Alles, was Sie über LoRaWAN wissen müssen

Published on by Alexis Leibbrandt
LoRaWAN Explained

Was ist LoRaWAN?

LoRaWAN ist ein von Semtech entwickeltes urheberrechtlich geschütztes LPWAN-Kommunikationsprotokoll. Es ist für seinen geringen Stromverbrauch und seine hohe Übertragungsreichweite (auch im Vergleich zu anderen LPWANs) bekannt. Darüber hinaus verfügt es über eine hohe Störungsresistenz, da seine Funkmodulation auf einer für die Militär- und Raumfahrtindustrie entwickelten Technologie basiert. Im Jahr 2017 wurde ein LoRaWAN-Paket über eine Entfernung von 702 km übertragen und brach damit bisherige Rekorde. Diese einzigartigen Eigenschaften machen es zum idealen Konnektivitätsprotokoll für eine Vielzahl von IoT-Anwendungsfällen. LoRaWAN wird von der LoRa-Allianz verwaltet, einer offenen, gemeinnützigen Vereinigung. Zu ihren Mitgliedern gehören zertifizierte Gerätehersteller, Dienstanbieter und öffentliche Institutionen.

Der Unterschied zwischen LoRa und LoRaWAN

Die Begriffe LoRa und LoRaWAN werden oft miteinander verwechselt; wenngleich beide Technologien genutzt werden müssen, um von der einzigartigen Konnektivitätslösung zu profitieren, sollten diese Begriffe nicht gleichbedeutend verwendet werden.

LoRa selbst stellt die physikalische Schicht der Netzwerktechnologie dar; sie sorgt für die drahtlose Modulation, die verwendet wird, um eine Langstrecken-Kommunikation zwischen Geräten herzustellen. Die meisten drahtlosen Systeme verwenden eine traditionelle Modulation, wie z. B. Frequency Key Shifting (FSK). LoRa setzt jedoch auf eine Modulation namens CSS (Chirp Spread Spectrum), die von der Militär- und Raumfahrtindustrie mit dem Ziel entwickelt wurde, ein LPWAN zu schaffen, das extrem weitreichend und resistent gegen Störungen ist. Während CSS und FSK beide einen geringen Stromverbrauch aufweisen, erhöht CSS die Kommunikationsreichweite der Geräte drastisch.

LoRa kann als ein proprietäres Derivat von CSS betrachtet werden, das es dem Betreiber eines IoT-Netzwerks ermöglicht, die Datenrate gegen mehr Reichweite oder Strom zu tauschen, um die Leistung seines Netzwerks je nach Bedarf zu optimieren.

Wie LoRaWAN funktioniert

Netzwerke werden typischerweise über eine Mesh-Netzwerkarchitektur bereitgestellt. Dies ist zum Beispiel der Fall für das Zigbee-Kommunikationsprotokoll, das von der Philips Hue-Beleuchtungslösung verwendet wird. Bei diesem Architekturtyp leiten die Endknoten (im IoT: die Sensoren, Aktoren usw.) Informationen an andere Knoten (Gateways) weiter, wodurch die Kommunikationsreichweite erhöht wird. Diese Architektur bringt jedoch zahlreiche Nachteile mit sich, wie z. B. eine geringere Kapazität, eine kürzere Batterielebensdauer (die Knoten müssen sowohl Daten senden als auch empfangen) und eine komplexere Netzwerkkarte (was dazu führen kann, dass Wartung und Fehlersuche arbeitsintensiv sind).

LoRaWAN verwendet eine "sternförmige" Architektur, was bedeutet, dass Gateways nicht immer bestimmten Knoten zugeordnet sind. Stattdessen werden Daten, die von einem Knoten gesendet werden, von mehreren Gateways empfangen. Jedes dieser Gateways leitet das Datenpaket an den Netzwerkserver weiter, ohne die Daten vorzubehandeln. Mit anderen Worten: Die gesamte Komplexität des Entfernens von doppelten Datenpaketen, des Überprüfens der Datenintegrität und des Durchführens von Sicherheitsprüfungen wird auf den Netzwerkserver verlagert (der in der Regel nicht in seiner Leistung eingeschränkt ist). Darüber hinaus müssen die Knoten in der Sternarchitektur nicht ständig auf Nachrichten von anderen Knoten warten und können die meiste Zeit im Schlafmodus bleiben, was ihren Energieverbrauch reduziert.

Diagram lorawan

Eine typische LoRaWAN IoT-Infrastruktur

Öffentliche LoRaWAN-Netze

Öffentliches LoRaWAN wird typischerweise von Telefonbetreibern/Kommunikationsanbietern bereitgestellt. Diese Anbieter werden ihre bestehende Infrastruktur und ihren Kundenstamm nutzen, um ihr eigenes LoRaWAN-Netzwerk anzubieten und den Netzwerkzugang in einem abonnementbasierten Modell zu verkaufen, wie sie es auch bei anderen Kommunikationsprotokollen tun. Das Netzwerk steht den Nutzern mehr oder weniger auf nationaler Ebene zur Verfügung, und IoT-Unternehmen können sich entscheiden, den Dienst zu abonnieren, wenn sie ihn für rentabel halten. In der Schweiz zum Beispiel hat das nationale Telekommunikationsunternehmen Swisscom ein landesweites LoRaWAN-Netzwerk eingerichtet, um die Schaffung von intelligenten Lösungen mit geringem Stromverbrauch zu unterstützen.

