communication interface for communication with a terminal and a second gateway communication interface for communication with another first gateway and/or a second gateway.
  • the first gateway and the second gateway are connected to each other via the first communication interface via a multi-hop mesh network, so that the first gateway does not need a direct connection while communicating with the terminals.
  • terminals are connected directly to a first gateway by means of a single-hub radio network via the second communication interface.
  • each first gateway is suitable for wireless point-to-point communication with a large number of end devices using single-hop LoRa or FSK radio using the LoRa WAN protocol.
  • the network according to the invention and its components can thus be distributed and networked far into impassable areas that cannot be reached with conventional wireless networks.
  • the first gateway and the second gateway are combined with a multiplicity of mesh gateway devices and at least one of the mesh gateway devices has no direct IP connection.
  • the first gateways and the second gateways are connected to each other via a meshed multi-hop network, so that the first gateway does not require a direct connection.
  • the invention enables a range extension of LoRaWAN networks by interposing a multi-hop network using the first gateways and thus maintaining full compatibility with the LoRaWAN specification.
  • a second gateway is provided for communication via a standard IP connection and using the LoRaWAN protocol with the network server.
  • the network communicates with the network server over a standard IP connection using the LoRaWAN protocol. This increases the range of the network while being compatible with the LoRaWAN protocol.
  • the second gateway has a first gateway communication interface for communication with a network server and a second gateway communication interface for communication with a first gateway.
  • the two gateway communication interfaces are different with regard to their communication interfaces for communication with other gateways, a network server and the resulting type of communication.
  • the first gateways are each integrated with a second gateway in a mesh gateway.
  • the first gateway and the second gateway are combined in one device.
  • the integrated first gateways communicate with one another by means of a multi-hub radio network, while at least one integrated second gateway is connected to the network server NS via the standard Internet protocol.
  • the LoRaWAN mesh gateway network is a wireless multi-hop radio network. Gateways are connected to each other via a multi-hop mesh network, so the gateway does not need a direct connection while communicating with the end devices. At the same time, this extends the range of the LoRaWAN network, because the gateways are connected to each other via the meshed multi-hop network and can therefore forward the data from the end devices to the Internet network server. This removes the range limitation of the direct connection between the end device and gateway provided by the LoRaWAN standard.
  • FIG. 4 Sequence diagram of LoRaWAN mesh gateway network with mesh gateways with a sub-server unit - Gateway Announcement
  • Fig. 6 a LoRaWAN mesh gateway network with end devices, a network server, mesh gateways and a second server
  • Fig. 6 b LoRaWAN mesh gateway network with end devices, a network server, mesh gateways and second servers at the same time
  • Fig. 7 a LoRaWAN network with end devices, frontend gateways, border gateways, a network server and a second server
  • Fig. 7 b LoRaWAN network with end devices, front-end gateways, border gateways, a network server, front-end gateways are second servers at the same time
  • Fig. 7 c LoRaWAN network with end devices, frontend gateways, border gateways, a network server, frontend gateways and border gateways are second servers at the same time
  • mesh gateways are also second servers
  • FIG. 1 shows a previously known standard LoRa radio network with the typical star topology in which one or more terminals EDn are connected directly (single hub) to gateways G1, G2, Gn via radio using LoRa modulation or FSK modulation FSK and communicate with the Internet network server NS via the gateways G1, G2, Gn using a standard Internet protocol IP.
  • FIG. 2 shows a sequence diagram of a known standard LoRaWAN network
  • a message ME such as a join request
  • the gateway G1 forwards this message ME on gf to the network server NS, which on the one hand forwards the message ME to the application server AS and on the other generates a response MS ar, which is sent back to the gateway G1 ns.
  • the gateway G1 in turn forwards this message MS to the terminal ED.
  • this communication takes place very quickly because each end device ED communicates with the network server NS via a gateway.
  • FIG. 3 shows a sequence diagram of a LoRaWAN mesh gateway network 1 that no longer has the typical star architecture.
  • several mesh gateways MGD1, MGD2, MGDn are arranged between the terminal ED and the network server NS, not all of which have a single-hop connection to the network server NS.
  • a request ME generated by a terminal ED such as a link check request, must first be forwarded g1-f, g2-f via a number of mesh gateways MGD1, MGD2, MGDn before the request can reach a network server NS n-r.
  • the network server NS forwards this message ME on n-r to the application server AS, generates a response message MS and sends it back n-s to the next mesh gateway MGD2.
  • the mesh gateways MGD1, MGD2, MGDn forward the message g1-f, g2-f back to the terminal ED, which receives the response message MS e-r.
  • the response message cMS is encrypted on the mesh gateway MGD1 and sent encrypted in this way to the terminal ED.
  • a mesh gateway MGD1, MGD2, MGDn has a sub-server unit that takes over part of the functionality of a network server NS.
  • the terminal ED in turn sends a join request ME to the next mesh gateway MGD1.
  • the mesh gateway MGD1 generates gMG and cMG encrypts a response message cMG and sends this directly back to the terminal ED g1-s.
  • the terminal ED receives the response message cMG from the mesh gateway MGD1 within the receive window and remains in proper operation.
  • the mesh gateway MGD1 forwards the request ME from the terminal ED to the next mesh gateway MGD2 g1-f. This ensures that both a time-out error in the terminal ED is avoided and the request ME from the terminal ED is forwarded g1-f, g2-f to the network server NS via the mesh gateways MGD1, MGD2, MGDn.
  • the network server NS receives the request from the terminal device ED, forwards the request to the application server AS nr and generates ns a reply message MS, which is sent via the forwarding g1-f, g2-f of the mesh gateways MGD1, MGD2, MGDn is sent back to the terminal ED.
  • FIG. 5 shows a preferred embodiment of the invention.
  • the communication in an extensive LoRaWAN mesh gateway network is shown here, which has a large number of terminals ED and mesh gateways MGD1, MGD2, MGDn.
  • At least some mesh gateways MGD1, MGD2, MGDn have a sub-server unit that takes over the functionalities of the network server NS.
  • a terminal ED of the LoRaWAN mesh gateway network sends a message ME1 with a check link request to the network server NS.
  • the message ME1 from the terminal ED is forwarded via a large number of mesh gateways MGD1, MGD2, MGDn g1-f, g2-f, gn-f before the network server NS receives the message ME1 no.
  • the nearest mesh gateway MGD1 stores information about the sME sent message ME1 of the terminal ED, with the help of which the mesh gateway MGD1 can identify the message ME1.
  • the network server NS forwards the message ME1 to the application server AS and generates a response message MS, which the network server NS sends back to the terminal ED via the multiplicity of mesh gateways MGD1, MGD2, MGDn ns.
  • the end device ED is put into time-out mode e-t.
  • the terminal ED again sends a message ME2, which corresponds to the message ME1, to the network server NS. If the terminal ED again does not receive a response message MS from the network server NS, the terminal goes into the time-out mode e-t again until it can reset itself independently.
  • the terminal tries three times to send e-s the message ME1, ME2, ME3 without being able to receive a reply message MS from the network server NS from the terminal ED within the respective receive window.
  • the response message MS from the network server NS reaches the gateway G1 closest to the terminal ED.
  • the sub-server unit SSE of the mesh gateway MGD1 checks the response message MS from the network server NS and assigns it to g1-c based on the information stored about the original message M1 from the terminal ED to identify the message M1 of the original message ME1 from the terminal ED and stores sMS and cMS also encrypts the response message MS of the network server NS.
  • the terminal ED After the terminal ED has been reset after the third time-out et has expired, the terminal ED sends the original message ME4 a fourth time e-se.
  • FIG. 6 shows an embodiment of the LoRaWAN mesh gateway network 1 according to the invention, in which the first and second gateways Gn (see FIGS. 1, 3) are combined in one device. These so-called mesh gateways MGDn are a combination of a first gateway G1 and a second gateway G2.
  • the mesh gateways MGDn communicate with each other using a multi-hub radio network MHF, and at least one mesh gateway MGDn—in this exemplary embodiment, the mesh gateways MGD3, MGD5, MGD7—is connected to the network server NS via the standard Internet protocol IP.
  • the LoRaWAN mesh gateway network 1 has a second server ZS (FIG. 6a), which executes the functionalities of the network server NS.
  • the second server ZS is also connected to the application server AS like the network server NS.
  • the second server ZS has a sub-server unit with a processor and memory unit, which is equipped with a program and/or operating system and/or firmware that is suitable for executing functionalities provided for the network server NS according to the LoRaWAN protocol.
  • all mesh gateways MGDn have a sub-server unit with a processor and memory unit that is equipped with a program and/or operating system and/or firmware that is suitable for this is. to execute functionalities provided for the network server NS according to the LoRaWAN protocol. All mesh gateways MGDn are therefore also second servers ZSn and are connected to the application server AS.
  • the LoRaWAN mesh gateway network 1 according to the invention is therefore constructed with any degree of redundancy and has a high level of failsafety that can in particular be expanded at will.
  • FIG. 7 schematically shows the structure of the components arranged in the LoRaWAN mesh gateway network 1.
  • a terminal EDn has in addition to the other components owed to the actual function of the end device have a communication interface only to a gateway FGDn, the connection is wireless via LoRa (chirping frequency spread modulation) or FSK (frequency modulation).
  • LoRa chirping frequency spread modulation
  • FSK frequency modulation
  • a front-end gateway FGDn has a communication interface both to a terminal EDn for data exchange and sending the ACK signal and to a border gateway BGDn.
  • the connection to the border gateway BGDn can be made in particular via a meshed multi-hop network, while the connection to the terminal EDn is a single-hop connection.
  • the two communication interfaces of the front-end gateway FGDn use different communication channels, so that the sender can be assigned via the communication channel used.
  • a border gateway BGDn has a communication interface to a front-end gateway FGD and to the network server NS.
  • the border gateway BGDn then sends the data from a terminal EDn, which was sent to the border gateway BGDn via a single-hop and multi-hop connection, directly to the network server NS using an Internet protocol IP.
  • the communication of the border gateway BGD with the network server NS can be wired or wireless.
  • Each communication interface of the border gateway BGD uses its own communication channel, which is different from that of the other communication interfaces.
  • the second server ZS which executes the functionalities of the network server NS, can be arranged as an independent device in the LoRaWAN mesh gateway network 1 (FIG. 7a). At least one front-end gateway FGDn is connected to the second server ZS.
  • the second server ZSn can also be implemented in the front-end gateways FGDn in such a way that the front-end gateways FGDn have a sub-server unit with a processor and memory unit (FIG. 7b).
  • all front-end gateways FGDn and all border gateways BGDn have a sub-server unit with a processor and memory unit and act as second servers ZSn.
  • FIG. 8 shows an embodiment of the LoRaWAN mesh gateway network 1 in which front-end gateways FGDn and border gateways BGDn are combined in one device.
  • the mesh gateways MGDn are a combination of the front-end gateways FGDn and the border gateways BGDn (see FIG. 7).
  • the mesh gateways MGDn communicate with one another via a multi-hop radio network MHF, and at least one mesh gateway MGD is connected to the network server NS via the standard Internet protocol IP.
  • a mesh gateway MGDn has an ACK signal generation unit and, after receiving a message from a terminal EDn, sends an ACK signal ACK to the terminal EDn that sent the message.
  • the end device does not have to have a permanently active download-receive window and therefore be permanently active, as with a class C end device, but can also be a class A or B end device according to the LoRaWAN specification, for example.
  • the power consumption and the service life of the terminal EDn are thus increased. The failure of a terminal EDn due to internal errors is avoided.
  • All mesh gateways MGDn have a sub-server unit with a processor and memory unit, which is equipped with a program and/or operating system and/or firmware that is suitable for this. to execute functionalities provided for the network server NS according to the LoRaWAN protocol. All mesh gateways MGDn are therefore also second servers ZSn and are connected to the application server AS.
  • the first gateways G1 and the second gateways G2 are connected to one another via a meshed multi-hub radio network MHD.
  • the first gateway G1 does not require a direct Internet connection 8 while it communicates with the standard terminals EDn.
  • the range of the LoRa WAN network is significantly extended because the first gateway G1 is connected to the second gateway G2 via the meshed multi-hub radio network MHF and can forward the data from the end devices EDn to the Internet network server NS. This eliminates the range limitation of the direct connection between end devices EDn and gateways Gn provided by the LoRa WAN standard.
  • the invention provides full compatibility with commercially available LoRa end devices EDn, because the first gateway G1 and the standard LoRa WAN radio protocol comply with the standard LoRa radio link.
  • the second gateway G2 also uses the standard Internet protocol IP for communication with the LoRA WAN network server NS, so that full compatibility is also established on this side.
  • the invention therefore enables the range of LoRA WAN networks to be extended by interposing a multi-hub radio network MHF using first gateways G1 and thereby maintaining full compatibility with the LoRa WAN specification.
  • This type of wireless network is particularly suitable in remote, rural areas where there is neither a wired Internet connection nor suitable mobile network coverage (5G, 4G/LTE, 3G) and thus the star-shaped network topology provided by the LoRa network, where the gateway Gn requires a direct Internet connection IP is not possible.
  • the invention is not limited to the illustrated embodiments.
  • Wired connection e-s sending of messages from the terminal e-r receiving of messages from the terminal e-t time-out error on the terminal e-se sending and receiving of messages from the terminal g-f, g1-f, g2-f, gn-f forwarding of messages from the gateway g1-s sending of messages from the gateway g1-c message check from gateway n-r message receipt on network server n-s message dispatch from network server a-r message receipt on application server

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Abstract

The invention relates to a method for communicating in a LoRaWAN mesh gateway network, wherein the LoRaWAN mesh gateway network has a plurality of terminals, a plurality of gateways and a network server. The LoRaWAN mesh gateway network has a second server capable of executing server functions of the communication method which are provided for the network server according to the LoRaWAN protocol.

Description

L O RAWA N -GAT EWAY- N ETZW E R K U N D V E R FA H R E N L O RAWA N GAT EWAY N ETW O R CUSTOMERS AND PROCEDURES
Die Erfindung betrifft die Erweiterung eines Niedrig-Energie-Weitverkehrsnetzwerks, auch Low Power Wide Area Network (LPWAN), speziell eines Long Range Wide Area Netzwerks (LoRaWAN), einer Spezifikation für drahtlose, Batterie-betriebene Systeme in einem regionalen, nationalen oder auch globalen Netzwerk. LoRaWAN bedient die wichtigsten Anforderungen des Internets der Dinge (Internet of Things, loT), insbesondere eine sichere bidirektionale Kommunikation, Lokalisierung und Mobilität. Die LoRaWAN- Spezifikation ist ein Schichtprotokoll (Media Access Control MAC) und wurde für große öffentliche Netze mit einem einzigen Betreiber konzipiert. Sie basiert auf dem Modulationsschema LoRa der Firma Semtech und bietet eine nahtlose Zusammenarbeit von verschiedenen Systemen und Techniken ohne die Notwendigkeit starrer, lokaler, komplexer Installationen. The invention relates to the expansion of a low-energy wide area network, also Low Power Wide Area Network (LPWAN), especially a Long Range Wide Area Network (LoRaWAN), a specification for wireless, battery-operated systems in a regional, national or global Network. LoRaWAN serves the most important requirements of the Internet of Things (loT), in particular secure bidirectional communication, localization and mobility. The LoRaWAN specification is a layered protocol (Media Access Control MAC) and was designed for large public networks with a single operator. It is based on the LoRa modulation scheme from Semtech and offers seamless cooperation between different systems and technologies without the need for rigid, local, complex installations.
