LoRa und LoRaWAN

➡️  Low Power Wide Area Network

Was ist LoRa und LoRaWAN?

LoRaWAN (Longe Range Wide Area Network) gehört zur Gruppe der Low Power Wide Area Networks (LPWAN) oder auch Niedrigenergieweitverkehrnetzwerke. Darunter versteht man Netzwerke mit schmalen Funkbändern, hoher Reichweite und niedriger Sendeleistung. LoRaWAN ermöglicht die drahtlose Übertragung von Daten über weite Entfernungen und von abgelegenen Regionen oder schwer zugänglichen Orten.

Die Technologie kommt ohne Breitband aus und zeichnet sich durch hohe Energieeffizienz, niedrige Kosten und große Sicherheit aus. Sie wurde speziell für das Internet of things (IoT) und das Industrial Internet of things (IIoT) entwickelt. Dabei handelt es sich um Netzwerke physischer Objekte, in welchen Gegenstände und Maschinen intelligent miteinander verbunden werden. LoRaWAN erfüllt die wesentlichen Anforderungen des IoT wie eine sichere bidirektionale Kommunikation zwischen den Komponenten des Netzwerks, eine Ende-zu-Ende-Verschlüsselung und die Mobilität von Dienstleistungen. Zudem lassen sich LoRaWAN-Netzwerke sowohl im Freien als auch in Innenräumen ohne aufwendige Installationen anbringen und ermöglichen so eine unkomplizierte Verbindung unterschiedlicher Systeme und Techniken.

Komponenten im Low Power Wide Area Network

Über LoRaWAN können verschiedene Geräte und Systeme nahtlos miteinander interagieren. Die wesentlichen Komponenten dieses Netzwerks sind

Nodes, welche Messwerte ermitteln und an das Gateway senden
Gateways, welche die Daten an den Server weiterleiten
Server, welche die Daten weiterverarbeiten und Geräte verwalten

Node

Unter Nodes versteht man Endgeräte wie Sensoren oder Messgeräte, die Daten aus der Umgebung ermitteln und diese verschlüsselt als Datenpaket an ein Gateway senden. Mit LoRaWAN können dabei mehrere hundert oder tausende von Sensoren in ein Netzwerk eingebunden werden.

LoRaWAN Gateway

Beim Gateway handelt es sich um die Schnittstelle zwischen den Nodes und dem LoRa-Server. Es nimmt die von den Sensoren übermittelten Datenpakete auf und sendet sie via LTE/ LAN an den Server weiter. Dabei sorgt eine LoRaWAN-Protokoll-Verbindung für eine sichere Übergabe an die Anwendungsschnittstelle des Servers (API). Damit ein Gateway die Informationen eines Nodes empfangen kann, muss es in einer bestimmten Reichweite platziert sein. Befinden sich mehrere Gateways in der Nähe eines Endgerätes, so geht die Nachricht flexibel an das jeweils geeignetste Gerät.

Server

Über die API gelangen die Daten auf den Server, wo sie weiterverarbeitet oder gespeichert werden. Dabei hat der Server vielfältige Aufgaben: Er entschlüsselt die empfangenen Nachrichten, filtert überschüssige Informationen aus, führt die Daten der richtigen Anwendung zu, verschlüsselt Nachrichten, die per Downlink an eine Endgerät geschickt werden sollen, und wählt das dafür geeignete Gateway aus. Oft handelt es sich in einem komplexen System um eine Aneinanderreihung mehrerer Server mit unterschiedlichen Aufgaben. Daneben befinden sich auf dem Server Schnittstellen für weitere Geräte des IoT, andere Endgeräte und Programme.

Anordnung der Komponenten in Sterntopologie

Das Netzwerk LoRaWAN ist üblicherweise sternförmig angeordnet, wobei der zentrale Netzwerkserver den Mittelpunkt darstellt und die Gateways die Verbindung zwischen ihm und den Nodes bilden. Dabei kann ein Datenpaket eines Endgeräts grundsätzlich von allen Gateways in seiner Reichweite empfangen werden. Durch die Sterntopologie wird sichergestellt, dass immer das Gateway verwendet wird, das im jeweiligen Moment am besten geeignet ist. Während die Sensoren und Messgeräte ihre Daten über eine Single-Hop-Verbindung (Übergang, bei dem zwischen Absender und Empfänger genau eine Schnittstelle liegt) an die Gateways übergeben, sind die Gateways über einen Standard-IP-Anschluss mit dem Netzwerkserver verbunden. Normalerweise ist die Kommunikation zwischen allen Verbindungspunkten bidirektional.

