LoRaWAN – Low Power Wide Area Network

Die drahtlose Vernetzung im industriellen Umfeld und im Internet der Dinge (IoT) hat zum Teil völlig andere Anforderungen an die Netzwerktechnik und Übertragungseigenschaften als sie beispielsweise Smartphones an Mobilfunknetze stellen. LoRa und LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) bieten Lösungen für die IoT-Vernetzung. In einigen Ländern sind Netze basierend auf dieser Technik bereits flächendeckend verfügbar. Was sich hinter diesen Begriffen verbirgt und wie die Technik funktioniert, erfahren Sie in folgendem Beitrag. 

Kurze Erklärung des Unterschiedes zwischen LoRa und LoRaWAN 

Bevor wir uns konkret um die Technik und Funktionsweise von LoRaWAN kümmern, zunächst eine kurze Unterscheidung von LoRa und LoRaWAN. LoRa steht für „Long Range“ und bezeichnet die physikalische Schicht und Modulationstechnik einer Funktechnologie, die eine energieeffiziente Kommunikation mit großer Reichweite und geringer Datenrate ermöglicht. LoRa-Sender und -Empfänger benötigen Chipsätze der Firma Semtech.

LoRaWAN bedeutet „Long Range Wide Area Network“ und ist eine Spezifikation der LoRa Alliance, einer gemeinnützigen Organisation, die die Standardisierung und Interoperabilität von Low-Power-Wide-Area-Network-Technologien (LPWAN) vorantreibt. Die LoRaWAN-Spezifikation beschreibt die Systemarchitektur und die notwendigen Protokolle höherer Schichten eines auf dem physikalischen LoRa-Layer aufbauenden Weitverkehrsnetzwerks. Um LoRaWAN-Netze von klassischen Mobilfunknetzen abzugrenzen, werden sie teilweise als 0G-Netze bezeichnet. 

Systemarchitektur, Komponenten und Funktionsweise eines LoRaWANs 

Ein LoRa-Weitverkehrsnetz besteht aus den drei Komponenten Node, Gateway und LoRa-Server. Ein Node ist ein Endgerät, beispielsweise ein Sensor, der Daten per LoRa-Funkschnittstelle an ein Gateway sendet. Die Gateways sammeln die Daten der Nodes ein und geben sie über eine breitbandige Netzwerkanbindung an LoRa-Server weiter. Die Server verfügen über eine Verbindung zur IoT-Anwendung, die für die eigentliche Datenverarbeitung zuständig ist. Die Topologie des Long Range Wide Area Networks ist sternförmig. 

Je nach Region kommen in einem LoRaWAN unterschiedliche Frequenzbereiche des ISM- oder SRD-Bands zum Einsatz. Für Europa sind dies beispielsweise die Frequenzbereiche von 433,05 bis 434,79 MHz und von 863 bis 870 MHz. Mit diesen im Vergleich zur Standard-Mobilfunktechnik niedrigen, langwelligen Frequenzen lassen sich große Entfernungen überbrücken. Die Entfernungen reichen von wenigen Kilometern im städtischen Umfeld bis zu 15 oder 40 Kilometer unter optimalen Bedingungen. Objekte wie Gebäudewände werden von den Funkwellen gut durchdrungen, weshalb sich problematische Bereiche wie Kellerräume mit Funksignalen versorgen lassen. 

Der Energiebedarf der Endgeräte ist niedrig und liegt im Bereich weniger Milliampere. Es lassen sich Batterielebensdauern von mehreren Jahren realisieren. Die erzielbaren LoRaWAN-Datenraten liegen zwischen circa 300 bps und 50 kbps, was für die typische Anwendung, die Übertragung von Sensordaten, völlig ausreichend ist. 

Einen besonderen Stellenwert in einem Long Range WAN genießen die Sicherheit der Kommunikation und die Integrität der Daten. Diese Anforderungen sind über die Authentifizierung der einzelnen LoRaWAN-Komponenten und Verschlüsselungen auf den verschiedenen Schichten gelöst. Es findet eine geräte-, applikations- und netzwerkabhängige AES-Verschlüsselung statt. 

Die Endgeräte in einem Long Range Wide Area Network lassen sich in die drei Klassen A (bidirektionale Endgeräte), B (bidirektionale Endgeräte mit definierten Empfangsfenstern) und C (bidirektionale Endgeräte mit dauerhaft geöffneten Empfangsfenstern) einteilen. 

Das Long Range Wide Area Network und das Internet der Dinge 

Das LoRaWAN ist speziell für die Anforderungen des Internets der Dinge entwickelt. In einem Internet of Things (IoT) oder Industrial Internet of Things (IIoT) ist eine Vielzahl an Endgeräten, oft handelt es sich hierbei um Sensoren, energieeffizient und sicher über größere Entfernungen zu vernetzen, um deren Daten zu verarbeiten. Diese Anforderungen löst das LoRaWAN mit seiner LoRa-Funkschnittstelle optimal. Sensoren lassen sich über viele Jahre ohne Batteriewechsel betreiben und kommunizieren in einem sternförmigen Netz drahtlos und sicher mit den Gateways. Über die Server wird die Verbindung zur IoT-Plattform hergestellt, die für die Datenverarbeitung zuständig ist. Dank der langwelligen Funkfrequenzen können sich die zu vernetzenden Endgeräte an nahezu beliebigen Orten befinden. Die Anwendungsmöglichkeiten des Long Range WANs sind vielfältig und reichen vom Smart Home bis zur Smart City und Smart Factory. 

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