Die Netzwerk-Architektur des LoRaWAN ist typischerweise in einer Sterntopologie aufgebaut, bei der Gateways als transparente Brücke fungieren, welche Nachrichten zwischen Endgeräten und einem zentralen Netzwerk-Server, Endgeräten und Back-Endweiterleiten. Die Gateways werden dabei über eine Standard-IP-Verbindung mit einem entsprechenden Netzwerk-Server verbunden, während die Endgeräte eine Single-Hop- Wireless-Kommunikation (LoRa) zu einem oder auch mehreren Gateways verwenden. Die Endpunktkommunikation ist in der Regel bidirektional und unterstützt auch den Betrieb beispielsweise von Multi-Cast-Enabling-Software-Upgrade über die Luft oder andere Möglichkeiten zur Massenverteilung von Nachrichten, um über die Luftkommunikation die Übermittlungsdauer zu reduzieren. Die Kommunikation zwischen Gateways und Endgeräten verteilt sich auf unterschiedliche Datenraten und Frequenzkanäle, wobei die Auswahl der Datenrate ein Kompromiss zwischen Nachrichtendauer und Kommunikationsbereich darstellt. Durch die sogenannte Spread- Spectrum-Technologie wird die Kommunikation mit verschiedenen Datenraten nicht gegenseitig gestört und schafft eine Reihe von virtuellen Kanälen, die die Kapazität der jeweiligen Gateways erhöhen. Die LoRaWAN-Datenraten reichen von 0,3 kbps bis hin zu 50 kbps. Um die Batterielebensdauer der gesamten Netzwerk-Kapazität und Endgeräte zu maximieren, verwaltet der LoRaWAN Netzwerk-Server die HF-Ausgabe und die Datenrate für alle Endgeräte individuell unter Zuhilfenahme eines adaptiven Datenraten- Schemas. Während LoRaWAN das Kommunikationsprotokoll und die Systemrechte für das Netzwerk definiert, ermöglicht die LoRa-Schicht eine weitreichende drahtlose Kommunikationsverbindung. LoRa beinhaltet eine drahtlose Kommunikation mit sehr geringem Stromverbrauch. LoRaWAN bezieht sich auf ein Netzwerk-Protokoll mit LoRa- Chips für die Kommunikation und basiert auf einer Basisstation, die acht Frequenzen mit mehreren Spreizfaktoren mit fast 42 Kanälen überwachen kann. Mit seiner Sterntopologie (LoRaWAN) und der energiesparenden Signalübertragungstechnik (LoRa) ist diese Netzwerktechnologie LoRaWAN gezielt für die energieeffiziente und sichere Vernetzung von Endgeräten im Internet of Things ausgelegt und insbesondere auch für den Einsatz im Außenbereich geeignet. The network architecture of the LoRaWAN is typically built in a star topology, with gateways acting as a transparent bridge that forward messages between end devices and a central network server, end devices and back-end. The gateways are connected to a corresponding network server via a standard IP connection, while the end devices use single-hop wireless communication (LoRa) to one or more gateways. Endpoint communication is typically bi-directional and also supports operation of, for example, multi-cast enabling software upgrade over the air or other means of bulk message distribution to reduce transmission time over air communication. The communication between gateways and end devices is distributed over different data rates and frequency channels, whereby the selection of the data rate represents a compromise between the message duration and the communication area. Thanks to the so-called spread spectrum technology, communication with different data rates does not interfere with each other and creates a series of virtual channels that increase the capacity of the respective gateways. LoRaWAN data rates range from 0.3 kbps all the way up to 50 kbps. In order to maximize the battery life of the entire network capacity and end devices, the LoRaWAN network server manages the RF output and the data rate for all end devices individually using an adaptive data rate scheme. While LoRaWAN defines the communication protocol and system rights for the network, the LoRa layer enables a long-range wireless communication link. LoRa includes wireless communication with very low power consumption. LoRaWAN refers to a network protocol using LoRa chips for communication and is based on a base station that can monitor eight frequencies with multiple spreading factors with almost 42 channels. With its star topology (LoRaWAN) and energy-saving signal transmission technology (LoRa), this LoRaWAN network technology is specifically designed for the energy-efficient and secure networking of end devices in the Internet of Things and is particularly suitable for outdoor use.
Dieses Internet der Dinge stellt an die verwendete Netzwerktechnik verschiedene Anforderungen. Die Architektur ist dabei für tausende von Knoten Endgeräten ausgelegt, die auch weitentfernt, an besiedelten, nicht besiedelten Gebieten und an schwer zugänglichen Orten liegen können und umfasst etwa Sensoren, die den Wasserfluss oder Beregnungsanlagen überwachen, wie auch Verbrauchszähler und vieles mehr. Die Anforderungen der Anwendung im Außenbereich muss Batterie-betriebene Sensorknoten Endgeräte sicher unterstützen und gleichzeitig die Installation und Wartung stark vereinfachen, so dass nur ein Funkbetrieb in Betracht kommt. Auch sind strikte Stromverbrauchsvorgaben für Endknoten Endgeräte zu berücksichtigen, da sie über viele Jahre nur mit einer einzigen Batterie betrieben werden müssen. This Internet of Things places various demands on the network technology used. The architecture is designed for thousands of node end devices, which can also be located far away, in populated or unpopulated areas and in places that are difficult to access, and includes sensors that monitor the water flow or sprinkler systems, as well as consumption meters and much more. The requirements of the outdoor application must securely support battery-operated sensor nodes end devices and at the same time greatly simplify installation and maintenance, so that only radio operation can be considered. Strict power consumption requirements for end node end devices must also be taken into account, since they only have to be operated with a single battery for many years.
LoRa kommt mit besonders geringer Energie aus und basiert auf einer Zirpenfrequenzspreizungsmodulation entsprechend dem US-Patent US 7791415 B2. Lizenzen zur Nutzung werden durch ein Gründungsmitglied des Industriekonsortiums, die Firma Semtech vergeben. LoRa verwendet lizenz- und genehmigungsfreie Funkfrequenzen im Bereich unter 1GHz, wie zum Beispiel 433MHz und 868MHz in Europa oder 915MHz in Australien und Nordamerika und erlaubt damit eine Reichweite von mehr als 10 Kilometern in ländlichen Gebieten bei geringstem Energieverbrauch. Die LoRa-Technik besteht einerseits aus dem physikalischen LoRa-Protokoll und dem LoRaWAN-Protokoll, das als obere Netzwerkschicht von dem Industriekonsortium LoRa Alliance definiert und verwaltet wird. LoRaWAN- Netzwerke setzen eine sternförmige Architektur mittels Gateways-Nachrichtenpaketen zwischen den Endgeräten und dem zentralen Netzwerkserver um. Die Gateways (auch Konzentratoren oder Basisstationen genannt) sind an den Netzwerkserver über das Standard-Internet-Protokoll angebunden, während die Endgeräte per Funk über LoRa (Zirpenfrequenzspreizungsmodulation) oder FSK (Frequenzmodulation) mit dem jeweiligen Gateway kommunizieren. Die Funkanbindung ist somit ein Single-Hop-Netzwerk, bei dem die Endgeräte direkt mit einem oder mehreren Gateways kommunizieren, die den Datenverkehr dann ans Internet weiterleiten. Umgekehrt wird der Datenverkehr vom Netzwerk-Server zu einem Endgerät nur über ein Gateway geführt. Die Datenkommunikation funktioniert grundsätzlich in beide Richtungen, allerdings ist der Datenverkehr vom Endgerät zum Netzwerk-Server die typische Anwendung und die vorherrschende Betriebsart. Durch die Überbrückung größerer Entfernungen bei einem sehr niedrigen Energieverbrauch ist LoRaWAN insbesondere für loT-Anwendungen außerhalb von Siedlungen, wie zum Beispiel für automatische Bewässerungssysteme oder die Messung von Umweltparametern in der Landwirtschaft geeignet. LoRa gets by with particularly low energy and is based on a chirp frequency spread modulation according to US patent US 7791415 B2. Licenses for use are issued by a founding member of the industrial consortium, the company Semtech. LoRa uses license and permit-free radio frequencies in the range below 1GHz, such as 433MHz and 868MHz in Europe or 915MHz in Australia and North America, allowing a range of more than 10 kilometers in rural areas with the lowest energy consumption. The LoRa technology consists on the one hand of the physical LoRa protocol and the LoRaWAN protocol, which is defined and managed as the upper network layer by the industrial consortium LoRa Alliance. LoRaWAN networks implement a star-shaped architecture using gateway message packets between the end devices and the central network server. The gateways (also called concentrators or base stations) are connected to the network server via the standard Internet protocol, while the end devices communicate with the respective gateway by radio using LoRa (chirp frequency spread modulation) or FSK (frequency modulation). The wireless connection is therefore a single-hop network in which the end devices communicate directly with one or more gateways, which then forward the data traffic to the Internet. Conversely, data traffic from the network server to an end device is only routed via a gateway. Data communication basically works in both directions, but data traffic from the end device to the network server is the typical application and the predominant operating mode. By bridging larger distances with a very low energy consumption, LoRaWAN is particularly suitable for loT applications outside of settlements, such as for automatic irrigation systems or the measurement of environmental parameters in agriculture.
Auf der physikalischen Ebene nutzt LoRaWAN, wie andere Funkprotokolle für loT- Anwendungen, die Streu-Spektrum-Modulation. Sie unterscheidet sich durch die Verwendung einer adaptiven Technik, die auf Chirp-Signalen basiert, im Gegensatz zu herkömmlicher DSSS (Direktsequenz-Streu-Spektrum-Signalisierung). Die Chirp-Signale bieten einen Kompromiss zwischen Empfangsempfindlichkeit und maximaler Datenrate. Ein Chirp-Signal ist ein Signal, dessen Frequenz im Laufe der Zeit variiert. Die LoRaWAN- Technik lässt sich kostengünstig implementieren, da sie nicht auf eine präzise Taktquelle angewiesen ist. Die Reichweiten von LoRa erstrecken sich bis zu 40 Kilometer in ländlichen Gebieten. In der Stadt liegt der Vorteil in einer guten Gebäudedurchdringung, da auch Keller erreichbar sind. Der Strombedarf liegt mit rund 10 nA und 100 nA im Ruhemodus sehr niedrig. Somit ist eine Batterie-Lebensdauer von bis zu 15 Jahren erreichbar. At the physical level, LoRaWAN, like other radio protocols for loT applications, uses spread spectrum modulation. It differs by using an adaptive technique based on chirp signals as opposed to traditional DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum Signalling). The chirp signals offer a compromise between reception sensitivity and maximum data rate. A chirp signal is a signal whose frequency varies over time. LoRaWAN technology is inexpensive to implement because it does not rely on a precise clock source. LoRa ranges are up to 40 kilometers in rural areas. In the city, the advantage lies in good building penetration, since basements are also accessible. The current requirement is around 10 nA and 100 nA in the Quiet mode very low. This means that a battery life of up to 15 years can be achieved.
Zusätzlich zur physikalischen Ebene definiert LoRa/LoRaWAN zwei weitere Schichten. Ebene 2 ist die LoRaWAN-Verbindungsebene, die einen grundlegenden Schutz der Nachrichtenintegrität auf der Basis zyklischer Redundanzprüfungen bietet und eine grundlegende Punkt-zu-Punkt-Kommunikation ermöglicht. Die dritte Ebene fügt die Netzwerk-Protokoll-Funktion hinzu, welche durch LoRaWAN definiert wird. Das LoRaWAN-Protokoll bietet Knoten-Endgeräten dabei die Möglichkeit, sich gegenseitig zu lokalisieren oder Daten über das Internet mithilfe des einen Gateways (auch Konzentrator oder Basisstation genannt) in das Internet, insbesondere in eine Cloud zu einer Cloud- Applikation zu senden bzw. zu empfangen. In addition to the physical layer, LoRa/LoRaWAN defines two further layers. Layer 2 is the LoRaWAN link layer, which provides basic message integrity protection based on cyclic redundancy checks and enables basic point-to-point communication. The third layer adds the network protocol function defined by LoRaWAN. The LoRaWAN protocol offers node end devices the option of locating each other or sending or sending data over the Internet using a gateway (also called a concentrator or base station) to the Internet, in particular to a cloud to a cloud application receive.
Für die Endgeräte gibt es verschiedene bidirektionale Varianten. Klasse A umfasst eine Kommunikation nach dem ALOHA-Zugriffsverfahren. Bei diesem Verfahren sendet das Gerät seine erzeugten Datenpakete an das Gateway, gefolgt von zwei Download- Receive-Fenstern, die für einen Datenempfang genutzt werden können. Ein erneuter Datentransfer kann nur durch das Endgerät bei einem erneuten Upload initiiert werden. Klasse B Endgeräte öffnen hingegen zu festgelegten Zeiten Download-Receive-Fenster. Dazu empfängt das Endgerät ein zeitgesteuertes Beacon-Signal vom Gateway. Damit weiß ein Netzwerk-Server, wann das Endgerät zum Empfang von Daten bereit ist. Endgeräte der Klasse C besitzen ein permanent geöffnetes Download-Receive-Fenster und sind damit permanent aktiv, weisen aber auch einen erhöhten Stromverbrauch auf. There are different bidirectional variants for the terminals. Class A includes communication based on the ALOHA access method. With this method, the device sends the data packets it has generated to the gateway, followed by two download-receive windows that can be used to receive data. A new data transfer can only be initiated by the end device with a new upload. Class B terminals, on the other hand, open download-receive windows at specified times. To do this, the end device receives a time-controlled beacon signal from the gateway. A network server thus knows when the end device is ready to receive data. Class C end devices have a permanently open download-receive window and are therefore permanently active, but also have an increased power consumption.
LoRaWAN definiert eine Stern-Topologie Netzwerkarchitektur, bei der alle die Blattknoten über das jeweils am besten geeignete Gateway kommunizieren. Diese Gateways übernehmen das Routing und können, wenn sich mehr als ein Gateway in der Reichweite eines Blattknotens befindet und das lokale Netzwerk überlastet ist, die Kommunikation auch auf eine Alternative umleiten. Einige andere loT-Protokolle (beispielsweise ZigBee oder Z-Wave) verwenden hingegen sogenannte Mesh-Netzwerkearchitekturen, um die maximale Entfernung eines Endgeräte Blattknotens von einem Gateway zu erhöhen. Die Endgeräte des Mesh-Netzwerks leiten dabei die Nachrichten untereinander weiter, bis diese ein Gateway erreichen, welche die Nachrichten an das Internet übergibt. Mesh-Netzwerke programmieren sich selbst und passen sich dynamisch an die Umgebungsbedingungen an, ohne einen Master-Controller oder eine Hierarchie zu benötigen. Um Nachrichten weiterleiten zu können, müssen die Endgeräte eines Mesh-Netzwerks jedoch entweder ständig oder in regelmäßigen Abständen empfangsbereit sein und können nicht über lange Zeiträume in den Ruhezustand versetzt werden. Die Folge ist ein höherer Energiebedarf der Knoten- Endgeräte für das Weiterleiten von Nachrichten zu und von den Gateways sowie eine daraus resultierende Verkürzung der Batterielebensdauer. LoRaWAN defines a star topology network architecture where all the leaf nodes communicate through the most appropriate gateway. These gateways handle routing and can also redirect communications to an alternative when more than one gateway is within range of a leaf node and the local network is congested. Some other loT protocols (e.g. ZigBee or Z-Wave), on the other hand, use so-called mesh network architectures to increase the maximum distance of a terminal leaf node from a gateway. The end devices of the mesh network forward the messages to each other until they reach a gateway, which transfers the messages to the Internet. Mesh networks self-program and dynamically adapt to environmental conditions without the need for a master controller or hierarchy. In order to be able to forward messages, however, the end devices of a mesh network must be ready to receive either constantly or at regular intervals and cannot be left in the idle state for long periods of time. The consequence is a higher energy requirement of the node end devices for forwarding messages to and from the gateways and a resulting reduction in battery life.
Die Stern-Netzwerkarchitektur von LoRaWAN erlaubt hingegen den Knoten (insbesondere Klasse A und B) sich über lange Zeiträume in den stromsparenden Ruhezustand zu versetzen und stellt dadurch sicher, dass die Batterie der Knoten so wenig wie möglich belastet wird und somit über mehrere Jahre ohne Batteriewechsel betrieben werden kann. Das Gateway fungiert dabei als Brücke zwischen einfachen und für die Batterielebensdauer optimierten Protokollen (LoRa / LoRaWAN), welche sich besser für ressourcenbeschränkte Endgeräte eignen, und dem Internetprotokoll (IP), das zur Bereitstellung von loT-Diensten und Anwendungen eingesetzt wird. Nachdem das Gateway die Datenpakete vom Endgerät über LoRa / LoRaWAN empfangen hat, sendet es diese über das Internetprotokoll (IP) an einen Netzwerk Server, der wiederum über Schnittstellen zu loT-Plattformen und Applikationen verfügt. The star network architecture of LoRaWAN, on the other hand, allows the nodes (especially class A and B) to go into the energy-saving sleep mode for long periods of time, thereby ensuring that the battery of the nodes is loaded as little as possible and thus for several years without changing the battery can be operated. The gateway acts as a bridge between simple protocols (LoRa / LoRaWAN) optimized for battery life, which are better suited for resource-constrained end devices, and the Internet Protocol (IP), which is used to provide loT services and applications. After the gateway has received the data packets from the end device via LoRa / LoRaWAN, it sends them via the Internet Protocol (IP) to a network server, which in turn has interfaces to loT platforms and applications.
Die Implementierung eines Multi-Hop-Funknetzwerkes in den LoRa Endgeräten, analog zu ZigBee oder Z-Wave, wie beispielsweise in den Entwicklungsplattformen für LoRa Endgeräte der Firma PyCom (LoPy4 und FiPy), löst zwar das Problem der Reichweitenbeschränkung vom Endgerät zum Gateway, indem es die Datenpakete von einem Endgerät zu einem anderen Endgerät weiterleitet, ist aber mit der LoRaWAN- Spezifikation nicht kompatibel, da die Endgeräte mit einer zusätzlichen Mesh-Funktion ausgestattet sein müssen. Bestehende LoRaWAN-kompatible Endgeräte können daher nicht von dieser Reichweitenverlängerung profitieren, da diese nur direkt mit einem Gateway Kontakt aufnehmen können und nicht in der Lage sind, indirekt über andere Endgeräte hinweg mit dem Gateway zu kommunizieren. The implementation of a multi-hop radio network in the LoRa end devices, analogous to ZigBee or Z-Wave, such as in the development platforms for LoRa end devices from the company PyCom (LoPy4 and FiPy), solves the problem of the range limitation from the end device to the gateway by it forwards the data packets from one end device to another end device, but is not compatible with the LoRaWAN specification because the end devices have an additional mesh function must be equipped. Existing LoRaWAN-compatible end devices can therefore not benefit from this range extension, as they can only contact a gateway directly and are not able to communicate indirectly with the gateway via other end devices.