Gemeindebasierte LoRaWAN-Netzwerke

Community-Netzwerke werden in der Regel von Einzelpersonen getragen, z. B. von Hobbyisten, gemeinnützigen Organisationen und kleinen Unternehmen. Ein populäres Beispiel ist The Things Network, das eine LoRaWAN-Netzwerkserver-Infrastruktur für eine globale Gemeinschaft von Nutzern anbietet. Die gesamte Gateway-Infrastruktur wird dann organisch von den Nutzern des Netzwerks getragen, die die einzelnen Gateways installieren, wenn eine bessere Abdeckung in einem bestimmten Gebiet benötigt wird.

Private LoRaWAN-Netzwerke

Diese privaten Netzwerke werden mit dem Ziel eingesetzt, ein einzelnes Unternehmen zu bedienen, anstatt mehrere Benutzer zu bedienen. Der Benutzer kann das Netzwerk an die Bedürfnisse seiner eigenen Flotte von IoT-Endgeräten anpassen. Das private LoRaWAN-Netzwerk ermöglicht es Unternehmen, ihr internes Netzwerk mit der IoT-Umgebung zu verbinden, ohne auf das Internet angewiesen zu sein. Loriot ist ein Beispiel für ein privates LoRaWAN-Servernetzwerk, das von einer wachsenden Zahl von Unternehmen auf der ganzen Welt genutzt wird, um ihre eigenen LoRaWAN-Implementierungen in Unternehmensqualität einzurichten.

Was ist ein LoRaWAN-Gateway?

LoRa Gateways, wie die hier aufgelisteten, sind ein physisches Gerät, das sowohl Hardware als auch Firmware beherbergt, um IoT-Endgeräte mit der Cloud zu verbinden, eine integrale Aufgabe, die das Rückgrat jedes funktionalen LoRaWAN-basierten IoT-Netzwerks bildet. Das Gateway ist ein zentraler Knotenpunkt, an dem IoT-Sensoren ihre gesammelten Datensätze ablegen, die dann an den Netzwerkserver weitergeleitet werden. Das Gateway empfängt die von diesen Endgeräten gesendeten Radiofrequenz-Signale und wandelt sie dann in ein Signal um, das mit dem Netzwerkserver kompatibel ist.

Die Einschränkungen von LoRaWAN

LoRaWAN ermöglicht eine geringere Leistung und eine größere Reichweite, teilweise unter Verzicht auf Bandbreite. Durch die Verwendung von lizenzfreien Frequenzbändern (z. B. 868 MHz in Europa) können Uplinks und Downlinks nur in vordefinierten Intervallen gesendet werden, so dass kein kontinuierlicher Datenfluss möglich ist. Daher ist LoRaWAN nur für periodische Kommunikation geeignet und sollte (wenn man Batterie sparen will) hauptsächlich für Uplink-Kommunikation verwendet werden.

Eine weitere Einschränkung von LoRaWAN kann durch den proprietären Status der LoRa-Modulation verursacht werden. Hersteller, die IoT-Geräte auf Basis ihres eigenen Chipsatzes entwickeln wollen, müssen die IP zunächst von Semtech lizenzieren.

LoRaWAN-Anwendungsfälle

Zahlreiche Institutionen und private Unternehmen, die Mitglieder der LoRa-Allianz sind, sind bereits in breite Branchen investiert, die ein hohes Potenzial haben, von einem LoRa-gestützten IoT-Netzwerk zu profitieren, wie z. B:

Wir haben ein prominentes eigenes Projekt, das in den letzten oben genannten Anwendungsfall passt:

In den vergangenen Jahren haben ISS Schweiz und akenza in mehreren Projekten zusammengearbeitet, die es ISS ermöglichten, ihren Kunden neue digitale Dienstleistungen und intelligente Lösungen anzubieten..

Es wurden Sensoren installiert, um die Belegung von Büroräumen in Echtzeit auf 2D-Karten der einzelnen Etagen zu visualisieren, damit die Mitarbeiter effizienter durch das Gebäude navigieren können, um freie Arbeitsplätze zu finden. Neben der Erfassung von Belegungsdaten maßen die Endgeräte auch die Luftqualität der einzelnen Räume, wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit, CO2-Gehalt usw. Besonders seit dem COVID-19-Ausbruch hat sich eine ausreichende Belüftung als Schlüsselfaktor für eine sichere Arbeitsumgebung erwiesen. Bei schlechter Luftqualität löst das Raummanagement von akenza automatisch Alarme aus, die wiederum zur Steuerung von Jalousien oder Lüftungsanlagen genutzt werden können.

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Ein Beispiel für ein Belegungsmanagement & Raumklima-Dashboard basierend auf LoRaWAN-Geräten.

Fazit

Obwohl LoRaWAN proprietär und damit weniger transparent ist als einige andere LPWANs, arbeiten die Mitglieder der LoRa-Allianz kontinuierlich an Innovationen, um die tatsächliche Anwendbarkeit von LoRaWAN in einer Vielzahl von Branchen weiter aufzuzeigen. Auch wenn LoRaWAN offensichtlich Einschränkungen bei der Downlink-Übertragung, den Übertragungsintervallen, der Latenz und der Bandbreite hat, waren dies notwendige Abstriche, um eine große Reichweite und einen geringen Stromverbrauch zu erreichen.

Der Aufbau eigener privater LoRaWAN-Netzwerke kann attraktive Vorteile bieten, wie z. B. bessere Anpassungsmöglichkeiten und potenziell bessere Sicherheit. Insbesondere in Ländern, in denen die Regierungen die Einführung neuer innovativer Verbindungsprotokolle aktiv unterstützen, können öffentliche LoRaWAN-Netzwerke jedoch zu einer praktikableren Option für kleinere IoT-Betriebe werden, die möglicherweise die anfänglichen Bereitstellungskosten sparen und von der schieren Bequemlichkeit der Nutzung der bestehenden Infrastruktur profitieren möchten.

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