LoRaWAN:Funktechnologie für kleine Datenmengen über weite Entfernungen

LoRaWAN ist eine Funktechnologie, die es ermöglicht, kleine Datenmengen über weite Entfernungen bis zu 20 km zu senden. Dadurch wird das Internet der Dinge (IoT) auch in Städten oder in der Landwirtschaft möglich. So können beispielsweise Stadtwerke Wärme-, Gas- oder Wasserstände mit Sensoren aus der Ferne auslesen oder Bauern den Bodenwasserpegel ihrer Felder überwachen. Aber auch auf einem Firmengelände kann ein LoRaWAN Netzwerk installiert werden, um Geräte oder mobile Maschinen in und außerhalb des Firmengebäudes zu orten.

Bei LoRaWAN handelt es sich um eine Open Source Technologie. Sie ist also frei nutzbar und ein LoRaWAN Netzwerk kann unabhängig von den großen Netzwerkanbietern errichtet werden. Aufgrund der hohen Reichweite werden dazu nur wenige Antennen (Gateways) benötigt. Außerdem verbraucht diese Technologie wenig Energie, so dass die Batterielaufzeit von Sendern und Sensoren 10-15 Jahre beträgt.

Was ist LoRaWAN?

LoRaWAN steht für Long Range Wide Area Network, also für ein Netzwerk mit einer langen Reichweite. Dieser Kommunikationsstandard gehört zu den LPWAN-Technologien, der Technik des Low Power Wide Area Network, einem weitreichenden Niedrigenergienetzwerk.

Diese Funktechnik wurde 2015 von den Experten der LoRa-Alliance entwickelt, einer gemeinnützigen Organisation aus Telekommunikationsunternehmen, Original Equipment Manufacturers (OEM), Systemintegratoren sowie Sensor- und Halbleiterherstellern in Nordamerika, Europa, Afrika und Asien. Ihr Ziel ist es, das Internet der Dinge (eng. Internet of Things) voranzutreiben, die intelligente Kommunikation zwischen Sensoren, Maschinen und Menschen, um Abläufe zu steuern und den Alltag zu erleichtern.

Für die Kommunikation der Dinge bedarf es keiner großen Datenmengen. Zu diesem Zweck wurde LoRaWAN entwickelt, um kleine Informationspakete über kurze und weite Entfernungen mit einem geringen Energieaufwand zu versenden.

Wie funktioniert LoRaWAN?

Am Anfang stehen die sogenannten Endgeräte. Das sind Sender oder Sensoren. Ein Sender kann beispielsweise in einem Taxi befestigt sein, wodurch es in der Zentrale geortet werden kann. Ein Sensor kann ebenso in einem Abfallcontainer installiert werden, um den Füllstand zu messen. So muss der Mülltransporter den Container erst anfahren, wenn er voll ist. Ein fest in der Erde verbauter Parkplatzsensor wiederum, kann den Besuchern einer Stadt auf einer speziellen App/Portal anzeigen, wo ein Parkplatz frei ist.

Um den freien Parkplatz in der App sehen zu können, sendet das Endgerät seine Daten an ein Gateway. Von den mobilen Endgeräten, wie dem Sender im Taxi, werden die Daten von mehreren Gateways empfangen. Diese Methode nennt man ein Long-Range-Stern-Netzwerk. Das hat den Vorteil, dass die Daten nicht von dem Sender zum nächstgelegenen Gateway und dann von Gateway zu Gateway geschickt werden, sondern direkt von den verschiedenen Empfänger-Gateways zum Netzwerkserver gelangen. Der Netzwerkserver filtert und entfernt diese sich wiederholende Informationen und stellt die gefilterten Daten den Anwendungen zur Verfügung. Nun kann man in einer Parkplatz App die freien Parkmöglichkeiten sehen oder die Taxizentrale erkennen, wo sich das nächste freie Taxi befindet.

Die Kommunikation von LoRaWAN ist bidirektional möglich. Informationen können also auch an die Sender und Sensoren geschickt werden, z.B. um bestimmte Messparameter zu verändern. Der cloudbasierte Netzwerkserver wählt dazu die besten Gateways für einen Downlink aus.

Energie sparen mit LoRaWAN

Für die Uplinks und Downlinks arbeitet LoRaWAN nach einem speziellen Prinzip, das die Technik sehr energiesparend macht. Im Gegensatz zu Mobilfunknetzen muss das Endgerät nicht ständig mit dem Netzwerk verbunden sein, also synchronisiert werden. LoRaWAN funktioniert asynchron. Das Endgerät sendet erst, wenn die Daten sendebereit sind etwa alle 10 Sekunden oder jede Minute. Hat ein Endgerät eine gute Verbindung zu einem Gateway wird die Datenrate erhöht, wodurch sich wiederum die Zeit der Datenübertragung verkürzt. Durch diese adaptive Übertragungsmethode wird Platz für andere Geräte im Netzwerk geschaffen und es ist möglich, mehrere unterschiedliche Datenraten auf dem gleichen Kanal zur gleichen Zeit zu empfangen. Trotzdem sind die Gateways auch in der Lage, gleichzeitig eingehende Nachrichten auf mehreren Kanälen zu empfangen.