Unterschied zwischen LoRa und LoRaWAN

Unter LoRa versteht man die von der Firma Semtech entwickelte Funktechnik, welche eine weitreichende und zugleich stromsparende Datenübertragung ermöglicht. LoRa wird zwischen den Sensoren und dem Gateway verwendet.

LoRaWAN beschreibt die Architektur des Netzwerks und stellt die Regeln und Strukturen für die Kommunikation zwischen den einzelnen Komponenten auf. Auf diese Weise kann jedes LoRaWAN-fähige Gerät problemlos in ein bestehendes Netzwerk integriert werden.

Zur Veranschaulichung ein Vergleich mit einem Konzert: hier steht LoRa für die vielen Musiker und deren Möglichkeit, mit ihren unterschiedlichen Instrumenten Klänge zu erzeugen. LoRaWAN entspricht den Noten und dem Dirigenten, der die Einsätze koordiniert, so dass ein harmonisches Zusammenspiel entsteht.

Vorteile von LoRaWAN

Sehr hohe Reichweite

Ein großer Vorteil der LoRa-Funktechnologie ist ihre große Reichweite. In ländlichen, unverbauten Regionen können Signale über eine Distanz von bis zu 15 km übertragen werden. In Stadtgebieten sind bis zu zwei Kilometer möglich, wenn Gateways und Sensoren optimal positioniert werden. In den meisten Fällen stellen auch dicke Betonwände und auf unterschiedliche Etagen verteilte Messgeräte kein Problem dar. Dadurch eignet sich diese Technologie hervorragend für das Internet der Dinge.

Lange Batterielaufzeiten

Aufgrund des geringen Energieverbrauchs der LoRa-Funksensoren sind die Batterien sehr langlebig und verfügen nach Angabe der Hersteller über eine Laufzeit von bis zu 10 Jahren. Dadurch reduziert sich der Wartungs- und Kostenaufwand erheblich.

Allerdings sollte bei dieser Laufzeitangabe berücksichtigt werden, dass sie pauschal ist und in der Praxis stark variieren kann. Hierbei spielen im Wesentlichen drei Parameter eine Rolle:

Senderaten und –intervalle: Je öfter ein Messgeräte Daten sendet, desto höher ist der Energieverbrauch. Je nach Anwendungsfall liegen die Sendezeiten von LoRa-Sensoren zwischen einigen Minuten oder aber 24 Stunden. Manche Sensoren übertragen auch nur dann, wenn kritische Werte erreicht sind, und befinden sich lange Zeit im „Schlafmodus“, (Energiesparmodus) was die Batterielaufzeit entsprechend verlängert.

Entfernung und Barrieren zwischen Messgeräten und Gateways: Je weiter ein Sensor vom Gateway entfernt ist, desto mehr Leistung wird bei der Übermittlung der Daten benötigt. Auch die Überwindung von Hindernissen wie dicken Wänden kostet Energie.
Menge der übermittelten Daten: Abhängig von der Datenmenge wird für die Übertragung mehr oder weniger Zeit benötigt. Bei einer einzelnen Datenübertragung handelt es sich nur um Millisekunden, so dass die Auswirkung auf die Leistungsaufnahme kaum ins Gewicht fällt. Über die Jahre hinweg summieren sich diese kleinen Schwankungen jedoch auf und können die Batterielaufzeit beeinflussen.

Datensicherheit bei LoRa

Die Datenverschlüsselung über die gesamte Strecke zwischen Sender und Netzwerkserver macht die LoRaWAN-Technologie sehr sicher. Jedes Netzwerk verfügt über einen einzigartigen Schlüssel, den sogenannten App-Key, und eine weltweit eindeutige Kennzeichnung. Zusätzlich wird an jedem Knotenpunkt des Netzwerks die Identität des agierenden Gateways verifiziert, bevor die Verbindung zustande kommt.

