Sie haben schon einmal von LoRaWAN gehört, aber Begriffe wie „Gateway“, „Uplink“, „Downlink“ oder „Spreading Factor“ sind Ihnen noch unverständlich? Keine Sorge: Man muss kein Funkexperte sein, um die Funktionsweise eines LoRaWAN-Netzwerks zu verstehen.
Stellen Sie sich einfach einen Temperatursensor vor, der in einem Technikraum oder einem Besprechungsraum installiert ist. Dieser Sensor muss seine Messwerte regelmäßig an ein Überwachungssystem senden – ohne Kommunikationskabel und ohne dass die Batterie alle sechs Monate gewechselt werden muss. Genau diese Anforderung erfüllt das LoRaWAN-Protokoll.
In diesem Artikel werden wir Schritt für Schritt Folgendes kennenlernen:
- Was ist LoRaWAN?
- Wie werden Daten übertragen?
- Wozu dienen die Sensoren, Gateways und der LoRaWAN-Server?
- Was bedeuten „Uplink“ und „Downlink“?
- Wie funktionieren die Klassen A, B und C?
- Wie LoRaWAN Reichweite, Batterielaufzeit und Sicherheit gewährleistet
- Wie entscheidet man sich zwischen einem privaten LoRaWAN-Netz und einem betriebenen Netz?
Am Ende dieses Artikels werden Sie die Grundlagen von LoRaWAN und die Rolle der einzelnen Netzwerkkomponenten verstehen.
Was ist LoRaWAN?
Über
LoRaWAN ist ein Funkkommunikationsprotokoll, das für vernetzte Geräte entwickelt wurde. Es gehört zur Familie der LPWAN-Netzwerke ( Low Power Wide Area Network). Auf Deutsch bezeichnet dies ein weitreichendes Netzwerk mit geringem Energieverbrauch.
Das LoRaWAN-Protokoll eignet sich besonders für Geräte, die folgende Anforderungen erfüllen müssen:
- mehrere Jahre im Akkubetrieb funktionieren
- ihre Daten ohne Verkabelung zu übertragen
- eine beträchtliche Strecke zurücklegen
- mehrere Wände oder Stockwerke durchqueren
- in regelmäßigen Abständen kurze Nachrichten zu senden.
In einem Gebäude kann ein LoRaWAN-Sensor beispielsweise Folgendes messen:
- eine Temperatur
- eine Luftfeuchtigkeit
- eine CO₂-Konzentration
- der Wasser-, Gas- oder Stromverbrauch
- das Öffnen einer Tür oder eines Fensters
- der Zustand einer Anlage
- ein Wasserleck
- die Stellung eines Ventils.
LoRaWAN findet daher breite Anwendung in den Bereichen Smart Building, gebäudeleittechnik, Industrie, Landwirtschaft, Logistik und vernetzte Städte.
Wofür ist LoRaWAN nicht gedacht?
LoRaWAN ist für die Übertragung kleiner Datenmengen ausgelegt: eine Temperatur, einen Status, einen Zählerstand oder einen Alarm. Es eignet sich nicht für die Übertragung von:
- eines Videos
- eines durchgehenden Tons
- große Dateien
- Hunderte von Messungen pro Sekunde.
Ein Sensor, der alle zehn Minuten einen Temperaturwert übermittelt, eignet sich perfekt für den Einsatz von LoRaWAN. Eine Kamera, die Live-Videobilder überträgt, hingegen nicht.
Was ist der Unterschied zwischen LoRa und LoRaWAN?
Die Begriffe „LoRa“ und „LoRaWAN“ werden oft so verwendet, als würden sie dasselbe bezeichnen. Dabei handelt es sich jedoch um zwei unterschiedliche Konzepte.
LoRa: das Funksignal
LoRa bezeichnet die Modulationstechnologie, die zur Übertragung einer Nachricht über Funk verwendet wird. Sie bildet den „Funk“-Teil der Kommunikation. Sie ermöglicht insbesondere eine gute Reichweite bei geringem Energieverbrauch.
LoRaWAN: Die Netzwerkregeln
LoRaWAN ist das Protokoll, das die Kommunikation regelt. Es definiert insbesondere:
- Wie ein Objekt in das Netzwerk aufgenommen wird
- wenn er eine Nachricht senden kann
- wenn er eine Bestellung entgegennehmen kann
- Wie der Datenaustausch gesichert wird
- wie das Netzwerk die verschiedenen Objekte verwaltet.
