Alles was Sie zu LoRa® und LoRaWAN® wissen müssen

Dreiviertel aller IoT-Anwendungen auf dem globalen IoT-Markt entfallen laut LoRa Alliance auf Low-Power-Wide-Area-Netzwerklösungen, kurz LPWAN, zu denen auch LoRaWAN bzw. LoRa gehört. Dagegen basiert nur ca. ein Viertel der IoT-Anwendungen auf Funktechnologien mit hoher Bandbreite wie 5G  (Quelle: https://lora-alliance.org). Dies spiegelt sich auch beim Marktwachstum wieder: Für 2023 wird der Markt auf etwa 5,6 Mrd. US$ geschätzt und soll bis 2028 auf über 25 Mrd. US$ ansteigen. Das entspricht einem durchschnittlichen jährlichen Wachstum von mehr als 35 % bis 2028 (Quelle: https://www.iotm2mcouncil.org).

Von immer mehr Kommunen und  Städten wird berichtet, dass Sie ein sogenanntes LoRaWAN-Netzwerk aufgebaut haben und sich zu einer „Smart City“ entwickeln wollen. Aber was steckt dahinter, welche IoT-Anwendungen eignen sich noch für LoRaWAN und warum erlebt es in den letzten Jahren solch einen Aufschwung?

Frequenzbänder und Datenraten von LoRa

Für die Übertragung werden lizenzfreie Frequenzbereiche verwendet. In Europa ist dies beispielsweise das 868 Mhz Band. Der Vorteil ist, dass diese Frequenz im Gegensatz zu Mobilfunk unter Einhaltung bestimmter Bedingungen kostenfrei genutzt werden kann, d. h. keine Gebühren anfallen.

Bei der Auswahl der LoRaWAN-Geräte und Sensoren muss entsprechend darauf geachtet werden, ob das jeweilige Gerät bzw. der Sensor für den Standort ausgelegt ist.

Um die öffentlichen Frequenzen aber nicht zu überlasten, dürfen die max 243 Byte groß sein. Die Datenübertragungsrate liegt zwischen 300 Bit/s – 50 kBit/s und ist abhängig von der Entfernung zwischen Endgerät und Gateway. Je näher das Endgerät am Gateway liegt, desto höher die Datenrate, umso schneller die Datenübertragung und geringer der Energieverbrauch. Außerdem darf die zulässige „Time on Air“, d. h. die Gesamtdauer der Übertragung nicht überschritten werden. Demnach ist LoRa nicht für Echtzeitanwendungen geeignet, trägt aber dazu bei, dass die Batterie in den Sensoren länger hält, und eignet es sich für die unterschiedlichsten IoT-Anwendungen.

Was ist der Unterschied zwischen LoRa und LoRAWAN?

Während LoRa den Funkstandard bezeichnet, steht LoRaWAN für Long Range Wide Area Network (dt. Niedrigenergieweitverkehrnetzwerk) und gehört neben NB-IoT, LTE oder WLAN zu den zu LPWAN-Technologien. Es  beschreibt das LoRa-Netzwerk sowie das gleichnamige offene Kommunikationsprotokoll. Dabei haben das Protokoll und die Netzwerkarchitektur den größten Einfluss auf die Batterielebensdauer eines Sensors, die Netzwerkkapazität, Servicequalität, Sicherheit und Vielfalt der vom Netzwerk bedienten Anwendungen.

LoRaWAN zielt auf die wichtigsten Anforderungen des IoT – Internet of Things (Internet der Dinge) ab wie sichere bidirektionale Kommunikation, Lokalisierung und Mobilität von Dienstleistungen. Zudem bietet es eine nahtlose Zusammenarbeit verschiedener Systeme und Techniken unter Smart Things ohne die Notwendigkeit von starren, lokalen komplexen Installationen. Ein weiterer Vorteil von LoRa liegt darin, dass die Anzahl der Endgeräte, die eingebunden werden können, nahezu unbegrenzt ist. Einmal aufgebaut, lässt sich ein LoRaWAN-Netzwerk jederzeit flexibel erweitern.

Vorangetrieben wird LoRaWAN durch die LoRa Alliance, einer gemeinnützigen Organisation zur Förderung und Standardisierung von Low-Power-Wide-Area-Network-Technologien. Sie wurde 2015 gegründet. Die mittlerweile mehr als 500 Mitglieder, darunter Technologieführer wie IBM, Cisco, HP, Foxconn, Semtech and Sagemcom,  arbeiten eng zusammen und tauschen Erfahrungen aus, um den Erfolg des LoRaWAN®-Standards als führender offener globaler Standard für sichere IoT-LPWAN-Konnektivität zu fördern und voranzutreiben.

Anwendungen von LoRa und LoRaWAN

LoRa und LoRaWAN eignen sich für unterschiedlichste IoT-Anwendungen, bei denen eher kleinere Datenmengen über große Entfernungen, jedoch nicht echtzeitkritisch, übertragen werden sollen.

