LoRaWAN: Anwendungsbeispiele, Reichweite, Sensoren, Schwächen, Vorteile

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Wenn es um den Aufbau von Netzwerken mit hoher Übertragungsreichweite und Energieeffizienz geht, bietet das Long Range Wide Area Network (LoRaWan) Vorteile gegenüber konkurrierenden Funktechnologien wie WLAN oder Bluetooth. Eine bedeutsame Rolle spielt das Protokoll im Zusammenhang mit dem Internet der Dinge, der Industrie 4.0 und der Smart City.

Definition: Was ist LoRaWAN?

LoRaWAN steht für Long Range Wide Area Network. Zu den wichtigen Eigenschaften gehören der geringe Energieverbrauch und eine große Reichweite. Damit empfiehlt sich die Technologie für viele moderne Anwendungen, bei denen es nicht unbedingt auf die Echtzeitdatenübertragung oder hohe Datenraten ankommt. Das Low-Power-Wireless-Netzprotokoll ist mit seinen Spezifikationen frei verfügbar. Es basiert jedoch auf LoRa als Übertragungsverfahren, bei dem es sich um eine proprietäre Technologie handelt.

Aufbau und Endgeräte

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

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

Der Aufbau eines LoRaWAN-Netzwerks basiert auf drei Komponenten: Sensoren, Gateways und Server. Dabei folgt die Architektur einer sternenförmigen Anordnung. Bei einer solchen sogenannten Stern-Topologie sind die Endgeräte nicht untereinander verbunden. Sie senden ihre Daten stattdessen an ein Gateway bzw. alle Gateways, die sie in ihrer Nähe erreichen können. Von dort erfolgt die Datenweiterleitung an einen Server. LoRa spielt nur bei der Übertragung von Sensor zu Gateway eine Rolle.

Der Server wiederum verfügt über die IoT-Schnittstellen und Anwendungen. Der LoRa-Server kümmert sich also um die Weiterverarbeitung der Daten und die Geräteverwaltung. Die Endgeräte in diesem Netzwerk sind Sensoren, die verschiedene Messwerte erfassen. Einige Beispiel hierfür wären die Temperatur, die Luftfeuchtigkeit oder die CO2-Konzentration. Zu unterscheiden sind bidirektionale Endgeräte der Klasse A, bidirektionale Endgeräte mit definierten Empfangsfenstern (Klasse B) und bidirektionale Endgeräte mit dauerhaft geöffnetem Empfangsfenster (Klasse C).

Sobald die Daten den LoRa-Server erreicht haben, kann die individuelle Weiterverarbeitung der Daten beginnen. Möglich sind Visualisierungen oder die Speicherung der Daten. Um die Kommunikation abzusichern, kommt eine zweifache Verschlüsselung per 128 Bit AES zum Einsatz.

LoRa

LoRa ist die Kurzform für Long Range. Sie dient als Bezeichnung für das durch LoRaWAN genutzte Verfahren für die Signalübertragung, das auf der Chirp-Spread-Spectrum-Technologie (CSS) von Semtech basiert. Hierbei handelt es sich um ein proprietäres und patentiertes Übertragungsverfahren. Die Funktechnik kommt nur zwischen Node und Gateway zum Einsatz.

Ausgelegt ist LoRa für Reichweiten oberhalb von zehn Kilometern. Erreichbar sind Datenübertragungsraten zwischen 292 bit/s bis 50 kbit/s. Eine praktisch kontinuierliche Downlink-Kommunikation ist je nach Betriebsabstufung zwar möglich, verringert aber die Energieeffizienz.

Entscheidend für die Technologie ist das Senden im niedrigen Frequenzbereich bei geringem Energieverbrauch. Letzterer liegt bei etwa 10 mA für die Endgeräte im Betriebsmodus und sinkt auf 100 nA im Ruhezustand. Die hohe Effizienz verdankt LoRa der Frequenzspreizung, die Interferenzen minimiert.

In Europa nutzt LoRa dabei das ISM-Band Region 1 und das SRD-Band Europa. Zu den Vorteilen von LoRa gehört neben der hohen Reichweite auch die gute Gebäudedurchdringung. Damit lassen sich zum Beispiel Standorte in Kellern erreichen.

LoRa Alliance

Bei der LoRa-Alliance handelt es sich um eine gemeinnützige Organisation, die sich der Standardisierung von Low-Power-Wide-Area-Network-Technologien (LPWAN) verschrieben hat und deren Interoperabilität fördert. Die Organisation möchte auch das Internet der Dinge (IoT) vorantreiben, das von energieeffizienten Übertragungsverfahren abhängig ist bzw. von diesen stark profitieren kann.