Ein Lösungsansatz für die Implementation einer Mesh-Netzwerkarchitektur im Bereich WiFi ist der Standard 802.11s, der ein deterministisches Zugriffsverfahren für WLAN Netzwerke definiert, das Zeitabschnitte statt des konkurrierenden Zugriffs auf das Shared Medium nutzt. Zur Wegsuche zwischen den Knoten wird kein IP-Routing-Protokoll, sondern eine MAC-Ebene benutzt, um die spezifischen und sich ändernden Eigenschaften der Funkverbindung zu berücksichtigen. Hier kommt in der Regel ein eigens für Mesh entwickeltes Hybrid-Wireless-Mesh-Protokoll zum Einsatz. Der Standard 802.11s sieht die Installation dutzender Accesspoints vor, die nur per Funk miteinander verbunden werden. Hierbei ist die Weiterleitung über mehrere Accesspoints, auch als Multi-Hop bezeichnet, die Regel. Im Extremfall braucht hiervon nur ein einziger an ein LAN oder WAN angeschlossen zu sein. Jeder Knoten kann ein, zwei oder drei verschiedene Netzfunktionen ausführen: Mesh-Points reichen Daten zum nächsten Knoten weiter, Mesh-Access-Points tauschen Daten mit Endgeräten aus und Mesh-Point- Portale bilden die Gateways zur drahtgebundenen Netzwelt. Für die Endgeräte erscheint das Mesh-Netz wie ein einfaches WLAN. Da der Standard 802.11s für WLAN- Netzwerkarchitekturen definiert ist, ist eine Anwendung dieses Standards auf LoRaWAN Netzwerke, die wiederum auf dem LoRa Funkstandard aufsetzen, jedoch nicht direkt möglich. One solution for implementing a mesh network architecture in the WiFi area is the 802.11s standard, which defines a deterministic access method for WiFi networks that uses time periods instead of competing access to the shared medium. No IP routing protocol is used to find a path between the nodes, but rather a MAC level in order to take into account the specific and changing properties of the radio connection. A hybrid wireless mesh protocol specially developed for mesh is usually used here. The 802.11s standard provides for the installation of dozens of access points that are only connected to each other by radio. The rule here is forwarding via several access points, also referred to as multi-hop. In extreme cases, only one of these needs to be connected to a LAN or WAN. Each node can perform one, two or three different network functions: mesh points forward data to the next node, mesh access points exchange data with end devices and mesh point portals form the gateways to the wired network world. For the end devices, the mesh network appears like a simple WLAN. Since the 802.11s standard is defined for WLAN network architectures, it is not possible to apply this standard directly to LoRaWAN networks, which in turn are based on the LoRa wireless standard.
Die LoRaWAN-Architektur stellt hingegen sicher, dass die Batterie des loT-Knoten so wenig wie möglich belastet wird und somit für die jeweilige Anwendung passend und vorhersehbar dimensioniert werden kann. Das Gateway hingegen fungiert als Brücke zwischen einfacheren Protokollen, die sich besser für ressourcenbeschränkte Blattknoten eignen, und dem Internetprotokoll (IP), das zur Bereitstellung von loT-Diensten eingesetzt wird. Die Gateways senden Datenpakete an einen Server, der über Schnittstellen für loT- Plattformen und Applikationen verfügt. LoRaWAN kommt mit besonders geringer Energie aus und basiert auf einer Zirpenfrequenzspreizungsmodulation entsprechend dem US-Patent US 7791415 B2. Es kann besonders vorteilhaft für loT-Anwendungen sein, wie für Verbrauchsmessungen, Umweltparametermessungen, Messung von Energieeinträgen von Verkehrslenkung und Katastrophenschutz verwendet werden. The LoRaWAN architecture, on the other hand, ensures that the battery of the loT node is loaded as little as possible and can therefore be dimensioned appropriately and predictably for the respective application. The gateway, on the other hand, acts as a bridge between simpler protocols better suited to resource-constrained leaf nodes and the Internet Protocol (IP) used to provide IoT services. The gateways send data packets to a server that has interfaces for IoT platforms and applications. LoRaWAN uses particularly low energy and is based on chirp frequency spread modulation in accordance with US patent US 7791415 B2. It can be particularly advantageous for IoT applications, such as consumption measurements, environmental parameter measurements, measurement of energy inputs from traffic management and civil protection.
Um die Endgeräte und Gateways miteinander zu verbinden, werden im Gegensatz zu LoRaWAN bei anderen IOT(lnternet of Things)-Architekturen Mesh-Netzwerke eingesetzt, um Daten direkt miteinander über mehrere Stationen (Multi-Hop) auszutauschen und so die Reichweite des Funknetzwerks zu erweitern. Die einzelnen Knoten des Netzwerks bilden so einen drahtlosen Backbone. Die einzelnen Geräte müssen sich in gegenseitiger Reichweite befinden. Die Funkzellen müssen dabei größere Überlappungen aufweisen. Dadurch werden Mesh-Netze störanfälliger. Ein Lösungsansatz für dieses Problem ist der Standard 802.11s, der ein deterministisches Zugriffsverfahren definiert, das Zeitabschnitte statt des konkurrierenden Zugriffs auf das Shared Medium nutzt. Zur Wegsuche zwischen den Knoten wird kein IP-Routing-Protokoll, sondern eine MAC-Ebene benutzt, um die spezifischen und sich ändernden Eigenschaften der Funkverbindung zu berücksichtigen. Hier kommt ein eigens für Mesh entwickeltes Hybrid-Wireless-Mesh-Protokoll zum Einsatz. Der Standard 802.11s sieht die Installation dutzender Accesspoints vor, die nur per Funk miteinander verbunden werden. Hierbei ist die Weiterleitung über mehrere Accesspoints, auch als Multi-Hop bezeichnet, die Regel. Im Extremfall braucht hiervon nur ein einziger an ein LAN oder WAN angeschlossen zu sein. Mesh-Networking ist flexibel und erlaubt auch das Hinzufügen neuer Accesspoints. Jeder Knoten kann ein, zwei oder drei verschiedene Netzfunktionen ausführen: Mesh-Points reichen Daten zum nächsten Knoten weiter, Mesh-Access-Points tauschen Daten mit Endgeräten aus und Mesh-Point- Portale bilden die Gateways zur drahtgebundenen Netzwelt. Für die Endgeräte erscheint das Mesh-Netz wie ein einfaches WLAN. In contrast to LoRaWAN, other IOT (Internet of Things) architectures use mesh networks to connect the end devices and gateways with one another in order to exchange data directly with one another via several stations (multi-hop) and thus extend the range of the wireless network . The individual nodes of the network thus form a wireless backbone. The individual devices must be within range of each other. The radio cells must have larger overlaps. This makes mesh networks more susceptible to interference. One solution to this problem is the 802.11s standard, which defines a deterministic access method that uses time slots instead of competing access to the shared medium. No IP routing protocol is used to find a path between the nodes, but rather a MAC level in order to take into account the specific and changing properties of the radio connection. A hybrid wireless mesh protocol specially developed for mesh is used here. The 802.11s standard provides for the installation of dozens of access points that are only connected to each other by radio. The rule here is forwarding via several access points, also referred to as multi-hop. In extreme cases, only one of these needs to be connected to a LAN or WAN. Mesh networking is flexible and also allows the addition of new access points. Each node can perform one, two or three different network functions: mesh points forward data to the next node, mesh access points exchange data with end devices and mesh point portals form the gateways to the wired network world. For the end devices, the mesh network appears like a simple WLAN.
Es ist bereits bekannt, dass die Reichweite von Funknetzwerken durch vermaschte Funk-It is already known that the range of wireless networks is limited by meshed wireless
Netzwerke erhöht und bei denen Vermaschung der Endgeräte erreicht werden kann, wobei sich die Endgeräte untereinander unterhalten und die Daten ohne besondere Hierarchie untereinander einfach weiterleiten, bis ein Endgerät schließlich die Daten an ein Gateway übergeben kann. Mit diesem sogenannten vermaschten Multi-Hop- Netzwerken lässt sich die Reichweitenbeschränkung von einer einzelnen Funkverbindung aufheben, indem die Informationen bzw. Daten solange weitergeleitet werden, bis sie den gewünschten Empfänger erreichen. Networks increased and where meshing of the end devices can be achieved, The end devices talk to each other and simply forward the data to one another without any particular hierarchy, until an end device can finally transfer the data to a gateway. With these so-called meshed multi-hop networks, the range limitation of a single radio connection can be lifted by forwarding the information or data until it reaches the desired recipient.
Die Implementierung eines solchen vermaschten Multi-Hop-Funknetzwerkes in die Endgeräte löst zwar das Problem der Reichweitenbeschränkung vom Gateway zum Endgerät, indem es die Datenpakete von einem Endgerät zu einem anderen Endgerät weiterleitet, ist aber mit der LoRaWAN-Spezifikation nicht kompatibel, da hier spezielle Endgeräte mit einer zusätzlichen Vermaschungsfunktion zum Einsatz kommen. Daher können nicht sämtliche Standard LoRaWAN-kompatiblen Endgeräte mit dieser Reichweitenverlängerung operieren, da Standard-LoRaWAN-Endgeräte nur direkt mit einem Gateway Kontakt aufnehmen können. Sie sind nicht in der Lage, direkt mit anderen Endgeräten zu kommunizieren. Die Reichweitenverlängerung ist somit mit dem LoRaWAN-Netzwerk-Standard nicht kompatibel und kann daher nicht die Netzwerkerweiterung der vermaschten Endgeräte nutzen. Although the implementation of such a meshed multi-hop radio network in the end devices solves the problem of the range limitation from the gateway to the end device by forwarding the data packets from one end device to another end device, it is not compatible with the LoRaWAN specification, since special End devices with an additional meshing function are used. Therefore, not all standard LoRaWAN-compatible end devices can operate with this range extension, since standard LoRaWAN end devices can only contact a gateway directly. You are not able to communicate directly with other end devices. The range extension is therefore not compatible with the LoRaWAN network standard and therefore cannot use the network extension of the meshed end devices.
Bestehende LoRaWAN- Netzwerke weisen aber auch weitere unerwünschte Einschränkungen auf. Eine solche Einschränkung stellt insbesondere die Verwendung des Standard-IP-Protokolls zwischen Gateway und Netzwerkserver dar. Gerade beim Einsatz in ländlichen Gebieten, in denen die Netzabdeckung zum Mobilfunk (3G, 4G/LTE oder auch 5G) spärlich oder gar nicht vorhanden ist und eine kabelgebundene Internetanbindung zu aufwendig wäre, kann ein Gateway mangels Internetverbindung oft nicht betrieben werden. LoRa-Netzwerke können daher bislang nur dort eingesetzt werden, wo die maximale Funkreichweite zwischen dem Internet angebundenen Gateway und den Endgeräten nicht überschritten wird. Werden LoRaWAN-Netzwerke mit Mesh-Gateways erweitert, kann eine größere Reichweite oder Flächenabdeckung in Gegenden ohne Zugang zum Internet mit einem LoRaWAN-Netzwerk realisiert werden. Hierzu sind lediglich einzelne Gateways nötig, die über ein IP-Protokoll mit dem Netzserver verbunden sind. Allerdings ist auch hier kein unbegrenzt großes Netzwerk möglich, da gemäß LoRaWAN-Protokoll Endgeräte der Klasse A lediglich zwei Receive-Fenster aufweisen und demnach die Zeitspanne, in der sie eine Antwort erwarten, begrenzt ist. Wird diese Zeit überschritten, so kommt es zu einem Timeout-Fehler und die Kommunikation zumindest mit diesem einen Endgerät bricht zusammen. Zudem sind insbesondere bei einer Off-Grid-Nutzung, d.h. ohne eigene Stromversorgung die Nutzungszeiten der Endgeräte sehr gering. However, existing LoRaWAN networks also have other undesirable limitations. One such limitation is the use of the standard IP protocol between the gateway and network server. Especially when used in rural areas where the network coverage for mobile communications (3G, 4G/LTE or even 5G) is sparse or non-existent and a wired Internet connection would be too expensive, a gateway often cannot be operated due to a lack of an Internet connection. So far, LoRa networks can only be used where the maximum radio range between the Internet-connected gateway and the end devices is not exceeded. If LoRaWAN networks are extended with mesh gateways, a larger range or area coverage in areas without access to the Internet can be realized with a LoRaWAN network. Only individual gateways are required for this, which are connected to the network server via an IP protocol. However, an unlimited network is not possible here either, since according to the LoRaWAN protocol, end devices of class A only have two receive windows and therefore the time span in which they expect a response is limited. If this time is exceeded, a timeout error occurs and communication with at least this one end device breaks down. In addition, the usage times of the end devices are very short, especially in the case of off-grid use, ie without their own power supply.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Lösung für die Reichweitenbeschränkung vom Netzserver zum Endgerät bereit zu stellen, mit der auch bestehende LoRaWAN- kompatible Endgeräte ebenfalls von einer Reichweitenverlängerung profitieren, ohne zusätzliche Funktionen in die Endgeräte implementieren zu müssen oder bei der Verwendung der Endgeräte auf Endgeräte der Klasse C beschränkt zu sein. The object of the invention is therefore to provide a solution for limiting the range from the network server to the end device, with which existing LoRaWAN-compatible end devices also benefit from a range extension without having to implement additional functions in the end devices or when using the end devices Class C terminals to be restricted.
Es ist ebenfalls Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Kommunikation in einem LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerk bereitzustellen, mit dem die Reichweitenbeschränkung vom Netzserver zum Endgerät negiert wird und außerdem eine höhere Ausfallsicherheit gewährleistet wird. It is also an object of the invention to provide a method for communication in a LoRaWAN mesh gateway network, with which the range limitation from the network server to the end device is negated and greater reliability is also ensured.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Kommunikation in einem LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerk vor, bei dem das LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerk über mehrere Endgeräte, mehrere Gateways und einen Netzwerkserver (NS) verfügt. Erfindungsgemäß führt ein zweiter Server Server- Funktionen des Kommunikationsverfahrens aus, die gemäß LoRaWAN-Protokoll eigentlich für den Netzwerkserver vorgesehen sind. Wird der LoRaWAN-Standard auf sehr große Netzwerke portiert, in denen nicht mehr alle Gateways über eine Single-Hop- Verbindung zum Netzwerkserver verfügen, sondern die Kommunikation über dazwischengeschaltete Mesh-Gateways erfolgt, kann es zu langen Laufzeiten von Mitteilungen zwischen den Endgeräten und dem Netzwerkserver kommen. Infolge dieser langen Laufzeiten kann es nun dazu kommen, dass eine Mitteilung vom Netzwerkserver ein Endgerät nicht mehr innerhalb der beiden durch das LoRaWAN-Protokoll festgelegten Receive-Fenster erreicht und ein Time-out-Fehler auf dem Endgerät entsteht. Durch die Übernahme von Kommunikationsfunktionen des Netzwerkservers durch einen zweiten Server können die Laufzeiten der Mitteilungen verkürzt und Time-Out-Fehler des Endgeräts vermieden werden. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zudem sichergestellt, dass die Mitteilungen des Netzwerkservers an ein Endgerät korrekt an das Endgerät gesendet werden. Das Endgerät muss kein permanent aktives Download- Receive-Fenster besitzen und daher permanent aktiv sein, wie bei einem Endgerät der Klasse C, sondern kann beispielsweise auch ein Klasse A oder B Endgerät gemäß LoRaWAN-Spezifikation sein. Der Stromverbrauch wird stark verringert und die Lebensdauer des Endgerätes somit erhöht. Zusätzlich ist der zweite Server wie der Netzwerkserver mit dem Applikationsserver verbunden. Bei Ausfall des Netzwerkservers ist der Betrieb des LoRaWAN-Netzwerks gewährleistet. To solve this problem, the present invention proposes a method for communication in a LoRaWAN mesh gateway network, in which the LoRaWAN mesh gateway network has multiple terminals, multiple gateways and a network server (NS). According to the invention, a second server performs server functions of the communication method that are actually provided for the network server according to the LoRaWAN protocol. Will the LoRaWAN standard be ported to very large networks in which all gateways no longer have a single-hop connection to the network server, but communication via Intermediate mesh gateways takes place, it can lead to long runtimes of messages between the end devices and the network server. As a result of these long runtimes, it can now happen that a message from the network server no longer reaches an end device within the two receive windows specified by the LoRaWAN protocol and a time-out error occurs on the end device. By taking over the communication functions of the network server through a second server, the runtimes of the messages can be shortened and time-out errors of the terminal can be avoided. The method according to the invention also ensures that the messages from the network server to a terminal are sent correctly to the terminal. The end device does not have to have a permanently active download-receive window and therefore be permanently active, as with a class C end device, but can also be a class A or B end device according to the LoRaWAN specification, for example. The power consumption is greatly reduced and the service life of the end device is thus increased. In addition, the second server is connected to the application server like the network server. If the network server fails, the operation of the LoRaWAN network is guaranteed.
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens verfügt das LoRaWAN-Mesh- Gateway-Netzwerk über ein erstes Gateway und ein zweites Gateway, wobei das erste Gateway keine Single-Hop-Verbindung zu dem Netzwerkserver aufweist. Das erste Gateway ist vorteilhafterweise als zweiter Server ausgebildet und führt zusätzlich zum Netzwerkserver die Server-Funktionen des Kommunikationsverfahrens aus. In a development of the method according to the invention, the LoRaWAN mesh gateway network has a first gateway and a second gateway, with the first gateway not having a single-hop connection to the network server. The first gateway is advantageously designed as a second server and carries out the server functions of the communication method in addition to the network server.
