Das Internet of Things (IoT) hat verändert, wie wir Geräte verbinden und mit ihnen kommunizieren, und LoRaWAN hat sich als wichtiger Akteur bei der IoT-Konnektivität etabliert. In den letzten Jahren hat die Beliebtheit von LoRaWAN bemerkenswert zugenommen.
Wofür steht LoRaWAN?
LoRaWAN steht für “Long Range Wide Area Network.” Es verbindet die physikalische Funktechnologie namens LoRa (Long Range) mit dem MAC-Layer-Protokoll (Wide Area Network) zu einem Kommunikationsstandard, der speziell für Anwendungen im Internet of Things entwickelt wurde. LoRaWAN ist ein Low-Power Wide Area Network (LPWAN) mit mehr als 225 Millionen LoRa/LoRaWAN-Endknoten und weltweiter Verfügbarkeit (LoRa Alliance, 2021). Unternehmen aus den verschiedensten Branchen setzen für ihre IoT-Projekte zunehmend auf LoRaWAN, und das aus gutem Grund.
In diesem Blog beleuchten wir das starke Wachstum der Abdeckung und die steigende Beliebtheit von LoRaWAN und zeigen, warum es Unternehmen und Branchen hilft, die das Potenzial der IoT-Konnektivität nutzen wollen.
Was ist ein Kommunikationsprotokoll?
Um zu verstehen, was LoRaWAN ist und wie es funktioniert, muss man das Konzept eines drahtlosen Kommunikationsprotokolls kennen. Kommunikationsprotokolle werden häufig mit menschlicher Interaktion und Sprachen verglichen. Bei Protokollen kommunizieren jedoch nicht Menschen mit Worten, sondern Geräte, die drahtlose Daten senden und empfangen.
Drahtlose Kommunikationsprotokolle geben Ihrem Gerät vor, wie es drahtlose Daten liest, sendet und verarbeitet und wie häufig dies geschieht. Bei LoRaWAN steht zum Beispiel der Begriff “Downlink” für Daten, die vom Server an das Gateway oder Gerät übertragen werden, und “Uplink” für die Nachricht, die Ihr Gerät gesendet hat. LoRaWAN legt in diesem Fall also die Frequenz fest, mit der es Downlinks und Uplinks sendet und verarbeitet.
Was ist LoRaWAN?
LoRaWAN ist ein drahtloses Kommunikationsprotokoll für IoT-Geräte, das von der LoRa Alliance entwickelt und gepflegt wird. Es nutzt die LPWAN-Technologie, die für ihre hohe Reichweite, den geringen Stromverbrauch und die Skalierbarkeit bekannt ist. Diese Eigenschaften haben LoRaWAN zu einer immer beliebteren Netzwerklösung gemacht.
Hohe Reichweite:
Die hohe Reichweite von LoRaWAN erlaubt es Geräten, über mehrere Kilometer hinweg in ländlichen oder städtischen Umgebungen zu kommunizieren. Damit eignet sich die Technologie für Anwendungsfälle, bei denen Geräte über große Flächen verteilt sind, etwa in der Smart-Agriculture, beim Umweltmonitoring und beim Asset-Tracking. Möglich wird die hohe Reichweite durch die Verwendung von Spread-Spectrum-Modulation, mit der sich bei geringem Stromverbrauch eine Reichweite von mehreren Kilometern erzielen lässt. Damit ist LoRaWAN ideal für IoT-Anwendungen mit großer Reichweite. Die Reichweite eines LoRaWAN-Geräts kann jedoch weiterhin durch Hindernisse und Signalstörungen beeinträchtigt werden.
Geringer Stromverbrauch
Geräte mit LoRaWAN können in der Regel über einen langen Zeitraum mit Batterie betrieben werden. Die lange Batterielaufzeit wird durch den Einsatz von Adaptive Data Rate (ADR) und optimiertem Paket-Routing erreicht, was Energie spart und die Batterielaufzeit der Geräte verlängert. Der geringe Stromverbrauch von LoRaWAN macht es zu einer wertvollen Option für IoT-Projekte an abgelegenen oder schwer zugänglichen Orten, an denen ein häufiger Batteriewechsel oder das Aufladen nicht praktikabel ist.