Die Gründung der LoRa-Alliance erfolgte im Jahr 2015. Daran beteiligt waren wichtige Technologieunternehmen wie zum Beispiel IBM, Cisco oder Swisscom und einige andere. Heute beteiligen sich 500 Mitglieder weltweit an diesem Technologie-Bündnis. Dazu gehören Vertreter aus Nordamerika, Europa, Afrika und Asien. Bosch gehört zum Beispiel zu den deutschen Unternehmen, die sich an der LoRa-Alliance beteiligen.

Vorteile von LoRaWan

  • Hohe Reichweite
  • Hohe Energieeffizienz
  • Geringer Energieverbrauch
  • Gute Gebäudedurchdringung
  • Hohe Flexibilität des Netzwerkaufbaus
  • Schnelle Bereitstellung
  • Vergleichsweise geringe Kosten
  • Ende-zu-Ende-Verschlüsselung ist sichergestellt

Nachteile von LoRaWan

  • Proprietäre Technologie
  • Vergleichsweise geringe Datenrate
  • Nicht für Echtzeitdatenübertragungen geeignet

Die drei größten Wettbewerber von LoRaWAN

LoRaWAN hat einige intrinsische Schwächen. Hier sind in erster Linie die Skalierbarkeit und die Updatefähigkeit zu nennen. Und genau da setzen die Wettbewerber an. Allerdings sollte man einen Vorteil von LoRa nennen: alle Sensoren sind interoperabel und in allen Netzen einsetzbar.

  • Skaliert besser: Mioty

    Mioty kann wesentlich besser skalieren, als LoRaWAN. Mioty wurde geschaffen, um eine große Zahl an IoT-Knoten über große Distanzen abzufragen. Mioty verwendet für die Übertragung Telegram Splitting Multiple Access (TSMA) - eine in der ETSI TS 103 357 spezifizierte Technik, die vor Interferenzen und Paketkollisionen schützen soll. Dabei wird ein Datenpaket mit Vorwärtsfehlerkorrekturalgorithmen in redundante Unterpakete zerlegt. Es genügt für TSAM, wenn nur 50 % der Unterpakete empfangen werden, um ein volles Datenpaket rekonstruieren zu können. Die Unterpakete werden pseudozufällig auf wechselnden Frequenzen versendet. Dies verringert Interferenzen und Kollisionen.

  • Besser zu updaten und zuverlässiger: NB IOT

    In Sachen Update und Zuverlässigkeit hat Narrowband-IoT (NB-IoT) die Nase vorn.

  • 1 Million Geräte pro km²: DECT 2020 NR

    DECT 2020 NR ist ein anderes Konzept, das mit höherer Bandbreite und ohne zentralen Operator Sensornetze auf weitere Distanzen (200m indoor und 3km outdoor) eine höhere Zuverlässigkeit und Performance verspricht. Das wird ein interessantes Rennen auf der Ebene von Smart City bewirken, einem Anwendungsfeld, das gerade hohe Dichten von IoT-Sensoren erwarten lässt. DECT 2020 NR ist für Gerätedichten von 1 Million Geräten pro km² ausgelegt. Federführend in der Entwicklung des Standards DECT 2020 NR ist das finnische IoT-Technologie-Unternehmen Wirepas

Infografik: LoRaWAN Beispiele für Anwendungen

Infografik: LoRaWAN Beispiele für Anwendungen

 

Anwendungsbeispiele für LoRaWan

Anhand von fünf Anwendungsbeispielen lässt sich verdeutlichen, wo die Technologie zum Einsatz kommen kann und welchen Nutzen sie dort bietet.

  • Beispiel Smart City #1: Intelligente Mülltonnen für smarte Städte

    Mülltonnen sind „intelligenter“ geworden und reden mehr über ihr Innenleben. Sie geben bescheid, wenn sie geleert werden wollen. Es gibt IoT-Dienstleister, die mit Stadtwerken Smart City LoRaWAN-Netze anbieten. Ein Anbieter ist die DIGIMONDO GmbH in Hamburg.

    Vernetzte Mülltonnen melden ihre aktuellen Füllstand an die Stadtwerke oder den Entsorgungsdienstleister. Mit diesen Daten planen Müllentsorger ihre Routen für die Abholung. In Österreich wird dies bereits praktikziert. Mit dem klangvollen Namen Friendly Energy wird der digitale Abfalleimer „Big Belly Solar“ betrieben. Die digitalen Mülleimer tragen in ihrem Bauch eine integrierte Müllpresse. So nehmen sie viel mehr Müll auf, der selbständig vom Eimer gepresst wird. Die Energie dafür liefert die Photovoltaik. Der umweltfreundliche Clou: Wenn mehr rein geht, muss seltener abgeholt werden.