Der Vorteil in der Verwendung von unterschiedlich ausgestatteten Gateways liegt in den Kosten. Nicht alle Gateways müssen über alle in dem LoRaWAN-Mesh-Gateway- Netzwerk benötigten Funktionen verfügen. Werden die jeweiligen Gateways nur mit denjenigen Funktionen ausgestattet, die sie an ihrer Position im LoRaWAN-Mesh- Gateway-Netzwerk benötigen, können beispielsweise infolge der verringerten Energiebedarfs oder eingesparter Hardware erhebliche Kosten eingespart werden. In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Verfahrens wird auf dem ersten Gateway eine verschlüsselte Gateway-Mitteilung generiert. Da es bei einem zu langen Weg von Endgerät zu Netzwerkserver zu einem Time-Out-Fehler auf dem Endgerät kommen kann, besteht eine weitere Möglichkeit anstelle des verzögerten Empfangs einer Server-Mitteilung vom Netzwerkserver eine verschlüsselte Gateway-Mitteilung direkt auf dem Gateway zu generieren. Die verschlüsselte Gateway-Mitteilung hat gleiche Inhalte und die gleiche Funktion wie die Netzwerkserver-Mitteilung. Durch die verschlüsselte Gateway-Mitteilung wird sichergestellt, dass eine Mitteilung des Gateways korrekt an das Endgerät gesendet wird und das Endgerät diese Mitteilung als Server-Mitteilung im Sinne des Kommunikationsprotokolls akzeptiert. Das Endgerät muss nicht ein permanent aktives Download-Receive-Fenster besitzen und daher permanent aktiv sein, wie bei einem Endgerät der Klasse C, sondern kann beispielsweise auch ein Klasse A oder B Endgerät gemäß LoRaWAN-Spezifikation sein. Der Stromverbrauch wird damit verringert und die Lebensdauer des Endgerätes erhöht. The advantage of using differently equipped gateways lies in the costs. Not all gateways need to have all the features required in the LoRaWAN mesh gateway network. If the respective gateways are only equipped with those functions that they require at their position in the LoRaWAN mesh gateway network, considerable costs can be saved, for example as a result of reduced energy requirements or saved hardware. In a further embodiment of the method according to the invention, an encrypted gateway message is generated on the first gateway. Since a time-out error can occur on the end device if the path from the end device to the network server is too long, there is another option, instead of the delayed receipt of a server message from the network server, to generate an encrypted gateway message directly on the gateway. The encrypted gateway message has the same content and function as the network server message. The encrypted gateway message ensures that a message from the gateway is sent correctly to the end device and that the end device accepts this message as a server message in terms of the communication protocol. The end device does not have to have a permanently active download-receive window and therefore be permanently active, as with a class C end device, but can also be a class A or B end device according to the LoRaWAN specification, for example. This reduces power consumption and increases the service life of the end device.
In einer Weiterführung der Erfindung erfolgt die Verschlüsselung der Gateway-Mitteilung auf dem ersten Gateway. Dadurch wird die zeitliche Verzögerung minimiert, ebenfalls wird sichergestellt, dass eine Mitteilung des Endgerätes an ein Gateway korrekt an das Gateway gesendet ist. In a further development of the invention, the gateway message is encrypted on the first gateway. This minimizes the time delay, and it is also ensured that a message from the terminal device to a gateway is sent correctly to the gateway.
Die Gateway-Mitteilung hat gleiche Inhalte und die gleiche Funktion wie die Server- Mitteilung. Durch die verschlüsselte Gateway-Mitteilung wird sichergestellt, dass eine Mitteilung des Gateways korrekt an das Endgerät gesendet wird und das Endgerät diese Mitteilung als Server-Mitteilung im Sinne des Kommunikationsprotokolls akzeptiert. Das Endgerät muss nicht ein permanent aktives Download-Receive-Fenster besitzen und daher permanent aktiv sein, wie bei einem Endgerät der Klasse C, sondern kann beispielsweise auch ein Klasse A oder B Endgerät gemäß LoRaWAN-Spezifikation sein. Der Stromverbrauch wird verringert und die Lebensdauer des Endgerätes somit erhöht. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei der verschlüsselten Endgeräte-Mitteilung um eine Mitteilung, auf die das Endgerät gemäß LoRaWAN- Protokoll eine Antwort vom Netzwerkserver erwartet. So steht die Gateway-Mitteilung als Alternative zur Server-Mitteilung direkt dann zur Verfügung, wenn das Endgerät eine Server-Mitteilung erwartet. Diese Funktion ist bei Standard-LoRaWAN-Netzwerken dem Netzwerkserver vorbehalten, wird hier aber vom Gateway selbst übernommen. Vorzugsweise speichert das dem Endgerät nächstgelegene Gateway die Endgeräte- Mitteilung. Durch die Speicherung der Endgeräte Mitteilung wird es dem Gateway möglich, die vom Netzwerk-Server generierte Antwort zuzuordnen und dann eine neue Antwort mit gleichem Inhalt zu generieren und zum gegebenenen Zeitpunkt an das Endgerät weiterzugeben. Das reduziert die Länge der Kommunikationszeiten und vermeidet so nicht endende Time-Out-Fehler auf dem Endgerät. Durch die Speicherung der Endgeräte Mitteilung wird es dem Gateway möglich, die vom Netzwerk-Server generierte Antwort zuzuordnen und dann eine neue Antwort mit gleichem Inhalt zu generieren und zum gegebenenen Zeitpunkt an das Endgerät weiterzugeben. The gateway message has the same content and function as the server message. The encrypted gateway message ensures that a message from the gateway is sent correctly to the end device and that the end device accepts this message as a server message in terms of the communication protocol. The end device does not have to have a permanently active download-receive window and therefore be permanently active, as with a class C end device, but can also be a class A or B end device according to the LoRaWAN specification, for example. The power consumption is reduced and the service life of the end device is thus increased. In a further embodiment of the invention, the encrypted terminal device message is a message to which the terminal device expects a response from the network server in accordance with the LoRaWAN protocol. In this way, the gateway message is available as an alternative to the server message directly when the end device is expecting a server message. In standard LoRaWAN networks, this function is reserved for the network server, but here it is taken over by the gateway itself. Preferably, the gateway closest to the terminal stores the terminal message. By storing the end device message, it is possible for the gateway to assign the response generated by the network server and then to generate a new response with the same content and to forward it to the end device at the given point in time. This reduces the length of the communication times and thus avoids never-ending time-out errors on the end device. By storing the end device message, it is possible for the gateway to assign the response generated by the network server and then to generate a new response with the same content and to forward it to the end device at the given point in time.
In einer weiteren Ausbildung der Erfindung leitet das erste Gateway die verschlüsselte Mitteilung an ein zweites Gateway und/oder den Netzwerkserver weiter. Damit wird eine Reichweitenverlängerung von LoRaWAN- Netzwerken erreicht, indem das Multi-Hop- Netzwerk mittels Gateways zwischenschaltet wird und somit eine vollständige Komptabilität zur LoRaWAN-Spezifikation beibehalten wird. Wenigstens ein Gateway kommuniziert mittels einer Standard-IP-Verbindung und unter Verwendung des LoRaWAN-Protokolls mit dem Netzwerk-Server. In a further embodiment of the invention, the first gateway forwards the encrypted message to a second gateway and/or the network server. This achieves an extension of the range of LoRaWAN networks by interposing the multi-hop network using gateways, thus maintaining full compatibility with the LoRaWAN specification. At least one gateway communicates with the network server via a standard IP connection and using the LoRaWAN protocol.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die verschlüsselte Gateway-Mitteilung vom Gateway an das Endgerät gesendet. Dies stellt sicher, dass das Endgerät auch empfangsbereit ist. In einer Weiterbildung der Erfindung wird die verschlüsselte Gateway-Mitteilung innerhalb eines Receive-Fensters des Endgerätes vom Gateway an das Endgerät gesendet. Dies stellt sicher, dass das Endgerät auch empfangsbereit ist. In a further embodiment of the invention, the encrypted gateway message is sent from the gateway to the terminal. This ensures that the end device is also ready to receive. In one development of the invention, the encrypted gateway message is sent from the gateway to the terminal device within a receive window of the terminal device. This ensures that the end device is also ready to receive.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Erfindung erfolgt der Versand der verschlüsselten Gateway-Mitteilung an das Endgerät und/oder der Endgeräte- Mitteilung an das Gateway über eine Single-Hop-Verbindung. Die Verbindung von Endgerät zu Gateway ist also eine direkte Verbindung mit nur einem Hop des Datenpaketes (der verschlüsselten Mitteilung). Der Netzwerkserver ist hierbei vom Endgerät über eine Multi-Hop-Verbindung erreichbar. Dies stellt sicher, dass die verschlüsselte Gateway-Mitteilung auf einem nahegelegenen Gateway generiert wird und sicher innerhalb der geöffneten Receive-Fenster das Endgerät erreicht. In a further embodiment of the invention, the encrypted gateway message is sent to the terminal device and/or the terminal device message is sent to the gateway via a single-hop connection. The connection from the end device to the gateway is therefore a direct connection with only one hop of the data packet (the encrypted message). The network server can be reached from the end device via a multi-hop connection. This ensures that the encrypted gateway message is generated on a nearby gateway and safely reaches the end device within the open receive window.
In einer erfindungsgemäßen Weiterbildung wird die verschlüsselte Gateway-Mitteilung auf dem Gateway generiert und/oder versandt. Dies stellt ebenfalls sicher, dass die verschlüsselte Gateway-Mitteilung auf einem dem Endgerät nahegelegenen ersten Gateway generiert wird und sicher innerhalb der geöffneten Receive-Fenster das Endgerät erreicht. In a development according to the invention, the encrypted gateway message is generated and/or sent on the gateway. This also ensures that the encrypted gateway message is generated on a first gateway that is close to the terminal and reaches the terminal securely within the open receive window.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kommuniziert wenigstens ein erstes Gateway mit mindestens einem zweiten Gateway über eine drahtlose Punkt-zu-Punkt- Verbindung. Die ersten Gateways und die zweiten Gateways sind untereinander über ein vermaschtes Multi-Hop-Netzwerk verbunden, so dass das erste Gateway keine direkte Verbindung benötigt, während es mit den Endgeräten kommuniziert. Dadurch wird gleichzeitig die Reichweite des LoRaWAN-Netzwerks erweitert, weil das erste Gateway über das vermaschte Multi-Hop-Netzwerk in Verbindung zu dem zweiten Gateway steht und somit die Daten der Endgeräte an den Internet-Netzwerkserver weiterleiten kann. Optional kommuniziert wenigstens ein zweites Gateway mit dem Netzwerkserver IP- Verbindung. Die Verwendung von in der Funktion dem örtlichen Bedarf angepassten Gateways bietet die Möglichkeit, insbesondere in sehr großen LoRaWAN-Mesh-Gateway- Netzwerk erhebliche Kosten einzusparen. In a further embodiment of the invention, at least one first gateway communicates with at least one second gateway via a wireless point-to-point connection. The first gateway and the second gateway are connected to each other via a multi-hop mesh network, so that the first gateway does not need a direct connection while communicating with the terminals. At the same time, this extends the range of the LoRaWAN network, because the first gateway is connected to the second gateway via the meshed multi-hop network and can therefore forward the data from the end devices to the Internet network server. Optionally, at least one second gateway communicates with the network server IP connection. The use of functionally adapted to local needs Gateways offer the opportunity to save considerable costs, especially in very large LoRaWAN mesh gateway networks.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird im erfindungsgemäßen Verfahren zur Kommunikation in einem LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerk eine von dem Endgerät generierte und an das Gateway versandte verschlüsselte Endgeräte-Mitteilung auf dem Gateway gespeichert. Das Gateway weiß so, welche verschlüsselte Endgeräte-Mitteilung bisher vom Netzwerkserver unbeantwortet blieb, welches Endgerät sich möglicherweise in einem Fehler-Modus infolge eines Time-Outs befindet. In a development of the invention, in the method according to the invention for communication in a LoRaWAN mesh gateway network, an encrypted end device message generated by the end device and sent to the gateway is stored on the gateway. In this way, the gateway knows which encrypted end-device message has so far remained unanswered by the network server, which end-device may be in error mode as a result of a time-out.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung wird die auf dem Gateway gespeicherte verschlüsselte Endgeräte-Mitteilung erst aus dem Speicher des Gateways gelöscht, wenn eine der verschlüsselten Endgeräte-Mitteilung zugeordnete verschlüsselte Server- Mitteilung vom Netzwerkserver an das Endgerät versandt wurde. Das Gateway weiß so, welche verschlüsselte Endgeräte-Mitteilung bisher vom Netzwerkserver unbeantwortet blieb, welches Endgerät sich möglicherweise in einem Fehler-Modus infolge eines Time- Outs befindet. In an alternative embodiment of the invention, the encrypted terminal message stored on the gateway is not deleted from the gateway's memory until an encrypted server message associated with the encrypted terminal message has been sent from the network server to the terminal. In this way, the gateway knows which encrypted end-device message has so far remained unanswered by the network server, which end-device may be in error mode as a result of a time-out.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird im erfindungsgemäßen Verfahren zur Kommunikation in einem LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerk eine von dem Netzwerkserver generierte und an das Gateway versandte verschlüsselte Server- Mitteilung auf dem Gateway gespeichert. Würde das Gateway die verschlüsselte Server- Mitteilung sofort weiterleiten, so würde die verschlüsselte Mitteilung das Endgerät möglicherweise außerhalb eines Receive-Fensters erreichen, also während das Endgerät nicht empfangsbereit ist. Das Endgerät würde so einen nächsten Time-Out-Fehler generieren. In a development of the invention, in the method according to the invention for communication in a LoRaWAN mesh gateway network, an encrypted server message generated by the network server and sent to the gateway is stored on the gateway. If the gateway forwarded the encrypted server message immediately, the encrypted message would possibly reach the end device outside of a receive window, i.e. while the end device is not ready to receive. The end device would thus generate a next time-out error.
In einer erfindungsgemäßen Weiterbildung des Verfahrens wird die auf dem Gateway gespeicherte verschlüsselte Server-Mitteilung erst aus dem Speicher des Gateways gelöscht, wenn eine der Server-Mitteilung zugeordnete verschlüsselte Endgeräte- Mitteilung vom Gateway empfangen wurde. In einer optionalen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die auf dem Gateway gespeicherte verschlüsselte Server-Mitteilung erst aus dem Speicher des Gateways gelöscht, wenn die gespeicherte verschlüsselte Server-Mitteilung vom Gateway an das Endgerät gesendet wurde. Typischerweise sind die Endgeräte so konfiguriert, dass sie nach Ablauf des Time-Out- Fehlers eine verschlüsselte Endgeräte-Mitteilung erneut versenden. Ist in der Zwischenzeit die der Endgeräte-Mitteilung zugeordnete verschlüsselte Server-Mitteilung auf dem Gateway eingetroffen und gespeichert, so wird diese aus dem Speicher abgerufen und an das Endgerät versandt. Erst im Nachgang des Empfangs der erneuten Endgeräte-Mitteilung auf dem Gateway und des Versands der verschlüsselten Server- Mitteilung vom Gateway an das Endgerät wird also die verschlüsselte Server-Mitteilung auf dem Gateway gelöscht. In a development of the method according to the invention, the encrypted server message stored on the gateway is only deleted from the memory of the gateway when an encrypted terminal device assigned to the server message Message received from gateway. In an optional refinement of the method according to the invention, the encrypted server message stored on the gateway is only deleted from the gateway's memory when the stored encrypted server message has been sent from the gateway to the terminal device. The terminals are typically configured in such a way that they resend an encrypted terminal message after the time-out error has expired. If, in the meantime, the encrypted server message assigned to the terminal device message has arrived and been stored on the gateway, it is retrieved from the memory and sent to the terminal device. Only after the new terminal message has been received on the gateway and the encrypted server message has been sent from the gateway to the terminal device is the encrypted server message deleted on the gateway.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die auf dem Gateway gespeicherte verschlüsselte Server-Mitteilung innerhalb eines Receive-Fensters des Endgerätes vom Gateway an das Endgerät gesendet. Dies stellt sicher, dass das Endgerät auch empfangsbereit ist. In a further embodiment of the invention, the encrypted server message stored on the gateway is sent from the gateway to the terminal device within a receive window of the terminal device. This ensures that the end device is also ready to receive.
In einer erfindungsgemäßen Weiterbildung des Verfahrens ist das Receive-Fenster des Endgerätes ein Receive-Fenster, das durch ein wiederholtes Versenden einer Endgeräte- Mitteilung an das Gateway generiert wird. Nach einem Time-Out versucht ein Endgerät einen erneuten Versand der verschlüsselten Endgeräte-Nachricht, in dessen Folge sich gemäß LoRaWAN-Protokoll zwei neue Receive-Fenster öffnen, in denen das Endgerät empfangsbereit ist. In a development of the method according to the invention, the receive window of the terminal device is a receive window that is generated by repeatedly sending a terminal device message to the gateway. After a time-out, an end device tries to send the encrypted end device message again, as a result of which two new receive windows open in accordance with the LoRaWAN protocol, in which the end device is ready to receive.