Skalierbarkeit
LoRaWAN ist sehr gut skalierbar, da es viele Geräte in einem einzigen Netzwerk unterstützen kann. Die Skalierbarkeit von LoRaWAN ergibt sich aus seiner Star-of-Stars-Netzwerkarchitektur, bei der Endgeräte direkt mit einem Gateway kommunizieren und mehrere Gateways mit einem zentralen Netzwerkserver verbunden werden können. So ist eine effiziente und zuverlässige Kommunikation zwischen einer großen Zahl von Geräten und Gateways innerhalb eines LoRaWAN-Netzwerks möglich.
Wie funktioniert LoRaWAN?
Wie erwähnt, arbeitet LoRaWAN mit einer Star-of-Stars-Netzwerkarchitektur, die aus Endgeräten, Gateways und einem zentralen Netzwerkserver besteht. Die Endgeräte, etwa Sensoren oder andere Geräte, kommunizieren direkt mit den Gateways, die als Brücke zwischen den Endgeräten und dem zentralen Netzwerkserver dienen. Der zentrale Netzwerkserver verwaltet das Netzwerk und ermöglicht die Kommunikation zwischen den Endgeräten und dem Application Server. Die folgende Abbildung zeigt die Star-of-Stars-Architektur von LoRaWAN.
Die Kommunikation zwischen den Endgeräten, oder Knoten, und den Gateways in LoRaWAN basiert auf der LoRa-Modulationstechnik, die eine Kommunikation über große Distanzen bei geringem Stromverbrauch ermöglicht.
Die Endgeräte übertragen Daten mittels Spread-Spectrum-Modulation an die Gateways, wodurch die Daten über einen weiten Frequenzbereich gesendet werden können. Die Gateways empfangen die Daten von den Endgeräten und leiten sie dann über eine IP-basierte Verbindung wie Ethernet, Wi-Fi oder Mobilfunk an den zentralen Netzwerkserver weiter.
LoRaWAN-Gateways
LoRaWAN-Gateways sind zentrale Infrastrukturkomponenten, die als Vermittler zwischen Endgeräten und dem Netzwerkserver dienen. Diese Gateways empfangen die von LoRaWAN-fähigen Geräten gesendeten Daten und leiten sie über Standard-IP-Verbindungen (Ethernet, Wi-Fi, Mobilfunk) an den Netzwerkserver weiter. Ein einzelnes Gateway kann je nach Umgebung und Aufstellort in der Regel mehrere Quadratkilometer abdecken und Tausende von Endgeräten unterstützen.
Moderne LoRaWAN-Gateways gibt es in verschiedenen Ausführungen, von industrietauglichen Outdoor-Einheiten, die rauen Umgebungsbedingungen standhalten, bis hin zu kompakten Indoor-Modellen für kleinere Projekte. Viele Gateways verfügen über Mehrkanalfähigkeiten, die es ihnen erlauben, mehrere Frequenzen gleichzeitig abzuhören und Signale von zahlreichen Geräten auf einmal zu empfangen. Bei der Auswahl von LoRaWAN-Gateways sind unter anderem folgende Faktoren zu berücksichtigen: Anforderungen an die Abdeckung, Stromversorgungsoptionen (Netzbetrieb oder Solar), Backhaul-Anbindung (Ethernet, Mobilfunk, Wi-Fi) und Umgebungsanforderungen.
Die Endgeräte übertragen Daten mittels Spread-Spectrum-Modulation an die Gateways, wodurch die Daten über einen weiten Frequenzbereich gesendet werden können. Die Gateways empfangen die Daten von den Endgeräten und leiten sie dann über eine IP-basierte Verbindung wie Ethernet, Wi-Fi oder Mobilfunk an den zentralen Netzwerkserver weiter.
LoRaWAN-Geräteklassen
LoRaWAN unterstützt außerdem mehrere Geräteklassen, darunter Klasse A, Klasse B und Klasse C. Geräte der Klasse A können Downlink-Nachrichten nur empfangen, nachdem sie eine Uplink-Nachricht gesendet haben. Diese Eigenschaft ist einer der Gründe, warum Geräte der Klasse A der batterieeffizienteste LoRaWAN-Gerätetyp sind. Sie öffnen nach jeder Uplink-Übertragung zwei kurze Empfangsfenster mit festen Verzögerungen. Antwortet der Netzwerkserver während dieser Fenster nicht, muss das Gerät bis zum nächsten Uplink warten, um einen Downlink zu empfangen.
