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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 […]

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. 

The wireless connection in the industrial field and in the Internet of Things (IoT) has in some cases completely different requirements for the network technology and transmission characteristics than smartphones, for example, have for mobile networks. LoRa and LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) offer solutions for the IoT networking. In some countries, networks based on this technology are already available nation-wide. In the following article, discover what lies behind this concept and how the technology functions.

A short clarification of the differences between LoRa and LoRaWAN

Before we specifically talk about the technology and functioning of LoRaWAN, first let’s make a brief distinction between LoRa and LoRaWAN. LoRa stands for „Long Range“ and it refers to the physical layer and modulation technique of a wireless technology, which allows for the energy-efficient communication with a long range and a reduced data rate. LoRa senders and receivers require chipsets from Semtech.

LoRaWAN means „Long Range Wide Area Network“ and it represents a specification of the LoRa Alliance, a charitable organization, which promotes the standardization and interoperability of Low Power Wide Area Network Technologies (LPWAN). The LoRaWAN specification describes the system architecture and the necessary protocols of higher layers of a wide area network built on the physical LoRa layer. To distinguish LoRaWAN networks from classical mobile networks, these are sometimes referred to as 0G networks.

System architecture, components and functioning of a LoRaWAN

A LoRa wide area network consists of three components, node, gateway and LoRa server. A node is an end device, for example a sensor, which sends data via the LoRa wireless interface to a gateway. The gateways gather the data of a node and transmit it further to the LoRa server via a broadband network connection. The servers have a connection to the IoT application, which is responsible for the actual data processing. The topology of the Long Range Wide Area Network is radial.

Depending on the region, different frequency ranges of the ISM or SRD band are used in a LoRaWAN. For Europe, for instance, these are the frequency ranges from 433,05 to 434,79 MHz and from 863 to 870 MHz. In comparison to the standard mobile communications, these long-wave frequencies can be used to bridge large distances. Distances range from a few kilometers in urban areas to 15 or 40 kilometers, under optimal conditions. Objects such as building walls are well penetrated by the radio waves, which is why problematic areas, such as basements, can be covered by the radio signals.

The energy requirement of end devices is low, in the range of several milliamperes. A battery life of several years can be achieved. The achievable LoRaWAN data rate lies between circa 300 bps and 50 kbps, which is completely sufficient for the typical use, the transmission of sensor data.

The security of communication and the data integrity bear a particular importance when it comes to the Long Range WAN. These requirements are solved through the authentication of the individual LoRaWAN components and encryptions at the various layers. Device, application and network-dependent AES encryption takes place.

The end devices in a Long Range Wide Area Network can be divided into three classes: A (bidirectional end devices), B (bidirectional end devices with defined receiver window), and C (bidirectional end devices with permanently open receiver window).

The Long Range Wide Area Network and the Internet of Things

The LoRaWAN is especially developed for the demands of the Internet of Things. In an Internet of Things (IoT) or Industrial Internet of Things (IIoT), a diversity of end devices, often times sensors, must be networked over large distances, in a manner that is both energy-efficient and secure, in order to process their data. LoRaWAN solves these requirements in an optimal manner with its LoRa wireless interface. Sensors can be operated for many years without having to replace the battery and communicate with the gateways, in a wireless and secure manner, via a star-shaped network. The connection to the IoT platform, which is responsible for the data processing, is established via the servers. Thanks to the long-wave radio frequencies, the end devices to be networked can be placed in almost any location. The potential applications of the Long Range WAN are diverse and range from Smart Home to Smart City and Smart Factory.

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