In einer Weiterführung der Erfindung erfolgt das wiederholte Versenden einer verschlüsselten Endgeräte-Mitteilung an das Gateway nach einem Time-Out des Endgerätes. Während des Time-Outs des Endgerätes ist kein Empfang von Miteilungen durch das Endgerät möglich. Daher muss der Versand der verschlüsselten Server- Mitteilung erst im Anschluss daran erfolgen, um von dem Endgerät empfangen zu werden. In einer optionalen Weiterbildung ist dieses Time-Out des Endgerätes infolge einer innerhalb der zwei gemäß LoRaWAN-Protokoll definierten Receive-Fenster unbeantworteten Endgeräte-Mitteilung entstanden. In a further development of the invention, an encrypted terminal message is repeatedly sent to the gateway after the terminal device has timed out. During the time-out of the terminal device, it is not possible to receive messages from the terminal device. Therefore, the encrypted server message must only be sent afterwards in order to be received by the end device become. In an optional development, this time-out of the end device occurred as a result of an unanswered end device message within the two receive windows defined according to the LoRaWAN protocol.
Die auf dem Gateway gespeicherten oder die von einem Gateway generierten Mitteilungen, Befehle und Funktionen können folgende MAC-Kommandos des LoRaWAN- Protokolls umfassen: The messages, commands and functions stored on the gateway or generated by a gateway can include the following MAC commands of the LoRaWAN protocol:
• Confirmed Uplink (UL) - best effort • Confirmed Uplink (UL) - best effort
• Confirmed UL - end-to-end confirmation for mission-critical messages • Confirmed UL - end-to-end confirmation for mission-critical messages
• Downlink (DL) • Downlink (DL)
• Confirmed DL • Confirmed DL
• Resetlnd, ResetConf (Sec. 5.1) • Resetlnd, ResetConf (Sec. 5.1)
• LinkCheckReq, LinkCheckAns (Sec. 5.2) • LinkCheckReq, LinkCheckAns (Sec. 5.2)
• Rekeylnd, RekeyConf (Sec. 5.10) • Rekeynd, RekeyConf (Sec. 5.10)
• DeviceTimeReq, DeviceTimeAns (Sec. 5.12) • DeviceTimeReq, DeviceTimeAns (Sec. 5.12)
• Join-request, Join-accept (Sec. 6.2.2, 6.2.3) • Join request, Join accept (Sec. 6.2.2, 6.2.3)
Die Aufgabe wird weiterhin mittels eines erfindungsgemäßen LoRaWAN-Mesh-Gateway- Netzwerk gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den untergeordneten Ansprüchen dargestellt. The object is also achieved using a LoRaWAN mesh gateway network according to the invention. Advantageous embodiments of the invention are presented in the dependent claims.
Das erfindungsgemäße LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerk weist wenigstens einen Netzwerkserver, mehrere Gateways und mehrere Endgeräte auf. Erfindungsgemäß weist das LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerk einen zweiten Server auf, der Server- Funktionen gemäß LoRaWAN-Protokoll parallel zum Netzwerkserver ausführen kann. Insbesondere ist der zweite Server wie der Netzwerkserver mit dem Applikationsserver verbunden. Bei Ausfall des Netzwerkservers ist der Betrieb des LoRaWAN-Netzwerks gewährleistet. In einer Weiterführung der Erfindung weist der zweite Server eine Sub-Server-Einheit auf, die mit einem Programm und/oder Betriebssystem und/oder Firmware ausgestattet ist, das dafür geeignet ist, gemäß LoRaWAN-Protokoll für den Netzwerkserver (NS) vorgesehene Funktionalitäten auszuführen. The LoRaWAN mesh gateway network according to the invention has at least one network server, multiple gateways and multiple terminals. According to the invention, the LoRaWAN mesh gateway network has a second server that can execute server functions according to the LoRaWAN protocol in parallel with the network server. In particular, the second server is connected to the application server like the network server. If the network server fails, the operation of the LoRaWAN network is guaranteed. In a further development of the invention, the second server has a sub-server unit that is equipped with a program and/or operating system and/or firmware that is suitable for executing functionalities provided for the network server (NS) according to the LoRaWAN protocol .
Die Sub-Server-Einheit ist ebenfalls geeignet, eine Gateway-Mitteilung zu generieren. Dies kann beispielsweise ein ACK-Signal sein, das bei einer Datenübertragung verwendet wird, um den Erhalt eines Datenpakets zu bestätigen. Durch die Gateway-Mitteilung wird sichergestellt, dass eine Mitteilung des Endgerätes an ein Gateway korrekt an das Gateway gesendet ist. Das Endgerät muss nicht ein permanent aktives Download- Receive-Fenster besitzen und daher permanent aktiv sein, wie bei einem Endgerät der Klasse C, sondern kann beispielsweise auch ein Klasse A oder B Endgerät gemäß LoRaWAN-Spezifikation sein. Der Stromverbrauch wird so verringert und die Lebensdauer des Endgerätes somit erhöht. The sub-server unit is also capable of generating a gateway message. This can be an ACK signal, for example, which is used during data transmission to confirm receipt of a data packet. The gateway message ensures that a message from the terminal device to a gateway has been sent correctly to the gateway. The end device does not have to have a permanently active download-receive window and therefore be permanently active, as with a class C end device, but can also be a class A or B end device according to the LoRaWAN specification, for example. This reduces power consumption and increases the service life of the end device.
In einer weiteren Gestaltung der Erfindung weist die Sub-Server-Einheit einen Prozessor und einen Speicher auf. Prozessor und Speicher sind Standardbauteile und daher kostengünstig herzustellen. Die Sub-Server-Einheit ist zudem mit einem Programm und/oder Betriebssystem und/oder Firmware ausgestattet, das dafür geeignet ist, gemäß LoRaWAn-Protokoll für den Netzwerkserver vorgesehene Funktionalitäten auszuführen. In a further embodiment of the invention, the sub-server unit has a processor and a memory. Processor and memory are standard components and therefore inexpensive to manufacture. The sub-server unit is also equipped with a program and/or operating system and/or firmware that is suitable for executing functionalities provided for the network server in accordance with the LoRaWAn protocol.
In einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung weist das LoRaWAN-Mesh-Gateway- Netzwerk unterschiedliche Gateway-Typen auf. Die Gateway-Typen unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Kommunikationsschnittstellen zur Kommunikation mit anderen Gateways, einem Netzwerkserver bzw. Endgeräten und der daraus folgenden Art der Kommunikation. In einer weiteren Ausführung der Erfindung weist das LoRaWAN-Mesh-Gateway- Netzwerk ein erstes Gateway und ein zweites Gateway auf. Die Aufteilung der Gateways in erste Gateways und zweite Gateways erweitert die Reichweite des LoRa-WAN- Netzwerks erheblich, wobei weiterhin LoRaWAN-kompatible Endgeräte zum Einsatz kommen können, die weit in unwegsame und mit üblichen Funknetzen nicht erreichbare Gegenden hinein verteilt und vernetzt werden können. In an advantageous embodiment of the invention, the LoRaWAN mesh gateway network has different gateway types. The gateway types differ in terms of their communication interfaces for communication with other gateways, a network server or end devices and the resulting type of communication. In a further embodiment of the invention, the LoRaWAN mesh gateway network has a first gateway and a second gateway. The division of the gateways into first gateways and second gateways extends the range of the LoRa WAN network considerably, whereby LoRaWAN-compatible end devices can still be used, which can be distributed and networked far into impassable areas that cannot be reached with conventional wireless networks.
In einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist das erste Gateway der zweite Server. Das erste Gateway kommuniziert sowohl mit anderen Gateways als auch mit einem oder mehreren Endgeräten. Mittels des Versandes einer Gateway-Mitteilung von einem ersten Gateway an ein Endgerät wird beispielsweise sichergestellt, dass eine Mitteilung des Endgerätes an ein Gateway korrekt an das Gateway gesendet ist. Das Endgerät muss nicht ein permanent aktives Download-Receive-Fenster besitzen und daher permanent aktiv sein, wie bei einem Endgerät der Klasse C, sondern kann beispielsweise auch ein Klasse A oder B Endgerät gemäß LoRaWAN-Spezifikation sein. Der Stromverbrauch und die Einsatzdauer des Endgerätes werden somit vermindert. In an advantageous embodiment of the invention, the first gateway is the second server. The first gateway communicates both with other gateways and with one or more end devices. Sending a gateway message from a first gateway to a terminal ensures, for example, that a message from the terminal to a gateway has been correctly sent to the gateway. The end device does not have to have a permanently active download-receive window and therefore be permanently active, as with a class C end device, but can also be a class A or B end device according to the LoRaWAN specification, for example. The power consumption and the service life of the end device are thus reduced.
In einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung weist das erste Gateway die Sub-Server- Einheit auf. Die Sub-Server-Einheit weist Prozessor und Speicher auf und ist außerdem mit einem Programm und/oder Betriebssystem und/oder Firmware ausgestattet, das dafür geeignet ist. gemäß LoRaWAn-Protokoll für den Netzwerkserver vorgesehene Funktionalitäten auszuführen. In an advantageous embodiment of the invention, the first gateway has the sub-server unit. The sub-server unit has a processor and memory and is also equipped with a program and/or operating system and/or firmware that is suitable for this. to execute functionalities provided for the network server according to the LoRaWAn protocol.
In einer weiteren Gestaltung der Erfindung verfügt das erste Gateway über eine erste Gateway-Kommunikationsschnittstelle zur Kommunikation mit einem Endgerät und eine zweite Gateway-Kommunikationsschnittstelle zur Kommunikation mit einem anderen ersten Gateway und/oder einem zweiten Gateway. Die ersten Gateways und die zweiten Gateways sind untereinander mittels der ersten Kommunikationsschnittstelle über ein vermaschtes Multi-Hop-Netzwerk verbunden, so dass das erste Gateway keine direkte Verbindung benötigt, während es mit den Endgeräten kommuniziert. Endgeräte sind mittels eines Single-Hub-Funknetzwerkes über die zweite Kommunikationsschnittstelle direkt an ein erstes Gateway angebunden. In a further embodiment of the invention, the first gateway has a first gateway communication interface for communication with a terminal and a second gateway communication interface for communication with another first gateway and/or a second gateway. The first gateway and the second gateway are connected to each other via the first communication interface via a multi-hop mesh network, so that the first gateway does not need a direct connection while communicating with the terminals. terminals are connected directly to a first gateway by means of a single-hub radio network via the second communication interface.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist jedes erste Gateway zur drahtlosen Punkt- zu-Punkt-Kommunikation mit einer Vielzahl von Endgeräten unter Verwendung von Single-Hop LoRa- oder FSK-Funk unter Verwendung des LoRa-WAN-Protokolls geeignet. Damit können das erfindungsgemäße Netzwerk und ihre Komponenten (Gateways, Endgeräte) weit in unwegsame und mit üblichen Funknetzen nicht erreichbare Gegenden hinein verteilt und vernetzt werden. In a further embodiment of the invention, each first gateway is suitable for wireless point-to-point communication with a large number of end devices using single-hop LoRa or FSK radio using the LoRa WAN protocol. The network according to the invention and its components (gateways, terminals) can thus be distributed and networked far into impassable areas that cannot be reached with conventional wireless networks.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind das erste Gateway und das zweite Gateway mit einer Vielzahl von Mesh-Gateway-Vorrichtungen kombiniert und wenigstens eine der Mesh-Gateway-Vorrichtungen weist keine direkte IP-Verbindung auf. Die ersten Gateways und die zweiten Gateways sind untereinander über ein vermaschtes Multi-Hop- Netzwerk verbunden, so dass das erste Gateway keine direkte Verbindung benötigt. Die Erfindung ermöglicht eine Reichweitenverlängerung von LoRaWAN-Netzwerken, indem man ein Multi-Hop-Netzwerk mittels der ersten Gateways zwischenschaltet und somit eine vollständige Komptabilität zur LoRaWAN-Spezifikation beibehält. In a further embodiment of the invention, the first gateway and the second gateway are combined with a multiplicity of mesh gateway devices and at least one of the mesh gateway devices has no direct IP connection. The first gateways and the second gateways are connected to each other via a meshed multi-hop network, so that the first gateway does not require a direct connection. The invention enables a range extension of LoRaWAN networks by interposing a multi-hop network using the first gateways and thus maintaining full compatibility with the LoRaWAN specification.
In einer weiteren Gestaltung der Erfindung ist ein zweites Gateway zur Kommunikation mittels einer Standard-IP-Verbindung und unter Verwendung des LoRaWAN-Protokolls mit dem Netzwerkserver vorgesehen. Das Netzwerk kommuniziert mit dem Netzwerkserver bei einer Standard-IP-Verbindung unter Verwendung des LoRaWAN- Protokolls. Dadurch wird die Reichweite des Netzwerkes bei Kompatibilität mit dem LoRaWAN-Protokoll erhöht. In a further embodiment of the invention, a second gateway is provided for communication via a standard IP connection and using the LoRaWAN protocol with the network server. The network communicates with the network server over a standard IP connection using the LoRaWAN protocol. This increases the range of the network while being compatible with the LoRaWAN protocol.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung verfügt das zweite Gateway über eine erste Gateway-Kommunikationsschnittstelle zur Kommunikation mit einem Netzwerkserver und eine zweite Gateway-Kommunikationsschnittstelle zur Kommunikation mit einem ersten Gateway. Die beiden Gateway-Kommunikationsschnittstellen unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Kommunikationsschnittstellen zur Kommunikation mit anderen Gateways, einem Netzwerkserver und der daraus folgenden Art der Kommunikation. In a further embodiment of the invention, the second gateway has a first gateway communication interface for communication with a network server and a second gateway communication interface for communication with a first gateway. The two gateway communication interfaces are different with regard to their communication interfaces for communication with other gateways, a network server and the resulting type of communication.
In einer weiteren Ausbildung der Erfindung sind die ersten Gateways jeweils mit einem zweiten Gateway in einem Mesh-Gateway integriert. Das erste Gateway und das zweite Gateway sind in einem Gerät zusammengefasst. Hierbei unterhalten sich die integrierten ersten Gateways mittels eines Multi-Hub-Funknetzwerks untereinander, während mindestens ein integriertes zweites Gateway über das Standard-Internetprotokoll mit dem Netzwerkserver NS verbunden ist. In a further embodiment of the invention, the first gateways are each integrated with a second gateway in a mesh gateway. The first gateway and the second gateway are combined in one device. In this case, the integrated first gateways communicate with one another by means of a multi-hub radio network, while at least one integrated second gateway is connected to the network server NS via the standard Internet protocol.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das LoRaWAN-Mesh-Gateway- Netzwerk ein drahtloses Multi-Hop-Funk-Netzwerk. Gateways sind untereinander über ein vermaschtes Multi-Hop-Netzwerk verbunden, so dass das Gateway keine direkte Verbindung benötigt, während es mit den Endgeräten kommuniziert. Dadurch wird gleichzeitig die Reichweite des LoRaWAN-Netzwerks erweitert, weil die Gateways über das vermaschte Multi-Hop-Netzwerk in Verbindung zueinander stehen und somit die Daten der Endgeräte an den Internet-Netzwerkserver weiterleiten kann. Hiermit wird die Reichweitenlimitierung der vom LoRaWAN-Standard vorgesehenen Direktverbindung zwischen Endgerät und Gateway aufgehoben. In a further embodiment of the invention, the LoRaWAN mesh gateway network is a wireless multi-hop radio network. Gateways are connected to each other via a multi-hop mesh network, so the gateway does not need a direct connection while communicating with the end devices. At the same time, this extends the range of the LoRaWAN network, because the gateways are connected to each other via the meshed multi-hop network and can therefore forward the data from the end devices to the Internet network server. This removes the range limitation of the direct connection between the end device and gateway provided by the LoRaWAN standard.
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerks und des erfindungsgemäßen Verfahrens zur zur Kommunikation in einem LoRaWAN-Mesh- Gateway-Netzwerk sind in den Zeichnungen schematisch vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Exemplary embodiments of the LoRaWAN mesh gateway network according to the invention and the method according to the invention for communication in a LoRaWAN mesh gateway network are shown in the drawings in a simplified manner and are explained in more detail in the following description.