  • Beispiel Smart Building: ein einfaches Gebäudenetz für IAQ und IEQ

    Sensoren für Innenraumluft (IAQ: Indoor Air Quality) und Innen-Umgebung (IEQ: Indoor Environment Quality) des Anbieters IQ Nexus setzen technisch auf LoRa-ICs auf. Hier werden die LoRaWAN-Standards für Gebäudeautomationssysteme genutzt. Die Sensoren dienen dazu, CO2-Emissionen in Echtzeit zu tracken. Die LoRaWAN-Anbindung ermöglicht es dem IAQ-Sensor, BACnet und ModBus als Standardprotokolle zu nutzen. So konnektiert der IAQ-Sensor zu Gebäudeautomations- und Energiemanagementsystemen und mit den SCADA-Systemen (Supervisory Control and Data Acquisition). In einer typischen Installation in einem Smart Building mit 30 bis 50 Stockwerken müssen 20 bis 30 Gateways mit 700 bis 1.000 Sensoren eingesetzt werden, um diese Aufgabe abzubilden. Eine IoT-Plattform mit einem lokalen Server bedient die IAQ-Sensoren.

  • Beispiel Industrie 4.0: Vernetzung von Industriehallen

    In Industriehallen gilt es verschiedene Parameter zu überwachen. Dazu gehören zum Beispiel das Raumklima oder der Stromverbrauch der aufgestellten Maschinen und deren produzierte Stückzahlen. Um das umzusetzen, sind Sensoren erforderlich für die Messung der Temperatur, der Luftfeuchtigkeit und der CO2-Belastung. Hinzu kommen Sensoren für die Überwachung der Maschinenparameter.

    Da die Entfernungen in Industriehallen zumeist relativ kurz sind, reicht in einem solchen Szenario die Verwendung eines einzelnen Gateways aus. An dieses können die verbauten Sensoren ihre Messdaten per LoRa übermitteln. Für die Registrierung am LoRa-Server dienen Übertragungstechniken wie beispielsweise LTE oder LAN. Hierüber stellt das Gateway die Verbindung mit dem Internet her.

    Anhand dieses Aufbaus ist es nun möglich, die von den Sensoren über die Gateways an den Server übermittelten Daten zum Beispiel für die Überwachung zu verwenden. So wäre etwa erkennbar, ob sich das Raumklima in einem optimalen Bereich befindet und die Auslastung der Maschinen hoch genug ausfällt.

    Vernetzte Industriehallen sind eine typische Beispiel-Anwendung für LoRaWan. (Foto: AdobeStock - Michael)

    Vernetzte Industriehallen sind eine typische Beispiel-Anwendung für LoRaWan. (Foto: AdobeStock - Michael)

  • Beispiel Smart City #2: Realisierung eines smarten Angebots an Parkplätzen

    Smart Cities gehören zu den wichtigen Anwendungsbereichen der Technologie. Denkbar sind zum Beispiel die Parkplatzüberwachung und die Umsetzung eines smarten Parkens. So ließen sich Sensoren einsetzen, um die Besetzung von Parkplätzen zu überwachen. Ziel ist die bessere Steuerung des Verkehrs und eine Minimierung der Parkplatzsuchzeiten. Zu den Nebeneffekten gehören eine Verringerung der Treibstoffkosten und geringere Abgasemissionen.

    Die Sensoren können zum Beispiel registrieren, welche Parkplätze aktuell frei sind. Sie leiten diese Informationen an die Autofahrer weiter, damit sie sich auf dem Parkplatz oder im Parkhaus besser orientieren können. Gerade in Städten mit begrenztem Angebot an Parkplätzen und einem hohen Verkehrsaufkommen bietet das Vorteile.

    Eine weitere Beispiel-Anwendung für LoRaWan sind smarte Parkplätze in der Smart City. (Foto: AdobeStock - metamorworks)

    Eine weitere Beispiel-Anwendung für LoRaWan sind smarte Parkplätze in der Smart City. (Foto: AdobeStock - metamorworks)

  • Beispiel Smart City #3: CO2-Monitoring durch energieeffiziente Netzwerke

    Zu den typischen Aufgaben der Endgeräte im Low-Power-Wireless-Network gehört die Messung der CO2-Konzentration. Die Installation entsprechender Sensoren an strategisch sinnvollen Stellen in der Stadt ermöglicht ein effizientes CO2-Monitoring. Das ist nützlich, um die Luftqualität zu kontrollieren und durch die Einleitung geeigneter Maßnahmen mittel- bis langfristig zu verbessern.