Man kann einen einfachen Vergleich anstellen: LoRa ist die Strecke, die die Nachricht zurücklegt. LoRaWAN entspricht der Straßenverkehrsordnung, den Verkehrszeichen und den Verkehrsregeln. Beide ergänzen sich. LoRa überträgt das Signal, während LoRaWAN das Netzwerk organisiert.
Wie funktioniert ein LoRaWAN-Netzwerk?
Ein LoRaWAN-Netzwerk mag auf den ersten Blick komplex erscheinen, wenn man sich ein technisches Schema ansieht. Seine Architektur basiert jedoch auf vier leicht zu erkennenden Elementen:
- der Sensor oder das vernetzte Gerät
- das LoRaWAN-Gateway
- der LoRa-Netzwerkserver
- die Fachanwendung oder die gebäudeleittechnik
1. Der LoRaWAN-Sensor misst und sendet
Der Sensor ist der Ausgangspunkt der Daten. Er misst beispielsweise eine Temperatur von 21,4 °C und wandelt diesen Messwert dann in eine kurze digitale Nachricht um. Anschließend sendet er diese Nachricht per Funk.
2. Das LoRaWAN-Gateway empfängt die Nachricht
Das LoRaWAN-Gateway, auch LoRaWAN-Brücke genannt, empfängt die von den Sensoren in seinem Erfassungsbereich gesendeten Nachrichten. Es empfängt die Funkrahmen und leitet sie an den Server weiter, der für die Verwaltung des Netzwerks zuständig ist. Das Gateway fungiert somit als Relais. Es entscheidet nicht eigenständig darüber, was die Daten bedeuten.
3. Das LNS organisiert das Netzwerk
Der LoRa Network Server, oft als LNS abgekürzt, ist das Herzstück des LoRaWAN-Netzwerks.
Er verwaltet insbesondere:
- die Sensoren, die zum Netzwerk zugelassen sind
- die Authentifizierung der Sensoren
- bestimmte Funkparameter
- das Senden von Nachrichten an die Sensoren
- das Löschen von Nachrichten, die mehrfach eingegangen sind
Das LNS kann Folgendes sein:
- direkt in ein Gateway integriert
- auf einem lokalen Server installiert
- in der Cloud gehostet
4. Die App nutzt die Daten
Sobald die Nachricht verarbeitet wurde, müssen die Daten verständlich und nutzbar gemacht werden. Sie können an folgende Stellen weitergeleitet werden:
- eine gebäudeleittechnik
- ein Automat
- eine Überwachung
- eine IoT-Plattform
- eine Software zur Energieüberwachung
- eine Fachanwendung.
In einem Gebäude kann beispielsweise ein Gateway mit integriertem LNS die Daten über Protokolle wie Modbus oder BACnet einer SPS zur Verfügung stellen.
Der gesamte Ablauf einer Messung
Kommen wir noch einmal auf unseren Temperatursensor zurück:
- Der Sensor misst 21,4 °C
- Er sendet einen LoRaWAN-Frame
- Ein Gateway empfängt diesen Frame
- Das LNS überprüft und organisiert die Nachricht
- Die Daten werden decodiert
Uplink und Downlink: In welche Richtung fließen die Daten?
In einem LoRaWAN-Netzwerk können Nachrichten in beide Richtungen übertragen werden. Man spricht dabei vonUplink und Downlink.
Was ist ein LoRaWAN-Uplink?
Ein Uplink ist eine Nachricht, die vom Sensor an das Netzwerk gesendet wird. Es handelt sich um eine „aufsteigende“ Nachricht. Ein Uplink kann beispielsweise folgende Informationen enthalten:
- eine Temperatur
- ein CO₂-Gehalt
- ein Zählerstand
- ein Alarm
- der Status eines Eintrags
- den Akkustand des Sensors.
Der Pfad lautet wie folgt:
Sensor → Gateway → LNS → Anwendung oder gebäudeleittechnik
Um sich den Begriff zu merken, denken Sie einfach an das englische Wort „up“, das „nach oben“ bedeutet.
Was ist ein LoRaWAN-Downlink?