Geräte der Klasse A eignen sich für Anwendungen, die keine häufige oder zeitnahe Downlink-Kommunikation benötigen, etwa Umweltmonitoring oder Tiertracking. Ein Beispiel für diesen Gerätetyp ist die STREGA Smart-Valve Lite Edition; ihre Batterie ist auf eine Laufzeit von mehr als zehn Jahren ausgelegt, was die lange Batterielebensdauer der Klasse A verdeutlicht.
Geräte der Klasse B ähneln den Geräten der Klasse A, öffnen jedoch zusätzliche Empfangsfenster zu festgelegten Zeiten. Sie nutzen ein periodisches Beacon-Signal aus dem Netzwerk, um ihre Uhren zu synchronisieren und “Ping-Slots” zum Empfang von Downlink-Nachrichten zu öffnen. Geräte der Klasse B haben eine geringere Latenz als Geräte der Klasse A, verbrauchen aber mehr Energie, weil sie mehr Zeit im aktiven Modus verbringen.
Geräte der Klasse B sind ideal für Anwendungen, die eine Kommunikation mit geringer Latenz bei batteriebetriebenen Geräten erfordern, etwa die Erkennung von Bränden oder Wasserlecks.
Geräte der Klasse C sind am einfachsten aufgebaut und haben die geringste Latenz. Sie hören ständig auf Downlink-Nachrichten aus dem Netzwerk, außer wenn sie gerade eine Uplink-Nachricht senden. Da sie die meiste Zeit aktiv sind, sind sie der energieintensivste LoRaWAN-Gerätetyp. Geräte der Klasse C eignen sich ideal für extern versorgte Geräte, die eine kontinuierliche Kommunikation mit dem Netzwerk benötigen, etwa smarte Steckdosen oder Überwachungskameras. Viele LoRaWAN-Geräte können sowohl als Klasse A als auch als Klasse C arbeiten und sich so an die Vorlieben des Kunden anpassen. Ein Beispiel für ein Gerät, das sowohl als A als auch als C arbeitet, ist der Watteco In’O Sensor.
Ist LoRaWAN sicher?
Die Sicherheit von LoRaWAN wird durch verschiedene Mechanismen gewährleistet, etwa Ende-zu-Ende-Verschlüsselung, Authentifizierung und Integritätsprüfungen. LoRaWAN verwendet für die Ende-zu-Ende-Verschlüsselung den Advanced Encryption Standard (AES) mit einer Schlüssellänge von 128 Bit, was eine sichere Kommunikation zwischen Endgeräten und dem Application Server gewährleistet. Zusätzlich unterstützt LoRaWAN eine gegenseitige Authentifizierung zwischen Endgeräten und dem Netzwerkserver, sodass nicht autorisierte Geräte keinen Zugriff auf das Netzwerk erhalten.
Wie schneidet LoRaWAN im Vergleich zu anderen IoT-Konnektivitätsoptionen ab?
Beim Vergleich von IoT-Konnektivitätsoptionen ist LoRaWAN je nach Bedarf oft die beste Wahl. Mobilfunknetze wie 4G LTE und 5G bieten eine breite Abdeckung und hohe Datenraten, können aber in Bezug auf Gerätemodule, Datentarife und Stromverbrauch teuer sein. LoRaWAN dagegen bietet hohe Reichweite bei geringem Stromverbrauch und eignet sich damit für kostengünstige IoT-Projekte in den verschiedensten Anwendungsfällen.
Wi-Fi wird weithin für lokale Netzwerke (LANs) eingesetzt und bietet hohe Datenraten und geringe Latenz. Es hat jedoch eine begrenzte Reichweite und eignet sich möglicherweise nur für Kommunikation über kurze Distanzen oder die Anbindung in der Nähe. LoRaWAN dagegen bietet eine deutlich größere Reichweite als Wi-Fi, und sein geringer Stromverbrauch ermöglicht eine lange Batterielaufzeit.
