Das Einmaleins des LoRaWAN: Ein Überblick über eine der interessantesten IoT-Technologien auf dem Markt!

Wenn Sie mit vernetzten Geräten arbeiten, haben Sie vielleicht schon das eine oder andere Mal von LoRaWAN gehört. Es handelt sich hierbei um ein Netzwerkprotokoll, das für lange Reichweiten ausgelegt ist. So ermöglicht es die Vernetzung von Dingen mit dem Internet auch über größere Reichweiten bei einem geringen Energieverbrauch. Damit wird eines der großen Probleme gelöst, vor dem Anwendungen innerhalb des Internet of Things („Internet der Dinge“) bisher standen. Mit Akkulaufzeiten von bis zu fünf Jahren sowie geringen Instandhaltungskosten für das Sensorennetzwerk lässt sich das LoRaWAN für verschiedenste neue Anwendungsfälle nutzen.

Damit haben Sie auch schon einen kurzen Überblick über das, was das LoRaWAN kann. In diesem Artikel beschäftigen wir uns mit der Architektur, den wichtigsten Eigenschaften der Kerntechnologie und den neuesten Anwendungsfällen, in denen es zum Einsatz kommt.

Das Tolle an dieser Technologie ist, dass sie auf einem offenen Standard basiert. Es verwendet ein unlizensiertes Spektrum als Bestandteil des ISM-Frequenzbands („Industrial, Scientific and Medical“, Deutsch: Industrie, Wissenschaft und Medizin). In Europa nutzt das LoRaWAN den Frequenzbereich 868 MHz, während in den USA das Frequenzband 915 MHz freigegeben ist. Durch die Verwendung des unlizensierten Spektrums ist es ganz einfach, ein eigenes Netzwerk aufzusetzen und zu nutzen. Viele Telekommunikationsbetreiber nutzen LoRaWAN bereits und bieten die Technologie im Rahmen ihres Serviceangebots in zahlreichen Ländern weltweit an. So setzen Comcast, KPN, Orange, SK Telecom und viele weitere Anbieter aktiv groß angelegte Einführungen in ihren Märkten um. Damit wird LoRaWAN als Technologie noch interessanter, da es mit den Netzwerken verschiedener Betreiber – groß und klein – kompatibel ist.

Der LoRaWAN-Standard wird von der LoRa Alliance überwacht, die sich wiederum aus über 500 Mitgliedern zusammensetzt, die das Protokoll unterstützen und viele ihrer Bauelemente, Produkte und Dienstleistungen auf LoRaWAN ausrichten. Dazu gehören unter anderem Unternehmen wie ARM, Cisco, Microchip, Softbank und ST. Weitere Informationen finden Sie hier.

Lora-Logo

Was unterscheidet LoRa von LoRaWAN?

Beginnen wir mit der Definition von LoRa – was ist es genau und wie unterscheidet es sich von LoRaWAN? LoRa ist eine Drahtlostechnologie ähnlich gängigerer Technologien wie Wi-Fi oder WLAN, Bluetooth, LTE und Zigbee. Eine Technologie deckt jedoch oftmals nicht alle Anforderungen ab, was bedeutet, dass Benutzer Kompromisse in Kauf nehmen müssen. LoRa erfüllt die Nachfrage nach kostengünstigen, batteriebetriebenen Geräten, die Daten über große Reichweiten übermitteln können. Für die Übermittlung von Daten über große Bandbreiten ist LoRa jedoch nicht die geeignete Lösung. LoRa ist eine Technologie, die zu übermittelnde Daten in elektromagnetische Wellen umwandelt. Diese Modulationstechnik innerhalb von LoRa wird auch Chirp Spread Spectrum genannt und kommt in der Militär- und Raumfahrtkommunikation bereits seit Jahrzehnten zum Einsatz. Dies ist auf die lange Kommunikationsreichweite und die geringe Störanfälligkeit zurückzuführen.

LoRaWAN hingegen ist das MAC-Protokoll für das auf dem Internet of Things basierte Netzwerk an hochleistungsfähigen LoRa-Knoten, die lange Reichweiten abdecken und einen geringen Energiebedarf aufweisen. Es nutzt die weiter oben beschriebenen Vorteile von Lora und optimiert die Batterielebensdauer sowie die Servicequalität für die LoRa-Knoten. Das Protokoll ist vollständig bidirektional, wodurch eine zuverlässige Nachrichtenübertragung (Bestätigung) sichergestellt wird. Für Sicherheits- und Datenschutzzwecke, Over-the-Air-Registrierungen von Endnoten und Multicast-Funktionen ist eine End-to-End-Verschlüsselung gegeben. Der Standard gewährleistet zudem eine Kompatibilität mit LoRaWAN-Netzwerken auf der ganzen Welt.