Ein Downlink verläuft in die entgegengesetzte Richtung. Dabei handelt es sich um eine Nachricht, die vom Netzwerk an den Sensor gesendet wird. Sie kann folgenden Zwecken dienen:
- die Übertragungsfrequenz eines Sensors ändern
- einen Alarmschwellenwert ändern
- eine neue Anweisung übermitteln
- ein Relais öffnen oder schließen
- die Position eines Ventils ändern.
Der Pfad lautet dann:
Anwendung oder gebäudeleittechnik LNS → Gateway → Objekt
Beispiel mit einem Thermostatventil
Ein Ventil misst die Temperatur in einem Raum und übermittelt den Wert per Uplink. Die gebäudeleittechnik den Messwert und beschließt, die Heizleistung zu reduzieren. Daraufhin sendet sie einen neuen Sollwert per Downlink. Das Ventil empfängt diesen Sollwert und drosselt seinen Motor leicht.
LoRaWAN ermöglicht somit sowohl die Erfassung von Daten als auch die Steuerung bestimmter Geräte.
Die Downlinks unterliegen jedoch weiterhin stärkeren Einschränkungen als die Uplinks. Ein batteriebetriebenes Gerät hört nicht unbedingt ständig auf das Netzwerk. Der Zeitpunkt, zu dem es einen Befehl empfangen kann, hängt insbesondere von seiner LoRaWAN-Klasse ab.
Die LoRaWAN-Klassen A, B und C einfach erklärt
Die Klasse eines LoRaWAN-Sensors bestimmt dessen Funkverhalten.
Sie beantwortet drei Fragen:
- Wann sendet das Objekt seine Daten?
- Wann hört er das Netzwerk ab?
- Ab wann kann er eine Bestellung entgegennehmen?
Es gibt drei Hauptklassen: A, B und C.
| Klasse | Funktionsweise | Verbrauch | Alltägliche Verwendung |
|---|---|---|---|
| A | Nach dem Senden von Daten kurz abhören | Sehr gering | Batteriebetriebene Sensoren |
| B | Abhören zu festgelegten Zeiten | Mittelstufe | Spezifische Anwendungen |
| C | Hört fast ständig zu | Hoch | Stromversorgte Stellantriebe |
Klasse A: Der LoRaWAN-Sensor befindet sich die meiste Zeit im Ruhezustand
Die Klasse A wird am häufigsten verwendet.
Die Funktionsweise ist einfach:
- Der Sensor wird aktiviert
- Er führt eine Messung durch
- Er sendet einen Uplink.
- Er öffnet zwei kurze Empfangsfenster
- Er empfängt gegebenenfalls einen Downlink
- Es geht wieder in den Ruhezustand über.
Der Sensor befindet sich also die meiste Zeit im Ruhezustand. Dadurch kann er mehrere Jahre lang mit einer einzigen Batterie betrieben werden.
Die Klasse A eignet sich besonders für:
- Temperatursensoren
- Feuchtigkeitssensoren
- Zähler
- Öffnungssensoren
- Luftqualitätssensoren.
Die größte Einschränkung betrifft die Downlink-Befehle. Um einen Downlink zu senden, muss das Netzwerk in der Regel warten, bis der Sensor einen Uplink übertragen und seine Empfangsfenster geöffnet hat.
Die Klasse A fördert also die Eigenständigkeit, nicht jedoch die sofortige Reaktion.
Klasse B: Der LoRaWAN-Sensor wird zu bestimmten Zeiten aktiviert
In Klasse B öffnet der Sensor geplante Abhörfenster.
Das Netzwerk und das Gerät synchronisieren sich mithilfe von Nachrichten, die als „Beacons“ bezeichnet werden. So weiß der Sensor, wann er auf einen möglichen Befehl achten muss.
Man kann sich diesen Vorgang so vorstellen, als würde jemand zu festen Zeiten seinen Briefkasten leeren.
Die Klasse B stellt einen Kompromiss zwischen Autonomie und Verfügbarkeit dar, wird jedoch in gängigen Anwendungen der gebäudeleittechnik nach wie vor relativ selten eingesetzt.
Klasse C: Das Gerät bleibt ständig im Empfangsmodus
In Klasse C überwacht das Objekt das Netzwerk fast ununterbrochen, außer wenn es gerade Daten sendet.