Es zeigen: Show it:
Fig. 1 Standard-LoRa-Funknetzwerk Fig. 1 Standard LoRa radio network
Fig. 2 Sequenzdiagramm des Standard-LoRa-Funknetzwerks Fig. 3 Sequenzdiagramm des Standard-LoRaWAN-Mesh-Gateway-NetzwerksFig. 2 Sequence diagram of the standard LoRa radio network Fig. 3 Sequence diagram of standard LoRaWAN mesh gateway network
Fig. 4 Sequenzdiagramm des LoRaWAN -Mesh-Gateway-Netzwerks mit Mesh- Gateways mit einer Sub-Server-Einheit - Gateway-Mitteilung Fig. 4 Sequence diagram of LoRaWAN mesh gateway network with mesh gateways with a sub-server unit - Gateway Announcement
Fig. 5 Sequenzdiagramm des LoRaWAN -Mesh-Gateway-Netzwerks mit Mesh- Gateways mit einer Sub-Server-Einheit - Fail-Retry Fig. 5 Sequence diagram of LoRaWAN mesh gateway network with mesh gateways with a sub-server unit - fail retry
Fig. 6 a LoRaWAN -Mesh-Gateway-Netzwerk mit Endgeräten, einem Netzwerkserver, Mesh-Gateways und einem zweiten Server Fig. 6 a LoRaWAN mesh gateway network with end devices, a network server, mesh gateways and a second server
Fig. 6 b LoRaWAN -Mesh-Gateway-Netzwerk mit Endgeräten, einem Netzwerkserver, Mesh-Gateways zugleich zweite Server Fig. 6 b LoRaWAN mesh gateway network with end devices, a network server, mesh gateways and second servers at the same time
Fig. 7 a LoRaWAN-Netzwerk mit Endgeräten, Frontend-Gateways, Grenz-Gateways, einem Netzwerkserver und einem zweiten Server Fig. 7 a LoRaWAN network with end devices, frontend gateways, border gateways, a network server and a second server
Fig. 7 b LoRaWAN-Netzwerk mit Endgeräten, Frontend-Gateways, Grenz- Gateways, einem Netzwerkserver, Frontend-Gateways sind gleichzeitig zweite Server Fig. 7 b LoRaWAN network with end devices, front-end gateways, border gateways, a network server, front-end gateways are second servers at the same time
Fig. 7 c LoRaWAN-Netzwerk mit Endgeräten, Frontend-Gateways, Grenz- Gateways, einem Netzwerkserver, Frontend-Gateways und Grenz-Gateways sind gleichzeitig zweite Server Fig. 7 c LoRaWAN network with end devices, frontend gateways, border gateways, a network server, frontend gateways and border gateways are second servers at the same time
Fig. 8 LoRaWAN-Netzwerk mit Endgeräten, Mesh-Gateways und einem Netzwerkserver, Mesh-Gateways sind zugleich zweite Server Fig. 8 LoRaWAN network with end devices, mesh gateways and a network server, mesh gateways are also second servers
Figur 1 zeigt ein bisher bekanntes Standard-LoRa-Funknetzwerk mit der typischen Stern- Topologie, bei der ein oder mehrere Endgeräte EDn direkt (Single Hub) über Funk mittels LoRa-Modulation oder FSK-Modulation FSK an Gateways G1 , G2, Gn angebunden sind und über die Gateways G1 , G2, Gn mit dem Internetnetzwerkserver NS mittels eines Standard-Internetprotokolls IP kommunizieren. FIG. 1 shows a previously known standard LoRa radio network with the typical star topology in which one or more terminals EDn are connected directly (single hub) to gateways G1, G2, Gn via radio using LoRa modulation or FSK modulation FSK and communicate with the Internet network server NS via the gateways G1, G2, Gn using a standard Internet protocol IP.
Figur 2 zeigt ein Sequenzdiagramm eines bekannten Standard-LoRaWAN-NetzwerkesFIG. 2 shows a sequence diagram of a known standard LoRaWAN network
(siehe Fig. 1 ) gemäß LoRaWAN-ProtokolL Zunächst wird eine Mitteilung ME wie beispielsweise ein Join-Request von einem Endgerät ED an ein Gateway G1 versendet e- s. Das Gateway G1 leitet diese Mitteilung ME weiter g-f an den Netzwerkserver NS, der zum einen die Mitteilung ME an den Applikationsserver AS weiterleitet und zum anderen eine Antwort MS generiert a-r, die zurück an das Gateway G1 gesendet wird n-s. Das Gateway G1 leitet diese Mitteilung MS wiederum weiter g-f an das Endgerät ED. In der Sternarchitektur eines Standard-LoRaWAN-Netzwerkes (siehe Fig. 1) erfolgt diese Kommunikation sehr schnell, weil jedes Endgerät ED über ein Gateway mit dem Netzwerkserver NS kommuniziert. (see FIG. 1) according to the LoRaWAN protocol First, a message ME, such as a join request, is sent from a terminal ED to a gateway G1 e- s. The gateway G1 forwards this message ME on gf to the network server NS, which on the one hand forwards the message ME to the application server AS and on the other generates a response MS ar, which is sent back to the gateway G1 ns. The gateway G1 in turn forwards this message MS to the terminal ED. In the star architecture of a standard LoRaWAN network (see FIG. 1), this communication takes place very quickly because each end device ED communicates with the network server NS via a gateway.
Figur 3 zeigt ein Sequenzdiagramm eines LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerkes 1 , das nicht mehr die typische Sternarchitektur aufweist. Hier sind zwischen Endgerät ED und Netzwerkserver NS mehrere Mesh-Gateways MGD1 , MGD2, MGDn angeordnet, die nicht alle über eine Single-Hop-Verbindung zum Netzwerkserver NS verfügen. Eine von einem Endgerät ED generierte Anfrage ME, wie beispielsweise ein Link-Check-Request muss erst über mehrere Mesh-Gateways MGD1 , MGD2, MGDn weitergeleitet werden g1-f, g2-f, bevor die Anfrage einen Netzwerkserver NS erreichen kann n-r. Zwischen einigen Endgeräten ED und dem Netzwerkserver NS liegt eine Multi-Hop-Verbindung. Der Netzwerkserver NS leitet diese Mitteilung ME weiter n-r an den Applikationsserver AS, generiert eine Antwortmitteilung MS und sendet diese zurück n-s an das nächste Mesh- Gateway MGD2. Die Mesh-Gateways MGD1 , MGD2, MGDn leiten die Mitteilung weiter g1-f, g2-f zurück bis zum Endgerät ED, das die Antwortmitteilung MS empfängt e-r. FIG. 3 shows a sequence diagram of a LoRaWAN mesh gateway network 1 that no longer has the typical star architecture. Here, several mesh gateways MGD1, MGD2, MGDn are arranged between the terminal ED and the network server NS, not all of which have a single-hop connection to the network server NS. A request ME generated by a terminal ED, such as a link check request, must first be forwarded g1-f, g2-f via a number of mesh gateways MGD1, MGD2, MGDn before the request can reach a network server NS n-r. There is a multi-hop connection between some terminals ED and the network server NS. The network server NS forwards this message ME on n-r to the application server AS, generates a response message MS and sends it back n-s to the next mesh gateway MGD2. The mesh gateways MGD1, MGD2, MGDn forward the message g1-f, g2-f back to the terminal ED, which receives the response message MS e-r.
Vorteilhafterweise wird auf dem Mesh-Gateway MGD1 die Antwortmitteilung cMS verschlüsselt und derart verschlüsselt an das Endgerät ED versendet. Advantageously, the response message cMS is encrypted on the mesh gateway MGD1 and sent encrypted in this way to the terminal ED.
Je nachdem über wie viele Mesh-Gateways MGD1 , MGD2, MGDn eine Mitteilung MS weitergeleitet g1-f, g2-f, gn-f wird, besteht die Möglichkeit, dass die Antwortmitteilung MS nicht mehr rechtzeitig während eines der beiden gemäß LoRaWAN fest definierten Receive-Fenster beim Endgerät ED eintrifft. Das Endgerät ED geht bei Ausbleiben der Antwortnachricht MS in den Time-Out-Modus und wird erst nach Ablauf einer gewissen Zeit zurückgesetzt. Da keine Antwortmitteilung MS vom Endgerät ED empfangen wird, sendet das Endgerät ED die Anfrage ME erneut. Eine Endlosschleife zwischen dem Senden der Anfrage ME und einem Time-Out-Fehler ist auf dem Endgerät ED die Folge. In Figur 4 ist eine Lösung für den genannten Time-Out-Fehler dargestellt, bei der ein Mesh-Gateway MGD1 , MGD2, MGDn eine Sub-Server-Einheit aufweist, die einen Teil der Funktionalität eines Netzwerkservers NS übernimmt. In diesem Ausführungsbeispiel sendet e-s das Endgerät ED wiederum einen Join-Request ME an das nächste Mesh- Gateway MGD1 . Das Mesh-Gateway MGD1 generiert gMG und verschlüsselt cMG eine Antwort-Mitteilung cMG und sendet diese direkt an das Endgerät ED zurück g1-s. Das Endgerät ED erhält die Antwort-Mitteilung cMG des Mesh-Gateways MGD1 innerhalb des Receive-Fensters und bleibt in einem ordnungsgemäßen Betrieb. Parallel zur Generierung gMG und Verschlüsselung cMG der Antwort-Mitteilung cMG und deren Versand g1-s an das Endgerät ED leitet das Mesh-Gateway MGD1 die Anfrage ME des Endgeräts ED an das nächste Mesh-Gateway MGD2 weiter g1-f. Damit ist gewährleistet, dass sowohl ein Time-Out-Fehler beim Endgerät ED vermieden als auch die Anfrage ME des Endgerätes ED über die Mesh-Gateways MGD1 , MGD2, MGDn an den Netzwerkserver NS weitergeleitet wird g1-f, g2-f. Entsprechend des LoRaWAN-Protokolls empfängt der Netzwerkserver NS die Anfrage des Endgerätes ED, leitet die Anfrage an den Applikationsserver AS weiter n-r und generiert n-s eine Antwort-Mitteilung MS, die über die Weiterleitung g1-f, g2-f der Mesh-Gateways MGD1 , MGD2, MGDn zurück zum Endgerät ED gesendet wird. Depending on how many mesh gateways MGD1, MGD2, MGDn a message MS is forwarded g1-f, g2-f, gn-f, there is a possibility that the response message MS will no longer be sent in good time during one of the two receive defined according to LoRaWAN window arrives at terminal ED. If there is no response message MS, the terminal ED goes into the time-out mode and is only reset after a certain time has elapsed. Since no response message MS is received from the terminal ED, the terminal ED resends the request ME. The result on the terminal ED is an endless loop between the sending of the request ME and a time-out error. FIG. 4 shows a solution for the time-out error mentioned, in which a mesh gateway MGD1, MGD2, MGDn has a sub-server unit that takes over part of the functionality of a network server NS. In this exemplary embodiment, the terminal ED in turn sends a join request ME to the next mesh gateway MGD1. The mesh gateway MGD1 generates gMG and cMG encrypts a response message cMG and sends this directly back to the terminal ED g1-s. The terminal ED receives the response message cMG from the mesh gateway MGD1 within the receive window and remains in proper operation. Parallel to the generation gMG and encryption cMG of the response message cMG and its sending g1-s to the terminal ED, the mesh gateway MGD1 forwards the request ME from the terminal ED to the next mesh gateway MGD2 g1-f. This ensures that both a time-out error in the terminal ED is avoided and the request ME from the terminal ED is forwarded g1-f, g2-f to the network server NS via the mesh gateways MGD1, MGD2, MGDn. According to the LoRaWAN protocol, the network server NS receives the request from the terminal device ED, forwards the request to the application server AS nr and generates ns a reply message MS, which is sent via the forwarding g1-f, g2-f of the mesh gateways MGD1, MGD2, MGDn is sent back to the terminal ED.
Figur 5 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Hier ist die Kommunikation in einem umfangreichen LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerk dargestellt, das eine Vielzahl von Endgeräten ED sowie Mesh-Gateways MGD1 , MGD2, MGDn aufweist. Zumindest einige Mesh-Gateways MGD1 , MGD2, MGDn verfügen über eine Sub-Server- Einheit, die Funktionalitäten des Netzwerkservers NS übernimmt. Figure 5 shows a preferred embodiment of the invention. The communication in an extensive LoRaWAN mesh gateway network is shown here, which has a large number of terminals ED and mesh gateways MGD1, MGD2, MGDn. At least some mesh gateways MGD1, MGD2, MGDn have a sub-server unit that takes over the functionalities of the network server NS.
Ein Endgerät ED des LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerks sendet e-s eine Mitteilung ME1 mit einem Check-Link-Request zum Netzwerkserver NS. Die Mitteilung ME1 des Endgerätes ED wird über eine Vielzahl Mesh-Gateways MGD1 , MGD2, MGDn weitergeleitet g1-f, g2-f, gn-f, bevor der Netzwerkserver NS die Mitteilung ME1 empfängt n-r. Das nächstgelegene Mesh-Gateway MGD1 speichert sME eine Information über die versendete Mitteilung ME1 des Endgerätes ED, mit deren Hilfe das Mesh-Gateway MGD1 die Mitteilung ME1 identifizieren kann. Der Netzwerkserver NS leitet die Mitteilung ME1 an den Applikationsserver AS weiter und generiert eine Antwortmitteilung MS, die der Netzwerkserver NS über die Vielzahl der Mesh-Gateways MGD1 , MGD2, MGDn zurück zum Endgerät ED sendet n-s. A terminal ED of the LoRaWAN mesh gateway network sends a message ME1 with a check link request to the network server NS. The message ME1 from the terminal ED is forwarded via a large number of mesh gateways MGD1, MGD2, MGDn g1-f, g2-f, gn-f before the network server NS receives the message ME1 no. The nearest mesh gateway MGD1 stores information about the sME sent message ME1 of the terminal ED, with the help of which the mesh gateway MGD1 can identify the message ME1. The network server NS forwards the message ME1 to the application server AS and generates a response message MS, which the network server NS sends back to the terminal ED via the multiplicity of mesh gateways MGD1, MGD2, MGDn ns.
In der Zwischenzeit sind die Receive-Fenster gemäß der Definition des LoRaWAN- Protokolls bereits geschlossen, das Endgerät ED wird in den Time-Out-Modus versetzt e- t. Nach Ablauf des Time-Outs sendet e-s das Endgerät ED erneut eine Mitteilung ME2, die der Mitteilung ME1 entspricht, an den Netzwerkserver NS. Empfängt das Endgerät ED wiederum keine Antwortmitteilung MS des Netzwerkservers NS so geht das Endgerät wiederum in den Time-Out-Modus e-t bis es sich eigenständig zurücksetzen kann. In diesem Ausführungsbeispiel versucht das Endgerät dreimal den Versand e-s der Mitteilung ME1 , ME2, ME3, ohne dass innerhalb der jeweiligen Receive-Fenster eine Antwort-Mitteilung MS des Netzwerkservers NS vom Endgerät ED empfangen werden kann. In the meantime, the receive windows are already closed according to the definition of the LoRaWAN protocol, the end device ED is put into time-out mode e-t. After the time-out has expired, the terminal ED again sends a message ME2, which corresponds to the message ME1, to the network server NS. If the terminal ED again does not receive a response message MS from the network server NS, the terminal goes into the time-out mode e-t again until it can reset itself independently. In this exemplary embodiment, the terminal tries three times to send e-s the message ME1, ME2, ME3 without being able to receive a reply message MS from the network server NS from the terminal ED within the respective receive window.
Während des dritten Time-Outs e-t erreicht die Antwortmitteilung MS des Netzwerkserver NS das dem Endgerät ED nächstgelegene Gateway G1 . Die Sub-Server-Einheit SSE des Mesh-Gateways MGD1 prüft die Antwortmitteilung MS des Netzwerkservers NS und ordnet sie anhand der über die ursprüngliche Mitteilung M1 des Endgerätes ED gespeicherten Information zur Identifizierung der Mitteilung M1 der ursprünglichen Mitteilung ME1 des Endgeräts ED zu g1-c und speichert sMS sowie verschlüsselt cMS die Antwortmitteilung MS des Netzwerkservers NS ebenfalls. Nach dem Zurücksetzen des Endgerätes ED nach Ablauf des dritten Time-Outs e-t sendet das Endgerät ED die ursprüngliche Nachricht ME4 ein viertes Mal e-se. Das nächstgelegene Mesh-Gateway MGD1 empfängt die Nachricht ME4, identifiziert sie als identisch mit der ursprünglichen Nachricht ME1 und sendet die vom Netzwerkserver NS erhaltene und auf dem Mesh- Gateway MGD1 gespeicherte Antwortmitteilung MS an des Endgerät ED. Das Endgerät empfängt e-se die Antwortmitteilung MS des Netzwerkservers NS und setzt den normalen Betrieb fort. Figur 6 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen LoRaWAN-Mesh-Gateway- Netzwerks 1 , bei dem die erste und zweite Gateways Gn (siehe Fig. 1 , 3) in einem Gerät zusammengefasst sind. Diese sogenannten Mesh-Gateways MGDn sind eine Kombination eines ersten Gateways G1 und eines zweiten Gateways G2. Die Mesh- Gateways MGDn unterhalten sich mittels Multi-Hub-Funknetzwerk MHF untereinander, und mindestens ein Mesh-Gateway MGDn - in diesem Ausführungsbeispiel die Mesh- Gateways MGD3, MGD5, MGD7 - ist über das Standard-Internetprotokoll IP mit dem Netzwerkserver NS verbunden. During the third time-out et, the response message MS from the network server NS reaches the gateway G1 closest to the terminal ED. The sub-server unit SSE of the mesh gateway MGD1 checks the response message MS from the network server NS and assigns it to g1-c based on the information stored about the original message M1 from the terminal ED to identify the message M1 of the original message ME1 from the terminal ED and stores sMS and cMS also encrypts the response message MS of the network server NS. After the terminal ED has been reset after the third time-out et has expired, the terminal ED sends the original message ME4 a fourth time e-se. The nearest mesh gateway MGD1 receives the message ME4, identifies it as identical to the original message ME1 and sends the response message MS received from the network server NS and stored on the mesh gateway MGD1 to the terminal ED. The terminal e-se receives the response message MS from the network server NS and continues normal operation. FIG. 6 shows an embodiment of the LoRaWAN mesh gateway network 1 according to the invention, in which the first and second gateways Gn (see FIGS. 1, 3) are combined in one device. These so-called mesh gateways MGDn are a combination of a first gateway G1 and a second gateway G2. The mesh gateways MGDn communicate with each other using a multi-hub radio network MHF, and at least one mesh gateway MGDn—in this exemplary embodiment, the mesh gateways MGD3, MGD5, MGD7—is connected to the network server NS via the standard Internet protocol IP.