LoRaWAN-Architektur

Die LoRaWAN-Architektur setzt sich hauptsächlich aus vier Elementen zusammen:

  • Endknoten
  • Gateway (Basisstationen/Router)
  • Netzwerkserver
  • Anwendungsserver

Endknoten

Endknoten sind physische Hardware-Geräte, die mit Sensorfunktionen, einer gewissen Rechenleistung sowie einem Funkmodul zur Übersetzung der Daten in ein Funksignal ausgestattet sind. Diese Endgeräte können Daten an das Gateway übermitteln und diese auch empfangen. Schon mit einer kleinen Batterie können sie eine Lebensdauer von mehreren Jahren erreichen, wenn sie zur Optimierung des Energieverbrauchs in den Tiefschlafmodus versetzt werden.

Wenn ein Endgerät eine Nachricht an das Gateway sendet, wird dies als „Uplink“ bezeichnet. Die Antwort, die das Endgerät vom Gateway erhält, wird „Downlink“ genannt. Auf dieser Grundlage wird zwischen drei Arten von Endgeräten unterschieden:

  • Klasse A
  • Klasse B
  • Klasse C

Geräte der Klasse A weisen im Vergleich mit den beiden anderen Klassen den geringsten Energieverbrauch auf. Diese hingegen können nur dann einen Downlink empfangen, wenn sie einen Uplink gesendet haben. Geräte der Klasse A eignen sich für das Übermitteln von Daten in zeitbasierten Intervallen (z. B. alle 15 Minuten) oder für Geräte, die Daten ereignisbasiert (z. B. wenn die Temperatur über 21 Grad steigt oder unter 19 Grad fällt) senden.

Endknoten der Klasse B ermöglichen mehr Nachrichten-Slots für Downlinks als die Klasse A. Dadurch wird die Latenz der Nachrichten verringert, was jedoch gleichzeitig auch weniger energieeffizient ist.

Die Klasse C verfügt schließlich über ein laufendes Empfangsfenster, das nur dann geschlossen wird, wenn das Gerät eine Uplink-Nachricht übermittelt. Daher handelt es sich hierbei um die am wenigsten energieeffiziente Variante, für deren Betrieb oftmals eine Konstantstromquelle erforderlich ist.

Gateways

Gateways sind auch als Modems oder Zugangspunkte bekannt. Ein Gateway ist gleichzeitig ein Hardware-Gerät, das alle LoRaWAN-Nachrichten von Endgeräten empfängt. Diese Nachrichten werden dann in ein Array von Bits umgewandelt, welches über herkömmliche IP-Netzwerke übermittelt werden kann. Das Gateway ist mit dem Netzwerkserver verknüpft, der alle Nachrichten überträgt.

Gateways sind transparent und verfügen über eine eingeschränkte Rechenleistung. Komplexere Aufgaben werden im Netzwerkserver ausgeführt. Abhängig von Nutzung und Typ sind Gateways in zwei Ausführungen erhältlich:

  • Gateways für die Nutzung im Innenbereich, z. B. Multitech Conduit, The Things Gateway
  • Gateways für die Nutzung im Außenbereich, z. B. die Kerlink IoT Station, LoRiX One

Netzwerkserver

Alle Nachrichten von den Gateways werden an den Netzwerkserver weitergeleitet. Hier finden die komplizierteren Prozesse der Datenverarbeitung statt. Der Netzwerkserver ist verantwortlich für:

  • das Routing/Weiterleiten von Nachrichten an die richtige Anwendung;
  • die Auswahl des besten Gateways für Downlink-Nachrichten. Diese Entscheidung wird in der Regel auf Grundlage einer Link-Qualitätsanzeige getroffen, die wiederum über die RSSI (Received Signal Strength Indication) und den SNR (Signal to Noise Radio) von Paketen berechnet wird, die zuvor empfangen wurden;
  • die Entfernung doppelter Nachrichten, wenn diese von mehreren Gateways empfangen wurden;
  • das Entschlüsseln von Nachrichten, die von Endknoten versandt werden, sowie das Verschlüsseln von Nachrichten, die an die Knoten zurückgeschickt werden;
  • Gateways verbinden sich in der Regel mit dem Netzwerkserver auf einem verschlüsselten Internet-Protocol-(IP-)Link. Das Netzwerk umfasst für gewöhnlich die Inbetriebnahme des Gateways sowie eine Überwachungsschnittstelle, die es dem Netzwerkanbieter ermöglicht, Gateways zu verwalten, Störungen zu beheben, Alarme zu überwachen etc. ...
„The Things Network“

„The Things Network“ ist ein weltweit offenes Netzwerk, in dem IoT-Daten per Crowdsourcing bereitgestellt werden. Dieses weltweit erreichbare IoT-Datennetzwerk nutzen über 20.000 Menschen aus über 90 Ländern mithilfe von LoRaWAN.

Erfahren Sie hier mehr über „The Things Network“.

Anwendungsserver

Der Anwendungsserver ist der Ort, an dem sich die IoT-Anwendung befindet – das ist besonders für mithilfe von Endgeräten erfasste Daten nützlich. Anwendungsserver laufen in den meisten Fällen über eine Private oder Public Cloud, die an den LoRaWAN-Netzwerkserver angebunden ist und die anwendungsspezifische Verarbeitung übernimmt. Die Schnittstelle mit dem Anwendungsserver wird vom Netzwerkserver gesteuert.