Bei typischen Anwendungen geht es oft um Ereignis gestütztes Melden und/oder „Suchen & Finden“. Messdatenerfassung & lokales „Asset Tracking“ sind große Themen im IoT, z. B. eine vernetzte Lieferkette, die sicher und zuverlässig funktioniert oder Behälter- bzw. Flächenmanagement, sowie Energie- und Wasserversorgung, Füllstandüberwachung von Silos, Containern und vielem mehr.

Gängige Beispiele von IoT-Anwendungen, bei denen LoRaWAN eingesetzt wird:

• Smart City: bedarfsgesteuerte Straßenbeleuchtung, Ampelsteuerung oder Verkehrsmessung zur Verkehrslenkung, Monitoring von Abfallbehältern zur Routenoptimierung für Entsorgungsfahrzeuge/Müllabfuhr, Parkplatzsteuerung über Parkplatz-Sensoren (Smart Parking)
• Smart Metering: Fernablesung von Strom-, Wasser- und Gaszählern, Austausch von Stromverbrauchsdaten mit einem Versorger/Stadtwerk
• Umweltmonitoring: z. B. Überwachung der Luftqualität, Pegelständen von Gewässern
• Logistik: Asset-Tracking, d.h. Einsatz von GPS-Trackern zur Verfolgung von Ladungen, Geräten oder Fahrzeugen, Behältermanagement/Stückgutverfolgung auf definierten Arealen
• Smart Farming: Überwachung von Tieren, Ställen und Feldern – von Bodenfeuchte Sensoren bis Temperatursenorik für Tier und Stall
• IIoT/Industrie 4.0: Condition Monitoring (dt. Zustandsüberwachung) von Maschinen und Anlagen, Optimierung von Produktionsabläufen
• Digital/Smart Health: z. B. Alarme, Tracking von Krankenhausbetten

LoRaWAN Sicherheit

Außerdem sind LoRaWAN-Netze sehr sicher, da bei LoRaWAN-Protokollen Ende-zu-Ende-Verschlüsselungsalgorithmen angewendet werden. Die Daten werden vom Sensor bis zur finalen Applikation verschlüsselt übertragen. Der Sicherheitsmechanismus basiert auf dem AES-Verschlüsselungsalgorithmus unter Verwendung einer IEEE-EUI64-Kennung. Ein korrekt implementiertes Verschlüsselungsverfahren wie zum Beispiel die 128 Bit AES-Verschlüsselung bietet ein hohes Maß an Sicherheit. Der zusätzliche Einsatz von HTTPS und VPN erhöht die Sicherheit noch.

LoRaWAN Klassen

LoRaWAN-Endgeräte dienen verschiedensten Einsatzzwecken und unterscheiden sich in ihren Anforderungen. Dafür nutzt LoRaWAN verschiedene Geräteklassen. Alle Klassen erlauben eine bidirektionale Kommunikation, d. h. sie können Daten sowohl senden als auch empfangen.

Generell werden die Daten zwischen Endgerät, meist einem Sensor, und dem LoRaWAN-Gateway ausgetauscht. Dabei wird zwischen Uplink und Downlink unterschieden. Uplink bezeichnet das Senden der Daten vom Endgerät an das Gateway, wobei Downlink den Empfang der Daten vom Gateway an das Endgerät meint. Bei allen Klassen können jederzeit Daten an das Gateway gesendet werden. Jedoch ist das Downlink-Verhalten, also wie Daten vom Gateway empfangen werden können, je nach Klasse unterschiedlich.

Endgeräte der Klasse A

Auf dem Markt erhältliche LoRaWAN-Endgeräte müssen immer der Klasse A entsprechen und sind daher die am weitesten verbreiteten. Sie funktionieren nach dem ALOHA-Verfahren. Dies ist eine Kommunikationsmethode, bei der eine Quelle Daten in sogenannten Frames verschickt. Kommt ein Frame erfolgreich am Ziel an, wird der nächste Frame losgeschickt. Kommt es zu Kollisionen mit anderen Frames, wird der Frame erneut gesendet.

Bei Geräten der Klasse A sendet ein LoRaWAN-Sensor Datenpakete an das Gateway, anschließend öffnen sich zwei Downlink-Empfangsfenster. Während dieser Empfangsfenster kann der Sensor Daten empfangen. Außerhalb dieser Empfangsfenster können keine Daten empfangen werden. Das Gerät befindet sich in dieser Zeit in einem Schlafmodus, um die Batterie sparen. Ein erneuter Downlink kann nur bei einem erneuten Upload erfolgen.

Endgeräte der Klasse B

Endgeräte der Klasse B funktionieren wie Klasse-A-Geräte, jedoch gibt es zu den zwei definierten Empfangsfenstern weitere festgelegte Downlink-Fenster. Damit das Endgerät den Downlink zum geplanten Zeitpunkt empfangen kann und aus dem Schlafmodus „aufwacht“, empfängt es ein zeitlich synchronisiertes Beacon (also ein sehr kleines Datenpaket) vom Gateway. Dadurch weiß der Server, wann das Endgerät empfangsbereit ist.

Endgeräte der Klasse C

Endgeräte der Klasse C sind fast ununterbrochen empfangsbereit, verbrauchen dementsprechend auch mehr Energie als die Klassen A und B. Die Empfangsfenster werden nur bei der Upload-Übertragung geschlossen.