Er kann also praktisch jederzeit eine Bestellung entgegennehmen.
Diese Klasse eignet sich für Geräte, die schnell reagieren müssen:
- Relais
- Stellantriebe
- angesteuerte Ventile
- Thermostate
- Steuerungsausrüstung.
Dieser Dauerbetrieb verbraucht viel Energie. Geräte der Klasse C werden daher in der Regel an eine externe Stromversorgung angeschlossen.
Welche Frequenzen werden von LoRaWAN genutzt?
Das LoRaWAN-Protokoll nutzt nicht überall auf der Welt genau dasselbe Funkband.
Die Frequenzen hängen von den örtlichen Vorschriften ab.
In Europa und somit auch in Frankreich nutzt LoRaWAN hauptsächlich das EU868-Band im Bereich um 868 MHz.
In den Vereinigten Staaten wird hauptsächlich das Frequenzband US915 genutzt. In Australien wird das Frequenzband AU915 genutzt.
Das bedeutet, dass ein für den US-Markt entwickelter Sensor nicht automatisch mit einem europäischen Netzwerk kompatibel ist.
Vor einer Bereitstellung muss Folgendes überprüft werden:
- Der Sensor verwendet die richtige Frequenz
- Das Gateway nutzt denselben Frequenzplan
- Die Geräte sind in dem betreffenden Land zugelassen.
LoRaWAN-Frequenzbänder sind in der Regel sogenannte „freie“ Frequenzbänder. Für ihre Nutzung ist der Erwerb einer Funklizenz nicht erforderlich.
Die LoRa-Allianz legt in diesem Dokument die für jedes Land nutzbaren Frequenzen fest.
Spreading Factor, ADR und Duty Cycle: Die drei wichtigsten Funkbegriffe, die man kennen sollte
Diese drei Begriffe klingen zwar technisch, doch das Prinzip dahinter ist recht einfach.
Der Spreading-Faktor: schnell vorankommen oder weit kommen
Der Spreading Factor, abgekürzt SF, beeinflusst die Dauer und die Robustheit einer Funknachricht. Er liegt in der Regel zwischen SF7 und SF12.
Stellen Sie sich vor, Sie müssen einer Person, die sich weit von Ihnen entfernt befindet, einen Satz mitteilen. Wenn sie in Ihrer Nähe ist, können Sie schnell sprechen. Wenn sie sehr weit entfernt ist, müssen Sie langsamer sprechen und jedes Wort deutlich betonen, um verstanden zu werden. Bei LoRaWAN funktioniert das nach einem ähnlichen Prinzip.
Bei einem niedrigen SF-Wert, wie z. B. SF7
Die Nachricht wird umgehend gesendet.
Dies ermöglicht:
- weniger Energie zu verbrauchen
- die Frequenz weniger lange zu belegen
- die Gesamtkapazität des Netzes zu erhöhen.
Dieser Modus eignet sich gut, wenn sich der Sensor in der Nähe des Gateways befindet und die Funkverbindung gut ist.
Bei einem hohen SF-Wert, wie z. B. SF12
Die Nachricht bleibt länger in der Luft. Sie lässt sich leichter erkennen, wenn das Signal schwach ist, aber:
- Der Versand dauert länger
- Der Sensor verbraucht mehr Energie
- Der Funkkanal bleibt länger belegt.
Ein hoher SF ist also nicht immer besser. Das Ziel besteht darin, den niedrigsten SF zu verwenden, bei dem eine zuverlässige Kommunikation gewährleistet bleibt.
ADR: die automatische Netzanpassung
ADR steht für „Adaptive Data Rate“. Diese Funktion ermöglicht es dem Netzwerk, bestimmte Funkparameter des Sensors automatisch anzupassen. Der LNS analysiert die Qualität der empfangenen Nachrichten.
Wenn ein Sensor SF12 verwendet, obwohl der Empfang sehr gut ist, kann das Netzwerk ihn auffordern, einen niedrigeren SF-Wert zu verwenden. Die Nachricht wird dann schneller gesendet und die Batterie wird weniger belastet. Umgekehrt kann das Netzwerk bei einer schwierigen Verbindung robustere Parameter wählen.
Die ADR fungiert somit als automatische Regelung, die das optimale Gleichgewicht zwischen folgenden Faktoren anstrebt:
- Reichweite
- Zuverlässigkeit
- Verbrauch
- Funkbelegungszeit.