Erfindungsgemäß weist das LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerk 1 einen zweiten Server ZS (Fig. 6 a) auf, der die Funktionalitäten des Netzwerkservers NS ausführt. According to the invention, the LoRaWAN mesh gateway network 1 has a second server ZS (FIG. 6a), which executes the functionalities of the network server NS.
Insbesondere ist der zweite Server ZS ebenfalls wie der Netzwerkserver NS mit dem Applikationsserver AS verbunden. Der zweite Server ZS weist eine Sub-Server-Einheit mit Prozessor und Speichereinheit auf, die mit einem Programm und/oder Betriebssystem und/oder Firmware ausgestattet ist, das dafür geeignet ist, gemäß LoRaWAN-Protokoll für den Netzwerkserver NS vorgesehene Funktionalitäten auszuführen. In particular, the second server ZS is also connected to the application server AS like the network server NS. The second server ZS has a sub-server unit with a processor and memory unit, which is equipped with a program and/or operating system and/or firmware that is suitable for executing functionalities provided for the network server NS according to the LoRaWAN protocol.
In einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen LoRaWAN-Mesh-Gateway- Netzwerks 1 weisen alle Mesh-Gateways MGDn eine Sub-Server-Einheit mit Prozessor und Speichereinheit auf, die mit einem Programm und/oder Betriebssystem und/oder Firmware ausgestattet ist, das dafür geeignet ist. gemäß LoRaWAN-Protokoll für den Netzwerkserver NS vorgesehene Funktionalitäten auszuführen. Alle Mesh-Gateways MGDn sind also zugleich zweite Server ZSn und mit dem Applikationsserver AS verbunden. Das erfindungsgemäße LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerk 1 ist daher beliebig redundant aufgebaut und weist eine hohe und insbesondere beliebig ausbaubare Ausfallsicherheit auf. In a preferred variant of the LoRaWAN mesh gateway network 1 according to the invention, all mesh gateways MGDn have a sub-server unit with a processor and memory unit that is equipped with a program and/or operating system and/or firmware that is suitable for this is. to execute functionalities provided for the network server NS according to the LoRaWAN protocol. All mesh gateways MGDn are therefore also second servers ZSn and are connected to the application server AS. The LoRaWAN mesh gateway network 1 according to the invention is therefore constructed with any degree of redundancy and has a high level of failsafety that can in particular be expanded at will.
Figur 7 zeigt schematisch den Aufbau der im LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerk 1 angeordneten Komponenten. Ein Endgerät EDn weist neben den anderen der eigentlichen Funktion des Endgeräts geschuldeten Komponenten eine Kommunikationsschnittstelle nur zu einem Gateway FGDn, auf, die Verbindung ist drahtlos über LoRa (Zirpenfrequenzspreizungsmodulation) oder FSK (Frequenzmodulation). FIG. 7 schematically shows the structure of the components arranged in the LoRaWAN mesh gateway network 1. A terminal EDn has in addition to the other components owed to the actual function of the end device have a communication interface only to a gateway FGDn, the connection is wireless via LoRa (chirping frequency spread modulation) or FSK (frequency modulation).
Ein Front-End-Gateway FGDn weist jeweils eine Kommunikationsschnittstelle sowohl zu einem Endgerät EDn zum Datenaustausch und Versendung des ACK-Signals, als auch zu einem Grenz-Gateway BGDn auf. Die Verbindung zum Grenz-Gateway BGDn kann insbesondere über ein vermaschtes Multi-Hop-Netzwerk erfolgen, während die Verbindung zum Endgerät EDn eine Single-Hop-Verbindung ist. Die beiden Kommunikationsschnittstellen des Front-End-Gateways FGDn verwenden unterschiedliche Kommunikationskanäle, sodass über den verwendeten Kommunikationskanal der Absender zugeordnet werden kann. A front-end gateway FGDn has a communication interface both to a terminal EDn for data exchange and sending the ACK signal and to a border gateway BGDn. The connection to the border gateway BGDn can be made in particular via a meshed multi-hop network, while the connection to the terminal EDn is a single-hop connection. The two communication interfaces of the front-end gateway FGDn use different communication channels, so that the sender can be assigned via the communication channel used.
Ein Grenz-Gateway BGDn weist jeweils eine Kommunikationsschnittstelle zu einem Front- End-Gateway FGD und zu dem Netzwerkserver NS auf. Das Grenz-Gateway BGDn sendet dann die Daten eines Endgerätes EDn, das über Single-Hop- und Multi-Hop- Verbindung an das Grenz-Gateway BGDn versandt wurde, direkt mittels eines Internetprotokolls IP an den Netzwerkserver NS. Die Kommunikation des Grenz- Gateways BGD mit dem Netzwerkserver NS kann drahtgebunden oder auch drahtlos erfolgen. Jede Kommunikationsschnittstelle des Grenz-Gateways BGD verwendet einen eigenen zu dem von den jeweils anderen Kommunikationsschnittstellen unterschiedlichen Kommunikationskanal. A border gateway BGDn has a communication interface to a front-end gateway FGD and to the network server NS. The border gateway BGDn then sends the data from a terminal EDn, which was sent to the border gateway BGDn via a single-hop and multi-hop connection, directly to the network server NS using an Internet protocol IP. The communication of the border gateway BGD with the network server NS can be wired or wireless. Each communication interface of the border gateway BGD uses its own communication channel, which is different from that of the other communication interfaces.
Der zweite Server ZS, der die Funktionalitäten des Netzwerkservers NS ausführt, kann als eigenständiges Gerät im LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerk 1 angeordnet sein (Fig. 7 a). Mindestens ein Front-End-Gateway FGDn ist mit dem zweiten Server ZS verbunden. Der zweite Server ZSn kann auch in die Front-End-Gateways FGDn derart implementiert sein, dass die Front-End-Gateways FGDn eine Sub-Server-Einheit mit Prozessor und Speichereinheit aufweisen (Fig. 7 b). In der bevorzugten Variante (Fig. 7 c) des erfindungsgemäßen LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerks 1 weisen alle Front-End- Gateways FGDn sowie alle Grenz-Gateway BGDn eine Sub-Server-Einheit mit Prozessor und Speichereinheit auf und fungieren als zweite Server ZSn. The second server ZS, which executes the functionalities of the network server NS, can be arranged as an independent device in the LoRaWAN mesh gateway network 1 (FIG. 7a). At least one front-end gateway FGDn is connected to the second server ZS. The second server ZSn can also be implemented in the front-end gateways FGDn in such a way that the front-end gateways FGDn have a sub-server unit with a processor and memory unit (FIG. 7b). In the preferred variant (Fig. 7 c) of In the LoRaWAN mesh gateway network 1 according to the invention, all front-end gateways FGDn and all border gateways BGDn have a sub-server unit with a processor and memory unit and act as second servers ZSn.
Figur 8 zeigt eine Ausführungsform des LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerks 1 , bei der Front-End-Gateways FGDn und Grenz-Gateways BGDn in einem Gerät zusammengefasst sind. Die Mesh-Gateways MGDn sind eine Kombination der Front- End-Gateways FGDn und der Grenz-Gateways BGDn (s. Fig. 7). Die Mesh-Gateways MGDn unterhalten sich mittels Multi-Hop-Funknetzwerk MHF untereinander und mindestens ein Mesh-Gateway MGD ist über das Standard-Internetprotokoll IP mit dem Netzwerkserver NS verbunden. Ein Mesh-Gateway MGDn verfügt über eine ACK-Signal- Generierungseinheit und sendet nach Erhalt einer Mitteilung eines Endgerätes EDn ein ACK-Signal ACK an das Endgerät EDn, das die Mitteilung gesendet hat. Damit wird sichergestellt, dass eine Mitteilung des Endgerätes EDn an ein Mesh-Gateway MGDn korrekt an das Mesh-Gateway MGDn gesendet ist. Das Endgerät muss kein permanent aktives Download-Receive-Fenster besitzen und daher permanent aktiv sein, wie bei einem Endgerät der Klasse C, sondern kann beispielsweise auch ein Klasse A oder B Endgerät gemäß LoRaWAN-Spezifikation sein. Der Stromverbrauch und die Einsatzdauer des Endgerätes EDn werden somit erhöht. Der Ausfall eines Endgerätes EDn durch interne Fehler wird vermieden. FIG. 8 shows an embodiment of the LoRaWAN mesh gateway network 1 in which front-end gateways FGDn and border gateways BGDn are combined in one device. The mesh gateways MGDn are a combination of the front-end gateways FGDn and the border gateways BGDn (see FIG. 7). The mesh gateways MGDn communicate with one another via a multi-hop radio network MHF, and at least one mesh gateway MGD is connected to the network server NS via the standard Internet protocol IP. A mesh gateway MGDn has an ACK signal generation unit and, after receiving a message from a terminal EDn, sends an ACK signal ACK to the terminal EDn that sent the message. This ensures that a message from the terminal EDn to a mesh gateway MGDn is correctly sent to the mesh gateway MGDn. The end device does not have to have a permanently active download-receive window and therefore be permanently active, as with a class C end device, but can also be a class A or B end device according to the LoRaWAN specification, for example. The power consumption and the service life of the terminal EDn are thus increased. The failure of a terminal EDn due to internal errors is avoided.
Alle Mesh-Gateways MGDn weisen eine Sub-Server-Einheit mit Prozessor und Speichereinheit auf, die mit einem Programm und/oder Betriebssystem und/oder Firmware ausgestattet ist, das dafür geeignet ist. gemäß LoRaWAN-Protokoll für den Netzwerkserver NS vorgesehene Funktionalitäten auszuführen. Alle Mesh-Gateways MGDn sind also zugleich zweite Server ZSn und mit dem Applikationsserver AS verbunden. All mesh gateways MGDn have a sub-server unit with a processor and memory unit, which is equipped with a program and/or operating system and/or firmware that is suitable for this. to execute functionalities provided for the network server NS according to the LoRaWAN protocol. All mesh gateways MGDn are therefore also second servers ZSn and are connected to the application server AS.
Wie aus den Beispielen ersichtlich ist, erweitert diese Art der Kommunikation undAs can be seen from the examples, this type of communication expands and
Aufteilung der Gateways Gn in erste Gateways G1n und zweite Gateways G2n das LoRa- WAN-Netzwerk erheblich, wobei weiterhin LoRa-WAN-kompatible Endgeräte EDn zum Einsatz kommen können, die weit in unwegsame und mit üblichen Funknetzen nicht erreichbare Gegenden hinein verteilt und vernetzt werden können. Division of the gateways Gn into first gateways G1n and second gateways G2n the LoRa WAN network significantly, whereby LoRa-WAN-compatible end devices EDn can still be used, which can be distributed and networked far into impassable areas that cannot be reached with conventional wireless networks.
Die ersten Gateways G1 und die zweiten Gateways G2 sind untereinander über ein vermaschtes Multi-Hub-Funknetzwerk MHD verbunden. Dadurch benötigt das erste Gateway G1 keine direkte Internet-Verbindung 8, während es mit den Standard- Endgeräten EDn kommuniziert. Die Reichweite des LoRa-WAN- Netzwerks wird deutlich erweitert, weil das erste Gateway G1 über das vermaschte Multi-Hub-Funknetzwerk MHF in Verbindung mit den zweiten Gateways G2 steht und die Daten der Endgeräte EDn an den Internet-Netzwerkserver NS weiterleiten kann. Damit wird die Reichweitenlimitierung der von LoRa-WAN-Standard vorgesehenen Direktverbindung zwischen Endgeräten EDn und Gateways Gn aufgehoben. The first gateways G1 and the second gateways G2 are connected to one another via a meshed multi-hub radio network MHD. As a result, the first gateway G1 does not require a direct Internet connection 8 while it communicates with the standard terminals EDn. The range of the LoRa WAN network is significantly extended because the first gateway G1 is connected to the second gateway G2 via the meshed multi-hub radio network MHF and can forward the data from the end devices EDn to the Internet network server NS. This eliminates the range limitation of the direct connection between end devices EDn and gateways Gn provided by the LoRa WAN standard.
Gleichzeitig ist durch die Erfindung eine vollständige Kompatibilität mit handelsüblichen LoRa-Endgeräten EDn gegeben, weil das erste Gateway G1 und das Standard-LoRa- WAN-Funkprotokoll die Standard-LoRa-Funkverbindung einhält. Auf der anderen Seite nutzt auch das zweite Gateway G2 das Standard-Internetprotoll IP für die Kommunikation mit dem LoRA-WAN-Netzwerkserver NS, so dass auch auf dieser Seite vollständige Kompatibilität hergestellt ist. Die Erfindung ermöglicht daher die Reichweitenverlängerung von LoRA-WAN-Netzwerken, in dem es ein Multi-Hub-Funknetzwerk MHF mittels ersten Gateways G1 zwischenschaltet und dadurch eine vollständige Kompatibilität zur LoRa- WAN-Spezifikation einhält. Diese Art des Funknetzwerkes ist besonders in abgeschiedenen, ländlichen Bereichen besonders geeignet, in denen es weder eine kabelgebundene Internet-Anbindung noch eine geeignete Mobilfunk-Netzabdeckung (5G, 4G/LTE, 3G) gibt und somit die vom LoRa-Netzwerk vorgesehene sternförmige Netzwerktopologie, bei der das Gateway Gn eine direkte Internet-Anbindung IP benötigt, nicht möglich ist. Natürlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt.At the same time, the invention provides full compatibility with commercially available LoRa end devices EDn, because the first gateway G1 and the standard LoRa WAN radio protocol comply with the standard LoRa radio link. On the other hand, the second gateway G2 also uses the standard Internet protocol IP for communication with the LoRA WAN network server NS, so that full compatibility is also established on this side. The invention therefore enables the range of LoRA WAN networks to be extended by interposing a multi-hub radio network MHF using first gateways G1 and thereby maintaining full compatibility with the LoRa WAN specification. This type of wireless network is particularly suitable in remote, rural areas where there is neither a wired Internet connection nor suitable mobile network coverage (5G, 4G/LTE, 3G) and thus the star-shaped network topology provided by the LoRa network, where the gateway Gn requires a direct Internet connection IP is not possible. Of course, the invention is not limited to the illustrated embodiments.
Weitere Ausgestaltungen sind möglich, ohne den Grundgedanken zu verlassen. Further refinements are possible without departing from the basic idea.
B EZ U G SZ E I C H E N L I ST E REFERENCE MARK L I ST E
1 Lo Ra WAN - M es h -G ateway- N etzwerk 1 Lo Ra WAN Mesh Gateway N etwork
ED, EDn Endgeräte ED, EDn terminals
G, Gn Gateways G, Gn gateways
NS Internetnetzwerkserver NS internet network server
ZS, ZSn, ZS‘, ZSn‘ Zweiter Server ZS, ZSn, ZS', ZSn' Second server
AS Applikationsserver AS application server
IP Internetprotokoll IP internet protocol
MHF Multi-Hub-Funknetzwerk MHF multi-hub wireless network
MGD Mesh-Gateways MGD Mesh Gateways
FGD1 , FGDn Front-End-Gateway FGD1 , FGDn Front End Gateway
BGD1 , BGDn Grenz-Gateway BGD1 , BGDn border gateway
FSK FSK-Modulation FSK FSK modulation
WN Drahtgebundene Verbindung e-s Mitteilungsversand vom Endgerät e-r Mitteilungsempfang vom Endgerät e-t Time-Out-Fehler auf dem Endgerät e-se Mitteilungsversand und Mitteilungsempfang vom Endgerät g-f, g1-f, g2-f, gn-f Mitteilungsweiterleiten vom Gateway g1-s Mitteilungsversand vom Gateway g1-c Mitteilungsprüfung vom Gateway n-r Mitteilungsempfang auf dem Netzwerkserver n-s Mitteilungsversand vom Netzwerkserver a-r Mitteilungsempfang auf dem Applikationsserver WN Wired connection e-s sending of messages from the terminal e-r receiving of messages from the terminal e-t time-out error on the terminal e-se sending and receiving of messages from the terminal g-f, g1-f, g2-f, gn-f forwarding of messages from the gateway g1-s sending of messages from the gateway g1-c message check from gateway n-r message receipt on network server n-s message dispatch from network server a-r message receipt on application server
MG Gateway-Mitteilung gMG Generieren einer Gateway-Mitteilung cMG Verschlüsseln einer Gateway-Mitteilung sME Speichern einer Endgeräte-MitteilungMG Gateway Notice gMG Generate a gateway message cMG Encrypt a gateway message sME Store a terminal message
ME Endgeräte-Mitteilung ME terminal notification
MS, MS1 , MS2, Server-Mitteilung MS, MS1 , MS2, Server Message
MS3, MS4 cMS Verschlüsseln einer Server-Mitteilung MS3, MS4 cMS Encrypt a server message

Claims

PAT E N TA N S P R Ü C H E PAT E N TA N S P RUCHES E
1. Verfahren zur Kommunikation in einem LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerk (1), wobei das LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerk (1) über mehrere Endgeräte (ED), mehrere Gateways (Gn) und einen Netzwerkserver (NS) verfügt, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Server (ZS) Server-Funktionen des Kommunikationsverfahrens ausführt, die gemäß LoRaWAN-Protokoll für den Netzwerkserver (NS) vorgesehen sind. 1. Method for communication in a LoRaWAN mesh gateway network (1), wherein the LoRaWAN mesh gateway network (1) has multiple end devices (ED), multiple gateways (Gn) and a network server (NS), characterized in that a second server (ZS) performs server functions of the communication method that are provided for the network server (NS) according to the LoRaWAN protocol.
