LoRaWAN: Anwendungsbeispiele, Nachfolger, Reichweite, Sensoren, Schwächen, Vorteile

In der Industrie 4.0 und im Umfeld Smart City hat LoRaWAN seine Bastionen besetzt. Das Netzwerkprotokoll leistet gerade bei großen Distanzen und einem eher niedrigen Datenvolumen gute Dienste bei der Anbindung von Sensoren.

Inhaltsverzeichnis: Das erwartet Sie in diesem Artikel

Definition: LoRaWAN

LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) beschreibt ein sogenanntes Netzprotokoll im Rahmen der Kommunikation von technischen Systemen und ist dem kabellosen Datenübertragungsverfahren zuzuordnen. In Netzprotokollen bzw. Netzwerkprotokollen wird festgelegt, wie Systeme und Computer miteinander kommunizieren und Daten austauschen können, welche in einem gemeinsamen Netzwerk miteinander verbunden sind. Die Ansammlung von Regeln für diese gemeinsame „Sprache“ wird dabei als Syntax bezeichnet, die jeweilige Bedeutung des Kommunikationsverhaltens als Semantik.

Ansiedlung in der Schichtarchitektur

Für die Strukturierung von Netzwerkprotokollen gibt es mehrere Prinzipien und Vorgehensweisen, da die Protokolle sehr umfangreich sein können und deshalb auch in ihrem Abstraktionsgrad geordnet werden müssen. LoRaWAN folgt hierbei der Schichtarchitektur und ist auf der sogenannten Vermittlungsschicht oder network layer angesiedelt. Auf dieser Ebene wird vor allem die Weiterleitung der Daten geregelt. Ähnlich wie im Straßenverkehr kann es auch bei Datenübertragungen zu Staus und Überlastungen kommen. Die Vermittlungsschicht koordiniert in solchen Fällen die optimale Wegsuche über das sogenannte Routing und sorgt für die Weiterleitung der Daten zwischen einzelnen Netzwerkknoten.

Nutzung von LoRa zur Übertragung

Da das Netzwerkprotokoll nur die Regeln und das Kommunikationsverhalten der Daten definiert, wird zur eigentlichen Datenübertragung eine separate Technologie benötigt. LoRaWAN bedient sich dahin gehend der Technologie von „Long Range“ (LoRa), welche zugleich auch als Namensgeber für das Netzprotokoll fungiert. Bei dieser kabellosen Übertragungstechnik handelt es sich um ein proprietäres und patentiertes Verfahren des Unternehmens Semtech Corporation.

LoRa wendet für die Übertragung die Chirp-Spread-Spectrum-Modulationstechnik an. Diese Technik verwendet zur Signalübertragung bzw. Modulation eine Frequenzspreizung, welche durch sogenannte Chirp-Impulse dargestellt wird. Die Signalübertragung erfolgt dahingehend, dass sich die Frequenz des Signals im Zeitablauf ändert und durch den Signalverlauf die Übertragung umgesetzt wird. Das Übertragungsverfahren ist grundsätzlich darauf ausgelegt, um Daten von einem Endgerät in das Netz zu senden (=Uplink), kann jedoch auch dafür genutzt werden, um Daten aus dem Netz an ein Endgerät zu senden (=Downlink).

Aufgrund der erwähnten Frequenzspreizung und dem Senden im niedrigen Frequenzbereich kann LoRa durch eine hohe Effizienz in puncto Datentransfer und Energieverbrauch überzeugen. Aufgrund dieser Attribute wird LoRa auch oftmals als „low radiation“ interpretiert.

LoRaWAN im Wettbewerb und neuere Technologien

LoRaWAN wurde 2008 von ehemaligen Ingenieuren von Qualcomm in San Diego, Kalifornien aus der Taufe gehoben. Damals trug LoRaWAN einen anderen Namen: On-Ramp Wireless. Seit 2008 ist viel Zeit vergangen und innovative Unternehmen haben zunehmend bedarfsgenauere Lösungen entwickelt. So kommt es, dass LoRaWAN noch immer eingesetzt wird, doch ein Ende ist abzusehen.

Was bleibt: LoRaWAN-Sensoren sind interoperabel und in allen Netzen einsetzbar. Bei anderen Eigenschaften ist die Entwicklung weitergegangen, wie die folgenden Beispiele bei Skalierbarkeit und Updatefähigkeit deutlich zeigen.

Jüngster Meister in allen Klassen: DECT 2020 NR skaliert bis 1 Million Geräte pro km²

Die Anforderung von bis zu einer Million Geräte pro Quadratkilometer stammt aus Industrie und SmartCity. Wer an vernetzte Industrieproduktion denkt wird sich schnell bewusst werden, dass eine Million Sensoren auf einem Quadratkilometer sehr schnell erreicht werden kann. Wohngebiete sind ebenfalls sehr schnell skalierende Anwendungsfelder der IoT-Sensorik, denn Sensoren werden in vielen Anwendungen eingesetzt.