Diese Funktion eignet sich besonders für fest installierte Sensoren in einem Gebäude.
Der Duty Cycle: Jeder muss warten, bis er an der Reihe ist
Der Duty Cycle begrenzt die Zeit, während der ein Gerät Signale senden darf. Warum gibt es diese Regel? Weil sich die Funkfrequenzen geteilt werden. Würden alle Sensoren ständig Signale senden, wäre das Netzwerk schnell unbrauchbar. Der Duty Cycle legt daher eine maximale Sendezeit fest.
Ein Duty Cycle von 1 % entspricht vereinfacht ausgedrückt einer maximalen Sendezeit von 36 Sekunden pro Stunde im betreffenden Teilband.
Diese Regel regt dazu an, Folgendes zu senden:
- Kurznachrichten
- nur die relevanten Daten
- in einem Umfang, der dem Bedarf entspricht.
Je höher der Spreading-Faktor ist, desto länger verbleibt die Nachricht in der Luft und desto schneller nutzt sie diese verfügbare Zeit auf. Aus diesem Grund ist LoRaWAN nicht für die kontinuierliche Datenübertragung ausgelegt.
Wie wird die Sicherheit der LoRaWAN-Kommunikation gewährleistet?
Eine Funkkommunikation kann potenziell abgefangen werden. Daher ist die Sicherheit in die Funktionsweise des LoRaWAN-Protokolls integriert.
Um die Aktivierung eines Objekts zu verstehen, muss man drei wesentliche Informationen kennen.
| Informationen | Rolle | Einfacher Vergleich |
|---|---|---|
| DevEUI | Identifiziert das Objekt eindeutig | Seriennummer |
| JoinEUI oder AppEUI | Gibt den Registrierungsdienst an | Adresse der Annahmestelle |
| AppKey | Schlüssel zur Authentifizierung des Objekts | Vertrauliches Passwort |
Das DevEUI
Die DevEUI ist die eindeutige Kennung des Sensors.
Zwei Objekte dürfen nicht denselben DevEUI haben. Anhand dieses DevEUI kann das Netzwerk genau erkennen, welches Gerät eine Kommunikation herstellen möchte.
Die AppEUI
Die AppEUI gibt an, an welchen Aktivierungsdienst sich das Objekt wenden möchte.
Man kann es mit der Adresse des Schalters vergleichen, an dem sich der Sensor anmelden muss.
Der AppKey
Der AppKey ist ein geheimer Schlüssel.
Sie ist durch das Objekt und die für ihre Authentifizierung zuständige Infrastruktur bekannt. Sie darf niemals ungeschützt veröffentlicht oder weitergegeben werden.
Der AppKey lässt sich mit dem Hauptpasswort des Sensors vergleichen.
Wie funktioniert die OTAA-Aktivierung?
Die gängigste Aktivierungsmethode heißt OTAA, kurz für „Over-the-Air Activation“.
Beim Start:
- Der Sensor sendet eine Verbindungsanfrage, die als „Join Request“ bezeichnet wird.
- Das Netzwerk überprüft, ob der Sensor autorisiert ist
- Das Netzwerk sendet eine „Join Accept“-Antwort zurück
- Es werden Sitzungsschlüssel erstellt
- Der Sensor kann mit der Datenübertragung beginnen.
LoRaWAN nutzt die AES-128-Verschlüsselung, um die Kommunikation zu schützen.
Die Nutzdaten werden verschlüsselt und die Nachrichten authentifiziert. Wer also einen Funkrahmen abfängt, könnte dessen Inhalt nicht einfach lesen.
Privates LoRaWAN-Netzwerk oder öffentliches Netzwerk: Was ist der Unterschied?
Es gibt zwei grundlegende Möglichkeiten, ein LoRaWAN-Netzwerk einzurichten.
Das private LoRaWAN-Netzwerk
In einem privaten Netzwerk richtet das Unternehmen seine eigene Infrastruktur ein und betreibt sie.
Sie installiert:
- seine Sensoren
- ein oder mehrere Gateways
- sein LNS, lokal oder remote
- die Schnittstellen zur gebäudeleittechnik zur Fachanwendung.