2. Verfahren zur Kommunikation in einem LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerk (1) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerk (1) über ein erstes Gateway (G1 ) und ein zweites Gateway (G2) verfügt, wobei das erste Gateway (G1) keine Single-Hop-Verbindung zu dem Netzwerkserver (NS) aufweist, wobei das erste Gateway (G1) der zweite Server ist und die Server-Funktionen des Kommunikationsverfahrens von dem ersten Gateway (G1) ausgeführt werden. 2. Method for communication in a LoRaWAN mesh gateway network (1) according to claim 1, characterized in that the LoRaWAN mesh gateway network (1) has a first gateway (G1) and a second gateway (G2). , wherein the first gateway (G1) does not have a single-hop connection to the network server (NS), wherein the first gateway (G1) is the second server and the server functions of the communication method are performed by the first gateway (G1).
3. Verfahren zur Kommunikation in einem LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerk (1) nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass auf dem ersten Gateway (G1) eine verschlüsselte Gateway-Mitteilung (cMG) generiert wird. 3. Method for communication in a LoRaWAN mesh gateway network (1) according to claim 1 or 2, characterized in that an encrypted gateway message (cMG) is generated on the first gateway (G1).
4. Verfahren zur Kommunikation in einem LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerk (1) nach Anspruch 3 oder 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Verschlüsselung der verschlüsselten Gateway-Mitteilung (cMG) auf dem ersten Gateway (G1 ) erfolgt. 4. Method for communication in a LoRaWAN mesh gateway network (1) according to claim 3 or 4 characterized in that the encrypted gateway message (cMG) is encrypted on the first gateway (G1).
5. Verfahren zur Kommunikation in einem LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerk (1 ) nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der verschlüsselten Endgeräte-Mitteilung (ME) um eine Mitteilung handelt, auf die das Endgerät (ED) gemäß LoRaWAN-Protokoll eine Antwort vom Netzwerkserver (NS) erwartet. 5. A method for communication in a LoRaWAN mesh gateway network (1) according to claim 4, characterized in that the encrypted terminal message (ME) is a message to which the terminal (ED) according to LoRaWAN Protocol expected a response from the network server (NS).
6. Verfahren zur Kommunikation in einem LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerk (1 ) nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die verschlüsselte Endgeräte-Mitteilung (ME) vom Gateway (G1 ) an den Netzwerkserver (NS) oder ein weiteres Gateway (G2, Gn) weitergeleitet wird. 6. Method for communication in a LoRaWAN mesh gateway network (1) according to claim 5, characterized in that the encrypted terminal message (ME) from the gateway (G1) to the network server (NS) or another gateway (G2, Gn) is forwarded.
7. Verfahren zur Kommunikation in einem LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerk (1 ) nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die verschlüsselte Gateway-Mitteilung (sMG) an das Endgerät (ED) versandt wird. 7. Method for communication in a LoRaWAN mesh gateway network (1) according to one or more of claims 3 to 6, characterized in that the encrypted gateway message (sMG) is sent to the terminal (ED).
8. Verfahren zur Kommunikation in einem LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerk (1 ) nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass der Versand der verschlüsselten Gateway-Mitteilung (sMG) vom Gateway (G1 ) an das Endgerät (ED) innerhalb der vom LoRaWAN-Protokoll definierten Receive- Fenster erfolgt. 8. Method for communication in a LoRaWAN mesh gateway network (1) according to claim 7, characterized in that the sending of the encrypted gateway message (sMG) from the gateway (G1) to the terminal (ED) within the LoRaWAN Protocol-defined receive window takes place.
33 Verfahren zur Kommunikation in einem LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerk (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass der Versand der verschlüsselten Gateway-Mitteilung (sMG) an das Endgerät (ED) und/oder der verschlüsselten Endgeräte-Mitteilung (sME) an das Gateway (G1) über eine Single-Hop-Verbindung erfolgt. Verfahren zur Kommunikation in einem LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerk (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die verschlüsselte Gateway-Mitteilung (sMG) von einem ersten Gateway (G1 ) generiert und/oder versandt wird. Verfahren zur Kommunikation in einem LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerk (1 ) nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein zweites Gateway (G2) mit dem Netzwerkserver (NS) mittels IP- Verbindung kommuniziert. Verfahren zur Kommunikation in einem LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerk (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass eine von einem Endgerät (ED) verschlüsselte und an das Gateway (G1) versandte Endgeräte-Mitteilung (sME) auf dem Gateway (G1) gespeichert wird. Verfahren zur Kommunikation in einem LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerk (1) nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass die auf dem Gateway (G1) gespeicherte verschlüsselte Endgeräte-Mitteilung (sME) erst aus dem Speicher des Gateways (G1) gelöscht wird, wenn eine der Endgeräte- Mitteilung (ME) zugeordnete verschlüsselte Server-Mitteilung (sMS) vom Netzwerkserver (NS) an das Endgerät (ED) versandt wurde. Verfahren zur Kommunikation in einem LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerk (1 ) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass eine von dem Netzwerkserver (NS) generierte und an das Gateway (G1 ) versandte und verschlüsselte Server-Mitteilung (sMS) auf dem Gateway (G1 ) gespeichert wird. Verfahren zur Kommunikation in einem LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerk (1 ) nach Anspruch 14 dadurch gekennzeichnet, dass die auf dem Gateway (G1 ) gespeicherte verschlüsselte Server-Mitteilung (sMS) erst aus dem Speicher des Gateways (G1 ) gelöscht wird, wenn eine der verschlüsselten Server-Mitteilung (sMS) zugeordnete verschlüsselte Endgeräte-Mitteilung (sME) vom Gateway (G1 ) empfangen wurde. Verfahren zur Kommunikation in einem LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerk (1 ) nach Anspruch 14 oder 15 dadurch gekennzeichnet, dass die auf dem Gateway (G1 ) gespeicherte verschlüsselte Server-Mitteilung (MS) erst aus dem Speicher des Gateways (G1 ) gelöscht wird, wenn die verschlüsselte gespeicherte Server-Mitteilung (MS) vom Gateway (G1 ) an das Endgerät (ED) gesendet wurde. Verfahren zur Kommunikation in einem LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerk (1 ) nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 16 dadurch gekennzeichnet, dass die auf dem Gateway (G1 ) gespeicherte verschlüsselte Server-Mitteilung (MS) innerhalb eines Receive-Fensters des Endgerätes (ED) vom Gateway (G1 ) an das Endgerät (ED) gesendet wird. 33 Method for communication in a LoRaWAN mesh gateway network (1) according to one or more of claims 3 to 8, characterized in that the sending of the encrypted gateway message (sMG) to the terminal (ED) and / or the encrypted terminals message (sME) to the gateway (G1) via a single-hop connection. Method for communication in a LoRaWAN mesh gateway network (1) according to one or more of Claims 3 to 9, characterized in that the encrypted gateway message (sMG) is generated and/or sent by a first gateway (G1). . Method for communication in a LoRaWAN mesh gateway network (1) according to one or more of claims 3 to 10, characterized in that at least one second gateway (G2) communicates with the network server (NS) by means of an IP connection. Method for communication in a LoRaWAN mesh gateway network (1) according to one or more of the preceding claims, characterized in that a terminal (ED) encrypted and sent to the gateway (G1) terminal message (sME) on the Gateway (G1) is saved. Method for communication in a LoRaWAN mesh gateway network (1) according to claim 12, characterized in that the encrypted terminal message (sME) stored on the gateway (G1) is only deleted from the memory of the gateway (G1) when one of the terminals Message (ME) associated encrypted server message (sMS) from the network server (NS) to the terminal (ED) was sent. Method for communication in a LoRaWAN mesh gateway network (1) according to one or more of the preceding claims, characterized in that one of the network server (NS) generated and sent to the gateway (G1) and encrypted server message (sMS) is stored on the gateway (G1). Method for communication in a LoRaWAN mesh gateway network (1) according to claim 14, characterized in that the on the gateway (G1) stored encrypted server message (sMS) is only deleted from the memory of the gateway (G1) when an encrypted terminal message (sME) assigned to the encrypted server message (sMS) was received by the gateway (G1). Method for communication in a LoRaWAN mesh gateway network (1) according to claim 14 or 15, characterized in that the encrypted server message (MS) stored on the gateway (G1) is only deleted from the memory of the gateway (G1). , when the encrypted stored server message (MS) from the gateway (G1) to the terminal (ED) was sent. Method for communication in a LoRaWAN mesh gateway network (1) according to one or more of claims 14 to 16, characterized in that the encrypted server message (MS) stored on the gateway (G1) is sent from the gateway (G1) to the terminal (ED) within a receive window of the terminal (ED).
18. Verfahren zur Kommunikation in einem LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerk (1 ) nach Anspruch 17 dadurch gekennzeichnet, dass das Receive-Fensters des Endgerätes (ED) ein Receive-Fenster ist, das durch ein wiederholtes Versenden einer verschlüsselten Endgeräte-Mitteilung (ME) an das Gateway (G1 ) generiert wird. 18. Method for communication in a LoRaWAN mesh gateway network (1) according to claim 17, characterized in that the receive window of the end device (ED) is a receive window that is triggered by repeated sending of an encrypted end device message ( ME) to the gateway (G1) is generated.
19. Verfahren zur Kommunikation in einem LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerk (1 ) nach Anspruch 18 dadurch gekennzeichnet, dass das wiederholte Versenden einer verschlüsselten Endgeräte-Mitteilung (ME) an das Gateway (G1 ) nach einem Timeout des Endgerätes (ED) erfolgt. 19. Method for communication in a LoRaWAN mesh gateway network (1) according to claim 18, characterized in that the repeated sending of an encrypted terminal message (ME) to the gateway (G1) takes place after a timeout of the terminal (ED). .
20. Verfahren zur Kommunikation in einem LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerk (1 ) nach Anspruch 19 dadurch gekennzeichnet, dass das Timeout des Endgerätes (ED) infolge einer innerhalb der zwei gemäß LoRaWAN-Protokoll definierten Receive-Fenster unbeantworteten verschlüsselten Endgeräte-Mitteilung (ME) entsteht. 20. A method for communication in a LoRaWAN mesh gateway network (1) according to claim 19, characterized in that the timeout of the terminal (ED) as a result of an unanswered encrypted terminal message within the two receive windows defined according to the LoRaWAN protocol ( ME) arises.
21 . LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerk (1 ) mit wenigstens einem Netzwerkserver (NS), mehreren Gateways (Gn) und mehreren Endgeräten (EDn), dadurch gekennzeichnet, dass das LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerk (1 ) einen zweiten Server (ZS) aufweist, der dafür vorgesehen und dafür geeignet ist, parallel zum Netzwerkserver (NS) 21 . LoRaWAN mesh gateway network (1) with at least one network server (NS), multiple gateways (Gn) and multiple terminals (EDn), characterized in that the LoRaWAN mesh gateway network (1) has a second server (ZS ) intended and suitable for running in parallel with the network server (NS)
36 gemäß LoRaWAN-Protokoll für den Netzwerkserver (NS) vorgesehene Funktionalitäten auszuführen. LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerk (1 ) nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Server (ZS) eine Sub-Server-Einheit (SSE) aufweist, die mit einem Programm und/oder Betriebssystem und/oder Firmware ausgestattet ist, das dafür geeignet ist, gemäß LoRaWAN-Protokoll für den Netzwerkserver (NS) vorgesehene Funktionalitäten auszuführen. LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerk (1 ) nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Sub-Server-Einheit einen Speicher und/oder einen Prozessor aufweist. LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerk (1 ) nach einem oder mehreren der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerk (1) unterschiedliche Gateway-Typen (Gn) aufweist. LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerk (1 ) nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerk (1) ein erstes Gateway (G1) und ein zweites Gateway (G2) aufweist. LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerk (1 ) nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gateway (G1) der zweite Server (ZS) ist. LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerk (1 ) nach Anspruch 26, 36 to execute functionalities provided for the network server (NS) according to the LoRaWAN protocol. LoRaWAN mesh gateway network (1) according to claim 21, characterized in that the second server (ZS) has a sub-server unit (SSE) which is equipped with a program and/or operating system and/or firmware, which is suitable for executing functionalities intended for the network server (NS) according to the LoRaWAN protocol. LoRaWAN mesh gateway network (1) according to claim 22, characterized in that the sub-server unit has a memory and/or a processor. LoRaWAN mesh gateway network (1) according to one or more of claims 21 to 23, characterized in that the LoRaWAN mesh gateway network (1) has different gateway types (Gn). LoRaWAN mesh gateway network (1) according to claim 24, characterized in that the LoRaWAN mesh gateway network (1) has a first gateway (G1) and a second gateway (G2). LoRaWAN mesh gateway network (1) according to claim 25, characterized in that the first gateway (G1) is the second server (ZS). LoRaWAN mesh gateway network (1) according to claim 26,
37 dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gateway (G1 ) die Sub-Server-Einheit (SSE) aufweist. 37 characterized in that the first gateway (G1) has the sub-server unit (SSE).
28. LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerk (1 ) nach einem oder mehreren der Ansprüche28. LoRaWAN mesh gateway network (1) according to one or more of the claims
25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gateway (G1 ) über eine erste Gateway-Kommunikationsschnittstelle zur Kommunikation mit einem Endgerät (ED) und einer zweiten Gateway- Kommunikationsschnittstelle zur Kommunikation mit einem anderen ersten Gateway25 to 27, characterized in that the first gateway (G1) via a first gateway communication interface for communication with a terminal (ED) and a second gateway communication interface for communication with another first gateway
(G1 ) und/oder einem zweiten Gateway (G2) verfügt. (G1) and/or a second gateway (G2).
29. LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerk (1 ) nach einem oder mehreren der Ansprüche 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass jedes erste Gateway (G1 ) zur drahtlosen Punkt-zu-Punkt-Kommunikation mit einer Vielzahl von Endgeräten (EDn) unter Verwendung von Single-Hop LoRa- oder FSK- Funk unter Verwendung des LoRa-WAN-Protokolls geeignet ist. 29. LoRaWAN mesh gateway network (1) according to one or more of claims 25 to 28, characterized in that each first gateway (G1) for wireless point-to-point communication with a plurality of terminals (EDn) under using single-hop LoRa or FSK radio using the LoRa WAN protocol.
30. LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerk (1 ) nach einem oder mehreren der Ansprüche 25 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gateway (G1 ) und das zweite Gateway (G2) mit einer Vielzahl von Mesh- Gateway-Vorrichtungen (MGD) kombiniert sind und wenigstens eine der Mesh- Gateway-Vorrichtungen (MGD) keine direkte IP-Verbindung (IP) aufweist. 30. LoRaWAN mesh gateway network (1) according to one or more of claims 25 to 29, characterized in that the first gateway (G1) and the second gateway (G2) with a plurality of mesh gateway devices (MGD ) are combined and at least one of the mesh gateway devices (MGD) does not have a direct IP connection (IP).
31 . LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerk (1 ) nach einem oder mehreren der Ansprüche31 . LoRaWAN mesh gateway network (1) according to one or more of the claims
25 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass 25 to 30, characterized in that
38 ein zweites Gateway (G2) zur Kommunikation mittels einer Standard-IP-Verbindung (IP) und unter Verwendung des LoRaWAN-Protokolls mit dem Netzwerkserver (NS) vorgesehen ist. 38 a second gateway (G2) is provided for communication by means of a standard IP connection (IP) and using the LoRaWAN protocol with the network server (NS).
32. LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerk (1 ) nach Anspruch 31 , dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Gateway (G2) über eine erste Gateway-Kommunikationsschnittstelle zur Kommunikation mit einem Netzwerkserver (NS) und eine zweite Gateway- Kommunikationsschnittstelle zur Kommunikation mit einem ersten Gateway (G1) verfügt. 32. LoRaWAN mesh gateway network (1) according to claim 31, characterized in that the second gateway (G2) via a first gateway communication interface for communication with a network server (NS) and a second gateway communication interface for communication with a first gateway (G1).
33. LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerk (1 ) nach einem oder mehreren der Ansprüche 25 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Gateways (G1) jeweils mit einem zweiten Gateway (G2) in einem Mesh- Gateway (MGD) integriert sind. 33. LoRaWAN mesh gateway network (1) according to one or more of claims 25 to 32, characterized in that the first gateways (G1) are each integrated with a second gateway (G2) in a mesh gateway (MGD). .
34. LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerk (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 21 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass das LoRaWAN-Mesh-Gateway-Netzwerk (1) ein drahtloses Multi-Hop-Funk- Netzwerk ist. 34. LoRaWAN mesh gateway network (1) according to one or more of the preceding claims 21 to 33, characterized in that the LoRaWAN mesh gateway network (1) is a wireless multi-hop radio network.
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