Der neue Standard DECT 2020 NR arbeitet mit höherer Bandbreite und verzichtet von vorneherein auf den Flaschenhals von LoraWAN, den zentralen Operator. Die DECT 2020 NR Meshs sind Sensornetze für große Distanzen (200m indoor und 3km outdoor). Die wesentlich höhere Zuverlässigkeit und Performance basiert auf der Meshtechnologie des finnischen Herstellers Wirepas, der die Entwicklung des DECT 2020 NR Standards maßgeblich vorangetrieben hat.

Die IoT-Meshs von DECT 2020 NR konnektieren sich selbst ohne jegliche Konfiguration. Die Knoten fungieren zudem auch als Router, die Notwendigkeit für den zentralen Operator entfällt und die Meshs arbeiten fehlertolerant. Fällt ein Knoten im Mesh aus, übernehmen die Nachbarknoten die daten und routen sie weiter.
Meister der Skalierung: Mioty

Gerade in der Steuerung von Maschinen in der Industrie taucht immer wieder das Problem der Interferenz mit anderen Netzen im gleichen Frequenzband auf. Zusätzlich kommt es zu Kollisionen mit Datenpaketen der Sensoren untereinander, wenn diese gleichzeitig zu senden versuchen. Die Interferenzen und Datenkollisionen verhindern ein Skalieren von LoRaWAN-Anwendungen in Größenordnungen wie bei DECT 2020 NR.

Die Entwickler von Mioty haben diese neuralgischen Punkte identifiziert und entwickelten ein Protokoll, das diese Schwächen smart umschifft. Das Ergebnis: Mioty skaliert besser und schneller als LoRaWAN. Mioty kann eine sehr große Zahl an IoT-Knoten über große Distanzen zu anfragen. Mioty setzt auf Telegram Splitting Multiple Access (TSMA) aus dem ETSI TS 103 357 Standard auf. Mittels Vorwärtsfehlerkorrekturalgorithmen werden Datenpakete in Unterpakete zerlegt, die einzeln übertragen werden. Dabei variiert Mioty die Sendefrequenz und den Senderhythmus nach einem pseudozufälligen Verfahren. Beides reduziert die Wahrscheinlichkeit von Kollisionen auf der Sendefrequenz (Interferenzen) und zum Sendezeitpunkt.

Zusätzlich wendet Mioty TSMA an, wodurch für jedes Datenpaket eine weit größere Zahl an Unterpaketen erzeugt wird, als es die reine Zerlegung erfordern würde. Für TSAM genügt es, wenn nur etwa 50% der Unterpakete ankommen, um das ursprüngliche Datenpaket zu rekonstruieren.
Meister der Zuverlässigkeit: und NB IOT kann auch besser updaten

Mit Narrowband-IoT (NB-IoT) hinkt LoRaWAN auch bei Updatefähigkeit und Zuverlässigkeit hinterher.

Aufbau und LoRaWAN-Komponenten

Wie der Name LoRaWAN bereits beschreibt, ist das Netzwerkprotokoll dem Wide Area Network (WAN) zuzuschreiben und für Anwendungen über sehr große geografische Strecken ausgelegt. Die Topologie des Netzes ist sternförmig angeordnet. Dies bedeutet, dass alle Endgeräte im Netz mit einem zentralen Verteiler oder Vermittler verbunden sind und sich dadurch eine sternförmige Architektur ergibt. Konkret ist somit jedes LoRa-Endgerät mit einem LoRa-Gateway verbunden, welches in einem weiteren Schritt die Daten an einen Server weiterleitet. Von diesem aus können dann jegliche Applikationen angesteuert oder Berechnungsschritte durchgeführt werden.

Die sternförmige Architektur weist zugleich auf einen Schwachpunkt von LoRaWAN hin: Fällt der zentrale Verteiler und Vermittler aus, ist das gesamte Netzsegment tot.