Flexibilität

LoRaWAN-Netzwerke lassen sich sowohl im Außenbereich als auch in Innenräumen einfach installieren. Dadurch sind sie flexibel einsetzbar.

Nutzung freier Frequenzbänder

Da die LoRaWAN-Technologie freie Frequenzbänder verwendet, fallen weder Lizenzgebühren noch Mobilfunkkosten an. So kann LoRaWAN in Deutschland überall gebührenfrei genutzt werden.

Bidirektionale Kommunikation

LoRaWAN ermöglicht eine Datenübertragung in beide Richtungen. Bei der bidirektionalen Kommunikation können die eingebundenen Module sowohl als Sender als auch als Empfänger agieren und ihre Rolle je nach Bedarf wechseln. Während also üblicherweise die Sensoren Daten an das Netzwerk senden, können mittels einer Umkehrung zum Beispiel vom Server aus Geräteparameter geändert werden.

Keine Interferenzen

Bei LoRaWANs handelt es sich um freie Netzwerke, die ohne Einschränkungen in ganz Europa genutzt werden können. Es ist unwahrscheinlich, dass Interferenzen oder Beeinträchtigungen auftreten. Daher lässt sich LoRaWAN auch in der Nähe von sensiblen Bereichen und Anlagen wie Krankenhäusern und Flughäfen verwenden.

Beispiel für den Einsatz von LoRa WAN

Ein typisches Beispiel für die Anwendung von LoRaWAN wäre die Überwachung einer großen Industriehalle mit verschiedenen Sensoren und Messgeräten. Diese Nodes ermitteln unterschiedliche Parameter wie zum Beispiel das Raumklima in der Halle (Temperatur, Luftfeuchtigkeit, etc.), aber auch Maschinendaten (Stromverbrauch, Laufzeit etc.) und senden sie an ein Gateway. Dieses wiederum gibt die Informationen an den Server weiter, wo sie interpretiert werden. Auf Grundlage der Auswertungen können nun vom Netzwerk aus Maßnahmen veranlasst werden, wie zum Beispiel das Abschalten einer Maschine oder das Auslösen eines Alarms.

Anwendungsmöglichkeiten

Besonders in Smart Cities lassen sich LoRaWAN-Technologien und das IoT vielseitig einsetzen. Man findet sie schon heute in der Energie- und Wasserwirtschaft. Aber auch in allen anderen Bereichen, wo keine riesigen Datenmengen übertragen werden müssen und keine Echtzeitauswertungen notwendig sind, lässt sich die LoRaWAN-Technologie verwenden. Beispiele hierfür wären die Überwachung der Luftqualität, die automatische Regulierung des Straßenverkehrs und der Straßenbeleuchtung sowie Smart Parking. Für die meisten Smart City-Konzepte eignet sich das energieeffiziente LoRaWAN besser als herkömmliche Mobilfunk-Technologien.

LoRaWAN im Vergleich zu anderen Funktechnologien

Mit LoRaWAN lassen sich große Distanzen bei einem verhältnismäßig geringen Leistungsaufwand überwinden. Bei der herkömmlichen Übertragung via WLAN oder Bluetooth hingegen können Daten nur über eine Reichweite von etwa 100 m gesendet werden. Für viele Anwendungen, wie auch die oben genannten, reicht das nicht aus. Hinzu kommt, dass die Möglichkeit der bidirektionalen Kommunikation fehlt und dass der Leistungsaufwand bei WLAN wesentlich höher ist als bei der LoRa-Technologie. Wo allerdings größere Datenpakete übertragen werden müssen, sind andere Netzwerke überlegen. Die Datenübertragungsrate ist bei LoRaWAN auf maximal 50 Kilobit pro Sekunde beschränkt.

Vergleichbare LPWAN-Technologien zur Abdeckung großer geografischer Distanzen findet man unter den Namen:

• SigFox
• Weightless
• Symphony Link
• RPMA 
• Narrow-Band IoT

Diese unterscheiden sich von LoRaWAN im Wesentlichen durch die Architektur des Netzwerks. Bei einigen wird dieses von Telekommunikationsunternehmen zur Verfügung gestellt, was zur Folge hat, dass dem Nutzer für die Versendung von Nachrichten Kosten entstehen. LoRaWAN dagegen ist ein kostenloses und für jedermann nutzbares Funknetz.