In einem Gebäude kann ein Gateway in einem Schaltschrank installiert werden. Es empfängt die Daten von den Sensoren und leitet diese anschließend über Modbus oder BACnet an eine SPS weiter.
Die wichtigsten Vorteile sind:
- die Kontrolle über die Infrastruktur
- die lokale Datenspeicherung
- die direkte Anbindung an die gebäudeleittechnik
- das Fehlen eines Mobilfunkvertrags pro Sensor, abgesehen von eventuellen Diensten
- eine genau auf das Gebäude abgestimmte Dachdeckung.
Im Gegenzug muss der Betreiber sein Netzwerk installieren, konfigurieren und warten.
Das öffentliche oder betriebene LoRaWAN-Netzwerk
In einem öffentlichen Netzwerk wird die Infrastruktur von einem Betreiber bereitgestellt. Der Nutzer kann seine Sensoren an das bestehende Netzwerk anschließen, vorausgesetzt:
- dass der Bereich abgedeckt ist
- dass die Sensoren kompatibel sind
- die erforderlichen Dienste zu abonnieren (Abonnements…)
Die Daten werden in der Regel an die Cloud-Umgebung des Betreibers gesendet und anschließend von einer Fachanwendung über eine API oder einen Konnektor abgerufen.
Diese Lösung ist interessant, wenn sich die Objekte auf mehrere Standorte oder ein großes geografisches Gebiet verteilen.
| Privates Netzwerk | Öffentliches oder betriebenes Netz |
|---|---|
| Vom Unternehmen installierte Gateways | Von einem Betreiber installierte Gateways |
| Lokale Abdeckung unter Kontrolle | Netzabdeckung je nach Anbieter |
| Daten, die sich problemlos in eine gebäudeleittechnik integrieren lassen | Daten, auf die in der Regel über eine Remote-Plattform zugegriffen werden kann |
| Kein Mobilfunkvertrag pro Sensor | In der Regel ist ein Abonnement oder ein Dienst erforderlich |
| Instandhaltung geht zu Lasten des Betreibers | Vom Betreiber verwaltete Funkinfrastruktur |
Bei einem Gebäude mit einer gebäudeleittechnik ist das private Netzwerk oft besonders sinnvoll. Bei Anlagen, die über mehrere Städte verteilt sind, kann ein betriebenes Netzwerk einfacher zu handhaben sein.
Warum ist LoRaWAN interoperabel?
LoRaWAN ist ein offenes Protokoll, das von der LoRa Alliance definiert wurde. Seine Interoperabilität lässt sich mit der von Bluetooth vergleichen. Ein Smartphone und ein Lautsprecher zweier verschiedener Marken können miteinander kommunizieren, da sie denselben Standard einhalten.
Bei LoRaWAN gilt ein ähnliches Prinzip.
Ein Netzwerk kann Folgendes umfassen:
- Sensoren verschiedener Marken
- verschiedene Arten von Maßnahmen
- Gateways verschiedener Hersteller
- verschiedene Fachanwendungen.
Vorausgesetzt natürlich, dass die Geräte den LoRaWAN-Spezifikationen entsprechen und denselben Frequenzplan nutzen. Diese Offenheit ermöglicht essystemintegrator für jeden Bedarf das am besten geeignete Produkt auszuwählen, ohne alle Geräte von einem einzigen Hersteller beziehen zu müssen.
Ein wichtiger Unterschied: „Kompatibel“ bedeutet nicht automatisch „dekodiert“
Das Gateway kann den Datenrahmen eines Sensors empfangen, ohne die Bedeutung seines Inhalts zu kennen.
Nehmen wir an, ein Sensor sendet den folgenden Wert: 00D6
Um zu ermitteln, dass dieser Wert einer Temperatur von 21,4 °C entspricht, muss die Anwendung die vom Hersteller bereitgestellten Dekodierungsregeln anwenden.
Um einen neuen Sensor vollständig zu integrieren, sind daher folgende Voraussetzungen erforderlich:
- seiner Zugangsdaten und Schlüssel
- aus seiner Dokumentation
- seines Datenformats
- seines Codecs oder seiner Dekodierungstabelle.
LoRaWAN sorgt für Interoperabilität auf Funk- und Netzwerkebene. Die geschäftsspezifische Auswertung der Daten erfordert manchmal eine zusätzliche Integration.