Klassen von Endgeräten

Long Range Wide Area Network unterscheidet grundsätzlich drei Klassen von Endgeräten. Alle drei Klassen sind auf eine bidirektionale Kommunikation ausgelegt. Dies bedeutet, dass die Endgeräte mittels Uplink-Datenübertragung Daten senden und mittels Downlink-Datenübertragung Daten empfangen können:

Klasse A (Bidirektionale Endgeräte)

In dieser Klasse der Endgeräte ist die Kommunikation darauf ausgerichtet, dass nach jedem Uplink des Endgeräts an das Gateway zwei sogenannte Download-Receive-Fenster folgen, in welchen das Endgerät Daten empfangen kann. Sind die Download-Receive-Fenster verstrichen, kann das Endgerät erst wieder nach einem erneuten Uplink Daten empfangen. Durch diese Methodik können die Endgeräte sehr energieeffizient betrieben werden, da sie nicht ständig empfangsbereit sein müssen. Nach dem Empfang der Daten bzw. nach dem Verstreichen des Download-Receive-Fensters kann das Endgerät bis zum nächsten Uplink in den Energiesparmodus versetzt werden, was sich positiv auf die Batteriehaltedauer des Geräts auswirkt. Nachteilig wirkt sich jedoch aus, dass es zwischen dem Anstoßen der Datenübertragung des Gateways und dem Empfang der Daten vom Endgerät zu Verzögerungen kommen kann, sofern sich das Endgerät außerhalb eines Download-Receive-Fensters befindet.
Klasse B (Bidirektionale Endgeräte mit definierten Empfangsfenstern)

Endgeräte der Klasse B öffnen ihre Download-Receive-Fenster nicht wie Geräte der Klasse A nach jedem Uplink, sondern zu genau definierten Zeiten. Über sogenannte Beacons (dt. Funkbake) wird dieses kleine Datenpaket in Form einer Statusmeldung zwischen Endgerät und Gateway verschickt, wodurch sich das Netz synchronisiert und das Endgerät das Download-Receive-Fenster öffnet. Da bei dieser Klasse die Downlink-Fenster periodisch geöffnet werden, haben Endgeräte dieser Klasse einen höheren Energieverbrauch als Geräte der Klasse A. Gleichzeitig verringert sich die Latenz bzw. Verzögerung der Datenübertragung zwischen Gateway und Endgerät auf das festgelegte Intervall.
Klasse C (Bidirektionale Endgeräte mit dauerhaft geöffnetem Empfangsfenster)

Bei dieser Klasse sind die Endgeräte dauerhaft in der Lage Daten zu empfangen, mit der einzigen Ausnahme, wenn das Gerät selbst gerade sendet. Dies hat den Vorteil, dass die Endgeräte stets im empfangsbereiten Zustand sind und somit die Latenz aller drei Klassen am geringsten ist. Gleichzeitig ist bei dieser Klasse auch der Energieverbrauch am höchsten, wodurch Endgeräte dieser Klasse zumeist eine externe Stromversorgung benötigen.

Infografik: Die Architektur von LoRaWan mit Endgeräten, Gateways, Applications-Server. Erkennbar ist der Übergang der Datenübertragung von LoRa auf eine IP-Verbindung

Anwendungsgebiete von und Beispiele für LoRaWAN-Anwendungen

Überwachung des Raumklimas

Einen typischen Anwendungsfall einer LoRaWAN-Infrastruktur stellt die Erreichung eines optimalen Raumklimas dar. Dies kann sowohl am Arbeitsplatz als auch im Eigenheim erreicht werden. Mithilfe der Sensoren (Nodes) ist es möglich, alle relevanten Größen wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit, CO2-Gehalt der Luft zu messen und durch intelligente Steuerung das Raumklima individuell zu tracken und in den optimalen Bereich zu steuern. Durch vermehrte Bewegung in einem Raum kann es erforderlich sein, dass andere Optimierungsschritte notwendig sind gegenüber Tagen, an welchen die Bewegung in einem Raum eher gering ist. Die Steuerung kann dann sowohl bei zu großer Hitze als auch bei Kälte eingreifen, um so die Konzentration der Menschen aufrechtzuerhalten und ein Wohlfühlklima herzustellen.
Proaktives Reinigungs-Management

Ein weiteres Anwendungsgebiet des Long Range Wide Area Network findet sich in der bedarfsorientierten Reinigung von gemeinschaftlich genutzten Räumlichkeiten. Sensoren erkennen, ob Räume seit der letzten Reinigung genutzt wurden bzw. in welcher Intensität sie genutzt werden. Die Sensoren bewerkstelligen dies dabei beispielsweise über die Messung der Körperwärme. Ähnliches gilt für Schreibtische in Büros, wo über Bewegungen und die Temperatur erfasst wird, wann und wie lange ein Schreibtisch genutzt wurde. Dies gilt auch für Öffnungsvorgänge von Türen oder der Zählung von Besucherströmen, um Reinigungsintervalle an besuchsintensiven Tagen gegebenenfalls zu verkürzen. Nach der Sammlung der Daten durch die Sensoren und der Übermittlung dieser an den Server können darauf basierend Reinigungspläne oder -routen erstellt werden.
Energieeffizienz von Gebäuden