Die Datenpakete werden in bestimmten Intervallen übertragen. Dabei folgen auf einen Uplink, zwei Zeitfenster für Downlinks. Es gibt entsprechend drei Klassen von Endgeräten, die sich nach diesen Intervallen unterscheiden.

Klasse A – zufällige Empfangsfenster

Klasse A Geräte haben zufällige Empfangsfenster. Der Zeitpunkt des Uplinks geht hier vom Endgerät aus entsprechend seines Kommunikationsbedürfnisses. Die zwei Empfangsfenster für den Downlink müssen solange warten, bis der nächste Uplink stattgefunden hat. Zwischen den Sendezeitpunkten schaltet sich das Gerät in den Energiesparmodus. So können die Batterien der Endgeräte 10-15 Jahre arbeiten.

Klasse B – definierte Empfangsfenster

Bei Klasse B Geräten dagegen werden die Empfangsfenster festgelegt. Der Uplink ist wie bei den Klasse A Geräten zufällig. Das Gateway sendet zeitlich synchronisiert sehr kleine Datenpakete, genannt Beacon, an das Endgerät. Dadurch weiß der Server, wann das Endgerät empfangsbereit ist. So können zu definierten Zeiten weitere Empfangsfenster geöffnet werden. Die Übertragungsdauer der Downlinks kann ebenfalls bestimmt werden. Das bedingt natürlich einen höheren Energieverbrauch. Trotzdem ist der Energiebedarf dieser Geräte so niedrig, dass sie mit Batterie betrieben werden können.

Klasse C – dauerhafte Empfangsfenster

Klasse C Geräte schließlich haben dauerhaft geöffnete Empfangsfenster für Downlinks, wenn sie nicht gerade selbst senden (Uplink). Das bedeutet eine Reduktion der Übertragungsdauer für Downlinks. Durch den erhöhten Energiebedarf, benötigen diese Endgeräte eine feste, permanente Spannungsversorgung. Aber ein zeitlicher Wechsel zwischen Klasse A und C für batteriebetriebene Geräte ist möglich.

Sichere Datenverbindung

Neben der Energieeffizenz hat LoRaWAN den weiteren Vorteil der hohen Datensicherheit, die Mobilfunknetze nicht bieten können. Die Absicherung des Datenverkehrs verläuft auf zwei Ebenen, dem Schutz des Netzwerkes durch den Netzwerkschlüssel EUI64 und die Verschlüsselung der Daten im Anwendungsbereich durch den Application Key EUI64. Das bedeutet, dass der Netzwerkbetreiber keinen Zugriff auf die Daten des Endnutzers hat.

Zusätzlich sind auch die Endgeräte durch einen gerätespezifischen Schlüssel EUI128 gesichert. Sender und Server müssen sich also wechselseitig authentifizieren.

Die Aufgabe des Netzwerkservers ist es, die Nachrichten von den Endgeräten zu entschlüsseln und die Nachrichten an die Endgeräte zu verschlüsseln.

LoRaWAN ist strahlungsarm

LoRaWAN sendet über strahlungsarme Radiowellen und damit auf einer deutlich niedrigeren Frequenz (868 MHz) als zum Beispiel LTE (1800 – 2600 MHz). Zudem wird die Strahlenbelastung gesenkt, weil die Daten der Endgeräte nicht permanent sondern in Intervallen gesendet werden.

LoRaWAN Endgeräte haben eine Sendeleistung von 25 Milliwatt. Im Vergleich dazu senden Rundfunksender, Bluetooth und WLAN mit 100 mW, LTE (4G) Telefone mit 200 mW und die neue 5G Technik mit 1000 mW.

Natürlich darf man nicht vergessen, dass LoRaWAN nur für kleine Datenmengen wie Sensordaten geeignet ist. Bei großen Datenmengen kommen wir nicht um stärkere Netzwerke herum. Der Ausbau des Internets der Dinge jedoch ist mit der strahlungsärmeren Funktechnik LoRaWAN möglich und damit eine umfassende Erleichterung alltäglicher Abläufe.

Ist LoRaWAN wirklich frei?

LoRaWAN ist vom Grundprinzip her ein freies Netzwerk. Ein kleiner Haken dabei liegt jedoch im Detail. LoRaWAN basiert auf den Kommunikationsstandard LoRa, also einem Chip. LoRaWAN ist das Kommunikationsprotokoll, die Software, die auf den Chip gelegt wird, um eine Vernetzung zu ermöglichen. Der Chip ist jedoch nur über die Firma Semtech, ein Gründungsmitglied der LoRa-Alliance, verfügbar.

Auf der Webseite der LoRa-Alliance www.lora-alliance.org heißt es dazu, dass sie sich so viele Anbieter von Funkchips wie möglich wünschen. Einige Halbleiterunternehmen hätten auch schon angekündigt, die LoRa-Funktechnologie einzuführen.