Zigbee ist ein stromsparendes drahtloses Kommunikationsprotokoll mit kurzer Reichweite, das häufig in der Heimautomatisierung und in der industriellen Steuerung eingesetzt wird. Es bietet Mesh-Networking, bei dem Geräte ein Netzwerk bilden und miteinander kommunizieren können. LoRaWAN dagegen bietet eine größere Reichweite und eine Star-of-Stars-Netzwerkarchitektur, die die Bereitstellung und Verwaltung des Netzwerks vereinfacht und die Infrastrukturkosten senkt.
Sigfox ist eine weitere LPWAN-Konnektivitätsoption für IoT-Anwendungen. Es nutzt ein proprietäres Netzwerk und bietet weltweite Abdeckung, hat aber Einschränkungen bei Datenraten und Nachrichtengröße. LoRaWAN bietet höhere Datenraten und größere Nachrichten und eignet sich damit für Anwendungen, die mehr Daten benötigen. LoRaWAN bietet zudem mehr Flexibilität bei Netzwerkarchitektur und Anpassung, da es ein offener Standard ist.
So stellen Sie LoRaWAN-Netzwerke bereit und verwalten sie
Die Bereitstellung und Verwaltung eines LoRaWAN-Netzwerks erfordert sorgfältige Planung, Konfiguration, Überwachung und Skalierung. Bestimmen Sie zunächst die Netzwerkanforderungen Ihres Anwendungsfalls und die Netzwerkanbieter und berücksichtigen Sie dabei Faktoren wie Abdeckungsgebiet, Anzahl der Geräte, Datenrate und anwendungsspezifische Anforderungen. So lassen sich Typ und Anzahl der benötigten Gateways, Sensoren, Netzwerkanbieter und anderen Netzwerkkomponenten festlegen.
Berücksichtigen Sie bei der Auswahl eines LoRaWAN-Anbieters Faktoren wie Netzabdeckung, Zuverlässigkeit und Preise. Zu den verbreiteten Anbietern gehören The Things Network, Senet, Actility und Everynet. Senet ist in über 29 Bundesstaaten verfügbar und deckt über 1.300 Städte in den USA ab, womit eine Bevölkerung von mehr als 55 Millionen Menschen erreicht wird. Everynet deckt mehr als 650 Städte in den USA ab; die folgende Abbildung zeigt die LoRaWAN-Abdeckung von Everynet in den USA.
(Quelle: Everynet)
Es ist entscheidend, die Fähigkeiten jedes Anbieters und seine Kompatibilität mit Ihren Netzwerkanforderungen zu bewerten, um eine fundierte Entscheidung zu treffen. Wählen Sie nicht nur einen Anbieter, der Ihr Netzwerk heute unterstützen kann, sondern auch in Zukunft, wenn Sie Ihre IoT-Projekte skalieren und ausbauen.
Berücksichtigen Sie anschließend geeignete LoRaWAN-Gateways und Netzwerkserver, die Ihren Netzwerkanforderungen entsprechen. Führen Sie eine Standortbegehung durch, um die besten Standorte für Gateways zu ermitteln, und berücksichtigen Sie dabei Faktoren wie Höhe, Sichtverbindung, Störungen und Redundanz. Konfigurieren und registrieren Sie nach der Installation die Gateways beim LoRaWAN-Netzwerkserver, indem Sie Netzwerkparameter einrichten und sich für Authentifizierung und Verwaltung registrieren. Konfigurieren Sie von dort aus zusätzlich Netzwerkeinstellungen wie Datenrate, Channel-Plan und Sicherheitseinstellungen anhand der Anforderungen Ihres Anwendungsfalls. Überwachen Sie regelmäßig die Netzwerkleistung und nutzen Sie Netzwerkmanagement-Tools, um Probleme zu beheben und den Zustand des Netzwerks zu überwachen.
Mit dem Wachstum Ihres IoT-Projekts skalieren und erweitern Sie Ihr LoRaWAN-Netzwerk, indem Sie weitere Gateways hinzufügen, neue Endgeräte registrieren und die Netzwerkressourcen effizienter verwalten. Setzen Sie geeignete Sicherheitsmaßnahmen um, um Ihr LoRaWAN-Netzwerk und Ihre Daten zu schützen, darunter Verschlüsselung, Authentifizierung und Autorisierungsmechanismen. Halten Sie Geräte und Software mit den neuesten Sicherheitsupdates aktuell, um sich vor möglichen Schwachstellen zu schützen.
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