Die Steigerung der Energieeffizienz von Gebäuden kann ebenfalls mithilfe des Long Range Wide Area Network umgesetzt werden. Dabei werden die Energiedaten aller Verbraucher erfasst und mittels Funk weitergeleitet. Alle Energieströme können durch Sensoren aufgezeichnet werden. Auch Subverbraucher von elektrischem Strom können in den Kreislauf integriert und aktiv gesteuert werden. Die Erfassung der Werte einzelner Zähler wie Strom-, Gas- oder Wasserzähler stellt eine wertvolle Datengrundlage für die Identifikation von Ineffizienzen in der Energieeffizienz dar, welche im Anschluss behoben werden können. Mithilfe von Long Range Wide Area Network lässt sich jedoch nicht nur der Verbrauch messen, auch die Steuerung der einzelnen Anlagen für den Betrieb lässt sich hiermit umsetzen. Zudem ist es auch möglich, damit auch die eigene Stromerzeugung durch Photovoltaik zu überwachen und im Störfall sofort einzugreifen.

Vorteile von LoRaWAN

Ein großer Vorteil von LoRaWAN ist die sehr große Reichweite sowie die gute Gebäudedurchdringung des Signals. Im freien Gelände kann teilweise eine Reichweite von über 15 Kilometer erzielt werden. Selbst im bebauten Gebiet sinkt die Reichweite nicht so stark ab wie bei anderen Technologien wie z. B. bei WLAN. Dieser Vorteil kann auch innerhalb eines hohen Gebäudes genutzt werden, da das Signal auch mehrere Gebäudedecken durchdringen kann. Einen weiteren Vorteil stellt die Energieeffizienz und die damit verbundene lange Batterielaufzeit der Sensoren dar. Diese kann bis zu 10 Jahren betragen und ist von der jeweiligen Klasse des Endgeräts abhängig. Weitere Vorteile sind die Ende-zu-Ende-Verschlüsselung und die Standardisierung der Technologie durch die LoRa Alliance sowie der Tatsache, dass die Software-Grundmodule als Open-Source-Software erhältlich sind.

Nachteile von LoRaWAN

Als Nachteil von LoRaWAN kann etwa die geringen Übertragungsraten genannt werden, wodurch das Netzprotokoll nicht für alle Anwendungen geeignet ist. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass es sich dabei um ein proprietäres Verfahren handelt, wodurch Abhängigkeiten geschaffen werden. Zudem erfordert die Installation der Infrastruktur hohe Investitionen, wodurch eine flächendeckende Verbreitung sehr teuer ist. Dies unterscheidet das Long Range Wide Area Network von anderen Low-Power-Wireless-Netzprotokollen wie Wirepas Mesh. Seine Stärken hat die Technologie in Outdoor-Anwendungen, wodurch es für gewisse Anwendungen im Innenbereich wie Indoor-Asset-Tracking oder für IoT-Datenübertragung im industriellen Gebiet in Hallen eher ungeeignet ist.

Häufige Fragen im Zusammenhang mit LoRaWAN

Was sind LoRaWAN-Sensoren?

LoRaWAN-Sensoren werden dafür eingesetzt, Daten (z.B. Energieverbrauch, Temperatur, Luftfeuchtigkeit …) zu messen und an ein LoRa-Gateway zu senden, welche anschließend an einen Server zur weiteren Verarbeitung weitergeleitet werden.

Wie funktioniert LoRaWAN?

Das Netzwerk LoRaWAN besteht aus mindestens einem Sensor sowie einem Gateway und einem Server, zwischen welchen Daten versendet werden. Das Netzwerkprotokoll regelt dabei die Kommunikation zwischen allen beteiligten Geräten.

Wie können Sensoren in LoRaWAN selbst Daten empfangen?

Sensoren sind je nach Klasse in der Lage, Daten aus dem Netzwerk zu empfangen, indem sie ihr Download-Receive-Fenster öffnen. Dabei reicht der Öffnungszeitraum von der Öffnung nach jedem Datenversand (Klasse A) bis zur dauerhaften Öffnung der Datenempfangsbereitschaft (Klasse C).

Wo wird LoRaWAN eingesetzt?

LoRaWAN wird vor allem für IoT-Anwendungen und aufgrund der großen Reichweite vorrangig im Outdoor-Bereich eingesetzt.

Was braucht man für LoRaWAN?

Für den Betrieb ist zumindest ein Sensor, ein Gateway sowie ein Server notwendig. Der Sensor misst und sendet die Daten an das Gateway. Dieses bildet die Schnittstelle zum Server und leitet die Daten an diesen weiter. Der leistungsstarke Server führt anschließend die Weiterverarbeitung durch.