LoRaWAN-Funktionen

Bidirektionale Kommunikation

Ein Endgerät kann Daten an das Gateway übermitteln und diese auch entsprechend der Einstellungen empfangen. Diese Einstellungen können auch innerhalb der Anwendung aufgerufen werden.

Lokalisierung

Eine interessante Funktion von LoRaWAN ist die Lokalisierung, ohne dass hierfür GPS erforderlich ist. Das ist besonders nützlich für das Tracking von Anlagen und Sensoren, da es batterieeffizient ist und sich günstiger instand halten lässt als herkömmliche Methoden.

Skalierbarkeit

LoRaWAN wurde für große IoT-Bereitstellungen konzipiert, bei denen tausende Geräte mit einer überschaubaren Anzahl an Gateways vernetzt werden. Diese Gateways können mehrere Kanäle überwachen und mehrere Nachrichten zur gleichen Zeit verarbeiten.

Eine weitere wichtige Eigenschaft von LoRaWAN ist die Geschwindigkeit, mit der Daten übermittelt werden können. Es gibt unterschiedliche Datenraten, die für die Übermittlung genutzt werden können. Diese werden auch Spreizfaktor (SF) genannt. Eine langsamere Übermittlung ermöglicht eine längere und zuverlässigere Reichweite.

Stellen Sie sich beispielsweise vor, Sie führen ein Gespräch mit jemandem, der sehr dicht bei Ihnen steht. Sie können in dieser Situation sehr schnell sprechen und Ihr Gegenüber versteht trotzdem alles, was Sie sagen. Wenn Sie mit jemandem sprechen, der weit weg von Ihnen steht, müssen Sie wesentlich langsamer sprechen, um verstanden zu werden. Dieses Prinzip gilt auch für das LoRaWAN-Protokoll.

Adaptive Datenrate

Bei LoRaWAN kann das Netzwerk zudem die Geschwindigkeit, mit der das Gerät seine Daten übermittelt, automatisch optimieren. Diese Funktion nennt sich adaptive Datenrate (oder ADR) und ist besonders wichtig, um die Kapazität eines LoRaWAN-Netzwerks zu steigern. ADR ermöglicht es uns, das Netzwerk ganz einfach zu skalieren, indem ein weiterer Gateway hinzugefügt wird. Aufgrund dieses Gateways passen nun viele Endgeräte ihren Spreizfaktor automatisch an. Dadurch sind die einzelnen Geräte kürzer „auf Sendung“, was mehr Kapazität für das Netzwerk bedeutet.

Die adaptive Datenrate (Abkürzung: ADR) ist ein einfacher Mechanismus, der die Datenrate entsprechend der folgenden Regeln anpasst:

  • Wenn die Funksignalstärke (auch „Link-Budget“ genannt) hoch ist, kann die Datenrate erhöht werden;
  • Wenn das Link-Budget niedrig ist, kann die Datenrate gesenkt werden.

Sicherheit

Für jedes LPWAN ist es wichtig, eine umfassende Sicherheitslösung einzusetzen. LoRaWAN verwendet zwei Sicherheitsebenen: eine für das Netzwerk und eine für die Anwendung. Die Netzwerksicherheit gewährleistet die Authentizität des Endgeräts im Netzwerk, während die Anwendungsebene sicherstellt, dass der Netzwerkbetreiber keinen Zugriff auf die Anwendungsdaten von Endbenutzern erhält. Für den Schlüsselaustausch kommt eine AES-Verschlüsselung zum Einsatz.

  • Die Netzwerkebene ist für die Identifizierung des Knotens zuständig. Sie prüft, ob eine Nachricht wirklich von einem bestimmten Gerät stammt und gilt auch als Integritätsprüfung. Sie kann zudem MAC-Befehle verschlüsseln.
  • Die Anwendungsebene wird für die Ent- und Verschlüsselung von Payloads genutzt.

Beide Schlüssel sind im ECB-Modus mit 128 Bit AES-verschlüsselt.

Anwendungsfälle und Einsatzbereiche

LoRaWAN hat in Sachen Anwendungsfälle und Einsatzbereiche seinen Platz auf dem Markt gefunden. Dank seiner einzigartigen Eigenschaften ist LoRaWAN am besten für Szenarien wie diese geeignet:

  • der Zugang zu Strom (Elektrizität) ist begrenzt oder eingeschränkt;
  • die Standorte sind physisch nur schwer zugänglich oder sehr abgelegen;
  • die Anzahl der Endgeräte liegt wesentlich höher im Vergleich zu herkömmlichen Mobilfunkverbindungen;
  • die Endgeräte müssen Nachrichten nicht laufend senden.
LoRaWAN-Anwendungsfälle

LoRaWAN-Anwendungsfälle – Vertikale Bereiche

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Wienke Giezeman – Initiator von „The Things Network“

Das Einmaleins des LoRaWAN: Ein Überblick über eine der interessantesten IoT-Technologien auf dem Markt! Veröffentlicht am: 22. September 2017 von Farnell element14