    Dafür kommen smarte Luftverschmutzungsüberwachungssensoren zum Einsatz. Sie erfassen die CO2-Konzentration in der Luft dort, wo sich Menschen in der Stadt typischerweise aufhalten. Es erfolgt die Datenübermittlung per LoRa an das Gateway und von dort an den Server für die weitere Datenverarbeitung. Zu dieser gehört die Auswertung der Schadstoffemissionen. Die Verantwortlichen bei der Stadt können daraus Schlüsse ziehen, wie sich die Luftqualität und damit die Lebensqualität verbessern ließe.

    Beispiel-Anwendung für LoRaWan: Die Messung der CO2-Emissionen in der SmartCity. (Foto: AdobeStock - NicoElNino)

    Beispiel-Anwendung für LoRaWan: Die Messung der CO2-Emissionen in der SmartCity. (Foto: AdobeStock - NicoElNino)

FAQ: Häufige Fragen zu LoRaWan

Wie funktioniert LoRaWAN?

Die Funktionsweise von LoRaWAN basiert auf der Verbindung dreier Komponenten: Sensoren (Nodes), Gateway und LoRa-Server. Die Nodes senden ihre Daten an sämtliche Gateways in ihrer Umgebung. Von dort aus findet die Weiterleitung an die Server statt. Daran schließt die individuelle Datenverarbeitung in beliebiger Form an.

Was sind LoRaWAN Sensoren?

Die LoRaWAN Sensoren sollen zwei Aufgaben erfüllen. Auf der einen Seite messen sie verschiedene Werte wie zum Beispiel die Temperatur in ihrer Umgebung oder die CO2-Konzentration. Auf der anderen Seite nutzen sie ein LoRaWAN, um diese Daten im Netzwerk zu versenden. Eine weitere Bezeichnung für Sensor lautet in diesem Zusammenhang Node.

Wo wird LoRaWAN eingesetzt?

Zu den typischen Einsatzbereichen der Technologie gehört zum Beispiel die Smart City. Zu nennen wären die Energie- und Wasserwirtschaft. Nützlich sind in diesem Zusammenhang die hohe Reichweite im Vergleich zu WLAN und die geringen Kosten im Vergleich zu Mobilfunk-Technologien. Doch auch in der Industrie (IIoT) kommt LoRaWAN zum Einsatz.

Wie weit geht LoRa?

Prinzipiell ermöglicht LoRa Reichweiten von bis zu 50 oder 70 Kilometern. Das sind jedoch theoretische Werte, die in der Praxis schwer zu erreichen sind, da sie eine extrem hohe Gateway-Dichte erfordern. Die typischen Werte für die Reichweite liegen bei bis zu 15 Kilometern. Das gilt für flaches Gelände mit ungestörter Sichtverbindung.

Nachteil: je weiter weg, umso höher die benötigte Sendeleistung und somit der Verbrauch. Zudem ist die Bandbreite sehr gering, ebenso die Zuverlässigkeit. Updates sind nur sehr unschön umzusetzen und wenn sie überhaupt möglich sind, dann ist es eher riskant, dass sie funktionieren.

Was kostet LoRaWAN?

Die Kosten für das Long Range Wide Area Network sind im Vergleich zur Mobilfunk-Technologie relativ gering. Das liegt daran, dass bereits ein einzelnes Gateway mit einer hochwertigen Antennenausstattung bis zu 15 Kilometer Reichweite abdecken kann. Die Kosten liegen pro Standort bei etwa 2.500 bis 5.000 Euro. Das ist jedoch nur eine grobe Schätzung und umfasst auch die Kosten für den Aufbau und die Konfiguration.

Wo ist LoRaWAN verfügbar?

Die LoRa Alliance gibt Auskunft darüber, wie hoch der Verbreitungsgrad der Technologie bereits ist. Laut deren Aussage sind weltweit über 170 Netzbetreiber in über 50 Ländern daran beteiligt. Aber: Die Netzwerkabdeckung erstreckt sich zwar praktisch über den gesamten Globus, jedoch sind die Netze stark fragmentiert und in Afrika noch sehr lückenhaft ausgeprägt.

Wie viel dB erlaubt LoRaWAN?

Der maximale Antennengewinn ist in Europa auf 2,15 dB festgelegt. Zum Einsatz kommen für den Aufbau der entsprechenden Netzwerke in der Regel Rundstrahlantennen. Dabei kommt es zu einer Verbreitung der abgestrahlten Energie auf einer horizontalen Ebene. In dieser befinden sich die Gateways und die jeweiligen Netzwerkknoten.

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